【正文】
。 圖 23 7435 材料道沿空掘巷圍巖條件 Figure 23 Surrounding rock condition of gobside entry driving in 7435 tailgate 由圖 21 212 可知， 7435 工作面為大傾角厚煤層綜放開采，本論文圍繞這種采礦條件下材料道留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)展開。頂板巖層經(jīng)地質(zhì)構(gòu)造運動后，與水平方向平均角度為 21176。 基本 頂 ： 中粒砂巖 ，厚度 ～ ，平均厚 ，呈 灰白色，主要成分為石英、長石，鈣質(zhì)膠結(jié)，致密，細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，近水平層理 。 采用綜采放頂煤采煤方法，采高 ，頂煤高 ，采放比約為 1:1。平均傾角 21176。工作面對應(yīng)地面標(biāo)高＋ ，工作面標(biāo)高為 ~，工作面走向長 1952m，設(shè)計工作面凈長 213m（平距），工作面煤層厚度 ~，平均厚度 ，工作面煤層傾角在 18176。本文擬采用的技術(shù)路線如圖 151 所示。本文的主要研究內(nèi)容 如下： （ 1）通過理論分析，揭示大傾角厚煤層回采巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)及煤體極限平衡寬度，為探討沿空掘巷合理煤柱寬度及支護(hù)方式提供理論參考； （ 2）對窄煤柱進(jìn)行幾何形狀、受力和變形分析，對比不同煤柱寬度時，窄煤柱幫部水平位移、整體水平位移和應(yīng)力分布特點，得出窄煤柱合理寬度； （ 3）根據(jù)深井支護(hù)及窄煤柱支護(hù)的原則，結(jié)合材料道圍巖條件，提出巷道錨桿索噴支護(hù)方案及具體參數(shù)； 1 緒論 11 （ 4）在試驗段進(jìn)行工業(yè)性試驗，進(jìn)行礦壓監(jiān)測反饋，分析支護(hù)效果，對支護(hù)中出現(xiàn)的不足之處，及時調(diào)整支護(hù)參數(shù)。對于每一種具體采礦條件，需要根據(jù)具體情況具體分析，普遍性的理論和公式還需做出一定的補(bǔ)充，使得分析結(jié)果與實踐情況更為吻合。 存在的問題（ Main Problems） 以上研究大都針對淺部或中深部礦井沿空掘巷進(jìn)行，礦井深入深部開采后，尤其是千米深井開采后受到“三高一擾動”的影響 [32, 33]，煤巖體處于高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓的環(huán)境中，而且要經(jīng)受多次強(qiáng)烈的采動影響，巷道圍巖應(yīng)力及變形特征均表現(xiàn)出與淺部不同的規(guī)律，圍巖由脆性向塑性過渡，巷道表現(xiàn)出非線性大變形的特點，加大了巷道支護(hù)難度 [34]。 錨固體殘余強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù) cK ： *1*c cσK σ? （ 19） 式中： *1σ —— 錨固體的殘余抗壓強(qiáng)度， MPa。錨固體極限強(qiáng)度強(qiáng)化系數(shù)jK： 1j cσK σ? （ 18） 式中： 1σ —— 錨固體的極限抗壓強(qiáng)度， MPa。 e）巷道圍 巖錨固體強(qiáng)度提高以后，可減少巷道圍巖破碎區(qū)、塑性區(qū)的范圍和巷道的表面位移，控制圍巖的破碎區(qū)、塑性區(qū)的發(fā)展，從而有利于保持巷道圍應(yīng)用型碩士學(xué)位論文 10 巖的穩(wěn)定。該理論認(rèn)為： a）錨桿支護(hù)的實質(zhì)是錨桿與錨固區(qū)域的巖體相互作用組成錨固體，形成統(tǒng)一的承載結(jié)構(gòu)； b）錨桿支護(hù)可提高錨固體的力學(xué)參數(shù)（ E、 C、 φ），改善錨固體的力學(xué)性能； c）巷道圍巖存在破碎區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)，錨桿錨固區(qū)的巖體則處于破碎區(qū)，相應(yīng)的錨固區(qū)巖石強(qiáng)度處于峰后強(qiáng)度或殘余強(qiáng)度，錨桿支護(hù)使巷道圍巖特別是處于峰后區(qū)圍巖強(qiáng)度得到強(qiáng)化，提高了峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度。 