【正文】 ε 1 0 1122 0σ /Mpac2 4 681 02 03 04 05 00ε 1 / %(σ1σ3)/
。③承載時(shí)間 由于流變效應(yīng)的影響，隨承載時(shí)間增加，柔模混凝土墻體強(qiáng)度降低，所以當(dāng)巷道服務(wù)時(shí)間較長時(shí)，一般需用長時(shí)強(qiáng)度系數(shù)對試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行修正，長時(shí)強(qiáng)度系數(shù)取為 ～。寬度大、高度小的柔模混凝土墻體，其中央部位處于三向壓縮狀態(tài)，具有較高的抗壓強(qiáng)度。1p?式中 B—柔?；炷翂w寬度，m；—直接頂垮落時(shí)的初始碎脹系數(shù)，取為 ；pK—巖層容重，取 ；?M—實(shí)際采出厚度，m。B將 表達(dá)式代入上式，得h? （） 39。phB????式中 —直接頂從軌道巷道實(shí)體煤幫到切頂線的懸臂長度，m 。為安全起見，假定直接頂沿軌道巷實(shí)體側(cè)煤幫處斷裂，巖層之間力的聯(lián)系完全喪失，直接頂?shù)娜恐亓慷甲饔迷谌崮；炷翂w上。 （3）影響柔?；炷翂w工作狀態(tài)的因素分析①載荷大小 柔模混凝土墻體所受動(dòng)載大小，主要與直接頂在采空區(qū)的充填程度有關(guān)，當(dāng)直接頂板容易冒落，冒落厚度大于煤層采厚的 3～5 倍時(shí)，動(dòng)載顯現(xiàn)不明顯；相反，如果直接頂在采空區(qū)的充填程度較差，動(dòng)載顯現(xiàn)將十分顯著。③柔?；炷翂w破壞后，如果頂板載荷隨頂板的下沉變化很小(圖中曲線③)，或柔模混凝土墻體強(qiáng)度嚴(yán)重降低，致使柔?；炷翂w屈服后的殘余強(qiáng)度不足以承受柔?；炷翂w上的殘余壓力，破壞將繼續(xù)發(fā)展，直至最后完全破壞。由圖可見，柔?；炷翂w可以有以下 3 種工作狀態(tài)：①柔模混凝土墻體在低于其極限載荷下工作(圖中曲線①)，柔?；炷翂w穩(wěn)定。柔?；炷翂w強(qiáng)度變形曲線與柔?；炷翂w上載荷壓力變形曲線之間的相互關(guān)系，如圖 所示。柔?；炷翂w能否穩(wěn)定，關(guān)鍵是看柔?；炷翂w在經(jīng)受采動(dòng)壓力的劇烈作用之后能否仍保持較高的承載能力。最常見的破壞形式如圖 所示。薛湖煤礦深井厚煤層柔模泵注混凝土沿空留巷安全開采技術(shù)應(yīng)用研究技術(shù)研究報(bào)告293 柔模混凝土巷旁支護(hù)受力分析 柔?；炷翂w破壞機(jī)理 （1）柔?；炷翂w的破壞形式當(dāng)柔?；炷翂w所受的應(yīng)力達(dá)到柔?；炷翂w極限承載能力或柔模混凝土墻體變形達(dá)到極限時(shí)，柔?；炷翂w將出現(xiàn)破壞。由于錨桿（索）預(yù)應(yīng)力是形成“組合剛性頂板”至關(guān)重要的因素，加之提高錨桿（索）薛湖煤礦深井厚煤層柔模泵注混凝土沿空留巷安全開采技術(shù)應(yīng)用研究技術(shù)研究報(bào)告28預(yù)應(yīng)力又是提高頂板剛度最經(jīng)濟(jì)的手段，因此預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)是沿空留巷錨桿（索）設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，具體設(shè)計(jì)方法及流程見圖 ?