b）加固拱厚度涉及的影響因素很多，很難較準(zhǔn)確的估計。 加固拱理論充分考慮了錨桿支護(hù)的整體作用，在軟巖巷道中得到了較廣泛的應(yīng)用。 加固拱內(nèi)的巖體受徑向和切向約束， 處于三向應(yīng)力狀態(tài)， 巖體承載能力得到提高 。與拱形壓縮帶理論1 緒論 9 相似的還有 加固 拱理論。但是，它也未能提供用于錨桿支護(hù)參數(shù)設(shè)計的方法和參數(shù)。 （ 3）減跨理論 減跨理論認(rèn)為：如果把拱頂不穩(wěn)定的巖層看成是支撐在邊墻的疊合梁（板），可將錨桿視為圍巖懸吊的為支點，安設(shè)了錨桿就相當(dāng)于增加了支點而減少了支護(hù)的跨度，從 而降低支護(hù)的彎曲應(yīng)力和撓度，維持了圍巖的穩(wěn)定性，使其不易變形和破壞，如圖 123 所示。其實，在水平應(yīng)力較大的巷道中，水平應(yīng)力是頂板破壞、失穩(wěn)的主要原因。它涉及及影響錨桿支護(hù)的眾多因素，目前還沒有一種方法比較可靠地估計有效厚度。 組合梁厚度越大，梁的最大應(yīng)變值越小。 組合梁所受的最大拉應(yīng)力與疊合梁所受的最大拉應(yīng)力的比值為： 2m a x2m a x 1()cilihhn?????? （ 16） 式中， maxcσ 、 maxl? —— 組合梁和疊合梁的最大拉應(yīng)力， MPa； hi—— 各層巖梁厚度， m； n—— 巖層總數(shù)。對于全長錨固錨桿，錨桿和錨固 劑共同作用，明顯改善錨桿受力狀況，增加了控制頂板離層和水平錯動的能力，支護(hù)效果優(yōu)于端部錨固錨桿。 （ 2）組合梁理論 1952 年德國 Jacobio 等在層狀巖層中提出了組合梁理論。 總之，懸吊理論僅考慮了錨桿的被動抗拉作用，沒有涉及其抗剪能力及對破碎巖層整體強(qiáng)度的改變。 c）當(dāng)錨桿穿過破碎巖層時，錨桿提供的徑向和切向約束會不同程度地改善破碎巖層的整體強(qiáng)度，使其具有一定程度的承載能力，而懸吊理論沒有考慮圍巖的自承能力。 1 緒論 7 （ a）上部有穩(wěn)定巖層 （ b）上部形成自然平衡拱 1錨桿 2松散破碎巖層 3穩(wěn)定巖層 圖 12 懸吊作用 Figure 12 Suspension mechanism of bolts 但是，懸吊理論存在以下明顯缺陷： a）錨桿受力只有當(dāng)松散巖層或不穩(wěn)定巖塊完全與穩(wěn)定巖層脫離的情況下才等于破碎巖層的重量，而這種條件在井下巷道中并不多見。由于煤系地層為層狀沉積巖，回采巷道經(jīng)常遇到層狀巖體，錨桿的懸吊作用如圖 121（ a）所示。到目前為止，根據(jù)不同的圍巖條件，發(fā)展了相應(yīng)的錨桿支護(hù)理論 [29, 30]。當(dāng)基本頂斷裂線位于沿空巷道外側(cè)時，煤柱變形在合理范圍內(nèi)，同時具有較強(qiáng)的支承能力，對巷道維護(hù)有利。 王紅勝 [28]等提出了基于沿空巷道上覆基本頂斷裂線位置來確定窄煤柱的寬度，對基本頂斷裂結(jié)構(gòu)與窄煤柱穩(wěn)定性的相關(guān)性進(jìn)行了分析。 ? ? x l?? （ 14） ? ? ? ?231112ta n 1 nc d ipi ipσ Hhxl μ μEEθ k μ???? ? ? ? ?????? ? （ 15） 式中： x為塑性區(qū)寬度， m； Bl 為窄煤柱寬度， m； ml 為錨桿長度， m； 為富余系數(shù)。 謝廣祥等 [27]揭示了煤柱寬度變化對綜放工作面圍巖應(yīng)力分布及變化規(guī)律的影響，巷道維護(hù)狀態(tài)是工作面煤層和煤柱內(nèi)應(yīng)力場共同作用的結(jié)果，并指出護(hù)巷煤柱的合理寬度應(yīng)小于巷幫實體煤內(nèi)應(yīng)力向煤柱內(nèi)轉(zhuǎn)移的臨界寬度。 x1為巷道窄煤柱側(cè)幫部錨桿有效長度，再增加 15%的富裕系數(shù)， m； x2為考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，按 (x0+x1)計算。分析了開采深度、界面摩擦角、粘聚力、煤層厚度、側(cè)向支護(hù)阻力、應(yīng)力集中系數(shù)等因素對界面應(yīng)力和極限平衡區(qū)寬度的影響。如巷道二側(cè)均已采空，則煤柱總寬度為 2B， a、 b、 c、 d、 f—— 常數(shù)。 上區(qū)段工作面采空區(qū)巖塊 C弧形三角塊 B巖體 A沿空掘巷? ?