；诨凇敖M合剛性頂板”理論的三步驟巷內(nèi)錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)流程為：圍巖地質(zhì)力學(xué)評估→錨桿（索）設(shè)計(jì)→支護(hù)參數(shù)優(yōu)化①圍巖地質(zhì)力學(xué)評估圍巖地質(zhì)力學(xué)評估的內(nèi)容包括現(xiàn)場工程地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件調(diào)查、圍巖物理力學(xué)性質(zhì)測定、圍巖結(jié)構(gòu)觀測、地應(yīng)力測量和錨桿拉拔力試驗(yàn)，它是錨桿（索）設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一。（2）基于“組合剛性頂板”理論的三步驟巷內(nèi)錨桿（索）支護(hù)設(shè)計(jì)方法在沿空留巷的工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，結(jié)合理論研究，提出了沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)的“組合剛性頂板”理論。巷內(nèi)支護(hù)的作用一方面是主動(dòng)控制頂板垮落帶范圍內(nèi)巖層的橫向剪切錯(cuò)動(dòng)，另一方面是主動(dòng)控制頂板垮落帶范圍內(nèi)巖層的的縱向碎脹變形，即將頂板垮落帶范圍內(nèi)的巖層錨固成一個(gè)“組合剛性頂板” ，提高頂板剛度，確保留巷頂板與柔模混凝土巷旁支護(hù)的剛度匹配，更好地控制圍巖變形。巷道礦壓控制的關(guān)鍵是控制圍巖的破裂范圍，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測手段，結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，分析2307 輔助進(jìn)風(fēng)巷破裂范圍以及工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，并由此確定巷道礦壓控制原則和控制措施。由支護(hù)阻力與巷道變形量的理論曲線可知，在巷道圍巖處于破裂狀態(tài)的條件下，圍巖彈塑性變形引起的巷道收斂很小，大量收斂是由處于殘余強(qiáng)度狀態(tài)的破裂區(qū)圍巖的膨脹變形引起的。因此，即使在圍巖破裂范圍相同，除了彈性模量以外的其它條件也都相同的情況下，軟巖巷道將產(chǎn)生較大變形。1mC薛湖煤礦深井厚煤層柔模泵注混凝土沿空留巷安全開采技術(shù)應(yīng)用研究技術(shù)研究報(bào)告26?????3?1kmr20u/ mLb/圖 巷道變形與圍巖破裂范圍的關(guān)系 圍巖破裂范圍對巷道變形的影響程度與巖體彈性模量值有關(guān)，即在彈性模量較小時(shí)比較顯著。因塑性區(qū)半徑與破裂區(qū)半徑之比為與巖體強(qiáng)度和巷道所處應(yīng)力有關(guān)的常數(shù)。 巷道圍巖變形與破裂范圍的關(guān)系將破裂狀態(tài)下巷道圍巖塑性區(qū)和破裂區(qū)半徑公式代入巷道周邊位移公式得， （） ????????????????????????120221021mrLnmCErpunb式中 計(jì)算參數(shù)， 。考慮到圍巖殘余強(qiáng)度和應(yīng)變軟化強(qiáng)度對圍巖應(yīng)力分布的影響，在計(jì)算塑性區(qū)時(shí)，區(qū)別圍巖處于破裂狀態(tài)和塑性狀態(tài)的兩種情況加以討論，經(jīng)過變換計(jì)算得出：塑性區(qū)半徑公式，即 Kstner 公式 （）??sin210cot)i)((?????????CprRip薛湖煤礦深井厚煤層柔模泵注混凝土沿空留巷安全開采技術(shù)應(yīng)用研究技術(shù)研究報(bào)告25破裂區(qū)半徑公式，即 Airey 公式 （） 10)(12??????????????pkpci cpbkrR?由以上分析計(jì)算可知，巷道圍巖隨著開采深度增大或受動(dòng)壓影響，切向應(yīng)力峰值位置向巷道圍巖深部轉(zhuǎn)移，而巷道周邊巖體的承載能力逐漸降低。有：平衡微分方程 （）0)(1?????rrd幾何方程， （）dru???變形協(xié)調(diào)方程 （）0)(1??rdr???式中： 圍巖徑向位移，指向巷道中心為正；u分別為圍巖徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力；??，r分別為圍巖徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變；?，距圓形巷道中心的距離。從破裂區(qū)半徑公式和破裂區(qū)厚度公式可見，圍巖破裂區(qū)厚度與巷道掘進(jìn)半徑 成正比。當(dāng)其它條件一定時(shí)，開采相當(dāng)于使巷道的埋深(開采深度)成倍增加，因而使圍巖破裂范圍明顯增大。如圖 所示。圍巖破裂范圍的減小必然使得巷道收斂變形減小。然而，由于深部開采的巷道圍巖破裂范圍較大，而破裂區(qū)的形成要經(jīng)歷較長的時(shí)間過程，在此過程中支架將由于圍巖變形而產(chǎn)生較大的支護(hù)阻力(支護(hù)反力)，從而必然對深并巷道圍巖破裂區(qū)的最終形成產(chǎn)生影響。毫無疑問，支架不可能改變圍巖的狀態(tài)，即支架不可能控制圍巖破裂的發(fā)生。從理論上講，若文護(hù)對巷道圍巖破裂（的發(fā)展）不起作用，即通常認(rèn)為 ，則根據(jù)破裂區(qū)厚度公式，在 趨于零或等0?ip ?c?于零時(shí)，圍巖破裂區(qū)厚度將趨于無窮大。bLip支護(hù)阻力 對破裂區(qū)厚度的影響很大，這種影響在支護(hù)阻力較?。ㄍ瑫r(shí)巖石殘余強(qiáng)度i也較小）時(shí)尤為突出。5) 支護(hù)的影響支護(hù)（這里指以被動(dòng)受力為特征的巷道支架，不包括對圍巖具有加固作用的支護(hù)方式，如錨桿支護(hù)、錨噴支護(hù)、錨注支護(hù)等）在巷道圍巖破裂中的作用是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題，這里主要從理論上討論文護(hù)阻力（支護(hù)反力） 對巷道破裂范圍的影響。通常，??巖石可以視為理想彈性——塑性應(yīng)變軟化材料，即 0＜ ＜ 。應(yīng)變軟化系數(shù) 越大，說明巖石的應(yīng)變軟化程度越大。巖ccc?薛湖煤礦深井厚煤層柔模泵注混凝土沿空留巷安全開采技術(shù)應(yīng)用研究技術(shù)研究報(bào)告22石力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，巖石(體)的殘余強(qiáng)度一般遠(yuǎn)小于其極限強(qiáng)度，因此，加固圍巖，提高其殘余強(qiáng)度應(yīng)作為深井巷道礦壓控制的一個(gè)重要內(nèi)容。2) 極限強(qiáng)度的影響在開采深度、巖體殘余強(qiáng)度和應(yīng)變軟化程度等條件一定時(shí)，巷道圍巖破裂區(qū)厚度隨巖體單向抗壓極限強(qiáng)度增大而減小。因此，對bL?b于強(qiáng)度較低的巖石，當(dāng)開采達(dá)到一定深度以后，常常出現(xiàn)新開采水平的巷道維護(hù)突然變得困難的現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果表明，開采深度每增加 100m，破裂區(qū)厚度的增量 并不是一個(gè)常量，bL?而是與巖體強(qiáng)度等因素有關(guān)。不難理解，在一定的應(yīng)力（開采深度）條件下，圍巖處于彈性狀態(tài)還是塑性狀態(tài)，決定于其極限強(qiáng)度大?。欢鴩鷰r處于塑性狀態(tài)還是破裂（松動(dòng)）狀態(tài)，則不僅取決于它的極限強(qiáng)度，而且取決于它的殘余強(qiáng)度和應(yīng)變軟化程度，特別是殘余強(qiáng)度。礦井巷道開掘在原巖應(yīng)力場中時(shí)，經(jīng)計(jì)算就得到破裂區(qū)厚度 隨開采深度 變化的規(guī)律分析如下：bLH(1) 隨開采深度增大，圍巖破裂區(qū)厚度開始時(shí)呈非線性增大，速度較快，以后逐漸薛湖煤礦深井厚煤層柔模泵注混凝土沿空留巷安全開采技術(shù)應(yīng)用研究技術(shù)研究報(bào)告21變緩，呈近似線性關(guān)系增大； (2) 開采深度（原巖應(yīng)力）對圍巖破裂區(qū)厚度的影響程度與巖石力學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切——巖體強(qiáng)度越大，影響越小，反之，則影響越大。 影響巷道圍巖破裂范圍的因素巷道圍巖破裂范圍即破裂區(qū)厚度，在地下開采中，影響巷道穩(wěn)定性的因素很多，其中影響巷道圍巖破裂區(qū)厚度的因素有： 巖石應(yīng)力，包括開采深度 和采動(dòng)影響等；H巖石力學(xué)性質(zhì)，主要有巖體單向抗壓極限強(qiáng)度 、殘余強(qiáng)度 和應(yīng)變軟化程度(系數(shù))c??c；支護(hù)方面的因素，包括支護(hù)阻力 和巷道掘進(jìn)半徑 。同時(shí)巷道圍巖破裂區(qū)半徑也急劇增大，即所謂的圍巖松動(dòng)圈擴(kuò)大。一般來說，巷道圍巖變形要經(jīng)歷五個(gè)階段，即巷道掘進(jìn)影響階段、掘進(jìn)影響穩(wěn)定階段、采動(dòng)影響階段、采動(dòng)影響穩(wěn)定階段和二次采動(dòng)影響階段。由于開采深度、圍巖力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)以及支護(hù)等巷道邊界條件不同，巷道圍巖變形量和變形速度有很大差別。巷道圍巖破裂范圍越大，圍巖穩(wěn)定性越差，支護(hù)也越困難。 巷道圍巖變形規(guī)律當(dāng)巷道圍巖處于彈、塑性狀態(tài)時(shí)，支護(hù)問題比較簡單。巷道圍巖變形主要是由處于破裂松動(dòng)狀態(tài)的破裂區(qū)圍巖的破裂膨脹引起的。（3）巷旁澆筑沿空留巷具有一定的適用范圍，軟頂軟底條件，系統(tǒng)剛度不匹配，一般不適合巷旁澆筑沿空留巷；硬頂軟底或軟頂硬底條件，對底板或頂板采取補(bǔ)強(qiáng)措施后，可以采用巷旁澆筑沿空留巷；硬頂硬底條件下，巷旁支護(hù)受力大，要求巷旁支護(hù)剛度也大，巷旁支護(hù)費(fèi)用也高，這時(shí)可以輔助采用預(yù)裂爆破或高壓注水等措施切頂卸壓措施，人為降低頂板剛度。隨著巷旁支護(hù)剛度的提高，巷旁支護(hù)受力均將增大，即巷旁支護(hù)受力符合“硬支多載”規(guī)律 [41]。p=kKp，隨之形成的巷旁支護(hù)載荷為 P39。設(shè) K39。在以往的沿空留巷實(shí)踐中，不考慮底板壓縮量，且將直接頂簡化為剛性體，設(shè)計(jì)巷旁支護(hù)可縮量為老頂給定變形量是造成木垛、矸石帶和高水材料等沿空留巷巷旁支護(hù)失效的根本原因。 系統(tǒng)剛度對巷旁支護(hù)變形的影響由圖 可知，在硬頂硬底時(shí)，S p→ L；在硬頂軟底或軟頂硬底時(shí)，Sp→ L；在軟頂軟底時(shí) Sp→ L。分別取 n=4，n= 和 n=m 三種情況，進(jìn)行頂?shù)装鍎偠葘ο到y(tǒng)剛度影響分析，見圖 。直接底壓縮模量與變形模量之間的關(guān)系為 [40]： （）???12Es薛湖煤礦深井厚煤層柔模泵注混凝土沿空留巷安全開采技術(shù)應(yīng)用研究技術(shù)研究報(bào)告17由此式（）和（）可見，提高底板剛度的措施為：提高底板的強(qiáng)度或者降低直接底的厚度。在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，一般底板向下 范圍內(nèi)，圍巖松軟、破碎，幾乎沒有承載力。對于一個(gè)確定的采煤工作面，巷旁支護(hù)高度為一定值，所以在滿足巷旁支護(hù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下，調(diào)整剛度的辦法主要是通過調(diào)整柔模混凝土墻體的強(qiáng)度和寬度來實(shí)現(xiàn)。沿空留巷直接頂圍巖完整性好、強(qiáng)度高，如果巷道的主動(dòng)支護(hù)及時(shí)有效，控頂距大，厚度小的話，則其剛度可能大于巷旁支護(hù)剛度；反之，如果直接頂松軟、破碎，控頂距小，厚度大的話，則其剛度可薛湖煤礦深井厚煤層柔模泵注混凝土沿空留巷安全開采技術(shù)應(yīng)用研究技術(shù)研究報(bào)告16能小于巷旁支護(hù)剛度。因此，沿空留巷直接頂剛度應(yīng)大于采場直接頂剛度。令直接頂剛度為 ，巷旁支護(hù)剛度為 ，底板剛度為 ，而支圍系統(tǒng)的總剛度rKpKfK為 ，相應(yīng)的變形量為 、 、 及 。178。178。 沿空留巷圍巖與支護(hù)剛度結(jié)構(gòu)模型在沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，將直接頂、巷旁支護(hù)和底板簡化為具有不同剛度的彈性體，建立如圖 所示的沿空留巷圍巖剛度結(jié)構(gòu)模型。 工 作 面 寬 度老 頂 斷 裂 塊 C關(guān) 鍵 塊 B老 頂 斷 裂 塊巷 旁 充 填 體煤 幫 巖 體 A采 空 區(qū)巖 塊 B巖 塊 C巷旁支護(hù) 圖 沿空留巷老頂 OX 破斷 圖 沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)模型由圖 和圖 可以看出，隨著工作面的不斷推進(jìn)，在其側(cè)向與下區(qū)段連接處，老頂發(fā)生破斷，形成三角形懸板 B，巖塊 B 的一端回轉(zhuǎn)后在采空區(qū)觸矸，另一端在煤幫內(nèi)斷裂。柔?；炷裂乜樟粝锢享斊茢嘈问揭妶D 所示。工作面回采一定距離后，采空區(qū)老頂沿?cái)嗔丫€形成薛湖煤礦深井厚煤層柔模泵注混凝土沿空留巷安全開采技術(shù)應(yīng)用研究技術(shù)研究報(bào)告13“OX”型破斷 [36]。當(dāng)采空區(qū)矸石被壓實(shí)后，留巷圍巖變形趨于穩(wěn)定。當(dāng)回采工作面通過巷道中的某一斷面時(shí)，由于巷道一側(cè)失去煤幫的支撐，留巷上覆巖層劇烈運(yùn)動(dòng)，使該處頂板急劇下沉，并向采空區(qū)方向傾斜。采空區(qū)三帶三區(qū)分布特征見圖 。研究內(nèi)容與技術(shù)路線：見圖 。因此，針對沿空留巷中遇到的這兩大課題，結(jié)合目前沿空留巷研究中存在的問題，特完成了“薛湖煤礦深井厚煤層泵注混凝土沿空留巷安全開采技術(shù)應(yīng)用應(yīng)用研究” 。從圍巖控制角度來講，留巷應(yīng)該不會出現(xiàn)冒頂或大變形事故，滿足正常的通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)纫蟆?沿空留巷存在的主要問題以往的沿空留巷圍巖規(guī)律多是建立在淺部薄和中厚煤層的基礎(chǔ)上，對深部厚煤層開采條件下的圍巖活動(dòng)規(guī)律研究較少；未見圍巖與支護(hù)剛度匹配關(guān)系的系統(tǒng)研究；對深部厚煤層開采條件下的留巷支護(hù)和施工工藝研究較少；對 Y 型通風(fēng)和留巷埋管瓦斯抽放技術(shù)研究深度不夠。截止