巖體 A巖塊 B弧形三角塊B直接頂實體煤巷道 窄煤柱 采空區(qū)1 緒論 5 陸士良、郭育光 [24]分析研究了大量受采動影響巷道的礦壓顯現(xiàn)和圍巖變形規(guī)律，提出了巷道在采動期間的圍巖變形量，以及采動穩(wěn)定期間的圍巖變形速度同護(hù)巷煤柱寬度之間的關(guān)系，并得出巷道服務(wù)期間的圍巖變形總量與護(hù)巷謀柱寬度之間的關(guān)系式，為選擇護(hù)巷煤柱寬度提供主要依據(jù)。在側(cè)向支承壓力分布規(guī)律方面，已進(jìn)行了大量研究，主要運用數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測方法，而現(xiàn)場實測大都采用在工作面順槽內(nèi)直接向側(cè)向煤體鉆孔布置應(yīng)力計 [2022]。窄煤柱寬度的確定一般的步驟為： 側(cè)向支承壓力測試、理論計算、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測、反饋優(yōu)化。 窄煤柱 的合理寬度 是沿空掘巷支護(hù)的關(guān)鍵。 （ a） （ b）Ⅰ Ⅰ剖面 圖 11 沿空掘巷弧形三角塊結(jié)構(gòu)模型 Figure 11 Arc triangular plate structure model in gobside entry driving 合理 窄煤柱的寬度 窄煤柱護(hù)巷最早應(yīng)用于 20 世紀(jì) 50 年代，由于當(dāng)時以金屬支架為主，一般認(rèn)為留窄煤柱沿空掘巷不僅在掘巷期間圍巖變形強(qiáng)烈，而且在巷道掘出后仍保持較大速度的持續(xù)變形 [8]。 沿空掘巷一側(cè)為要開采的實體煤，另一側(cè)為上區(qū)段采空區(qū)，上區(qū)段基本頂在實體煤內(nèi)斷裂，以實體煤為固支邊。較厚的巖層破斷向下對工作面礦壓顯現(xiàn)、向上對地表移動都起著主要的控制作用，這樣的巖層成為 關(guān)鍵層，關(guān)鍵層具有以下特征 [16]： （ 1）幾何特征：相對其他巖層較厚； （ 2）巖性特征：相對其他巖層較為堅硬，即彈性模量和強(qiáng)度較大； （ 3）變形特征：在關(guān)鍵層破斷、下沉變形時，其上覆全部巖層或局部巖層的破斷、下沉是同步協(xié)調(diào)的。 弧形三角塊理論 工作面回采后，采空區(qū)上覆巖層一般采用全部垮落法處理。有效控制了該類巷道圍巖變形量，取得了良好效果。為了保持巷道形狀，采用預(yù)拉力鋼絞線桁架系統(tǒng)來控制頂板離層，結(jié)合高性能預(yù)拉力錨桿、 M 型鋼帶、小孔徑預(yù)拉力短錨索等，形成預(yù)拉力組合支護(hù)技術(shù)，較好地解決該類問題。但隨著開采強(qiáng)度的加大，在一些礦井已經(jīng)不能滿足正常的采掘接替。 王衛(wèi)軍、侯朝炯、柏建彪 [12]根據(jù)砌體梁理論，認(rèn)為基本頂頂以給定變形方1 緒論 3 式作用于綜放沿空巷道，應(yīng)用能量原理分析了巷道圍巖的變形機(jī)理，建立了巷道頂煤的力學(xué)模型，運用變分法對基本頂頂給定變形下頂煤的變形進(jìn)行了初步求解，并對頂煤下沉量與支護(hù)阻力、煤體彈性模量、巷道寬度的關(guān)系進(jìn)行了探討。 侯朝炯、李學(xué)華 [10]提出了綜放沿空掘巷圍巖大、小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原理，分析了基本頂弧形三角塊體受力特點及其在掘巷和回采期間的穩(wěn)定性，以及其對下方沿空掘巷的影響。 80 年代，對架棚支護(hù)沿空掘巷的研究認(rèn)為 [8, 9]：（ 1）留窄煤柱沿空掘巷，不僅在掘進(jìn)期間巷道變形強(qiáng)烈，而且在掘后穩(wěn)定期間仍保持較大的變形速度；（ 2）窄煤柱裂隙發(fā)育、甚至破碎，自身難以保持穩(wěn)定，而且，其支撐作用力小，增加了巷道跨度和懸頂距離，巷道維護(hù)困難；（ 3）對窄煤柱的合理寬度一直沒有統(tǒng)一的認(rèn)識，其結(jié)論差別較大，從 1～ 5m 到 15～ 25m 不等。綜放沿空掘巷 支護(hù)的關(guān)鍵在于 窄煤柱的穩(wěn)定性 。厚煤層綜放沿空掘巷的維護(hù)條件要比薄及中厚煤層困難，難度在于巷道支護(hù)介質(zhì)發(fā)生了變化。 需 根據(jù)具體的地質(zhì)條件采用最適合的支護(hù)方式。兩個工作面之間留足夠?qū)挼拿褐?，使下工作面的回采巷道位于原巖應(yīng)力環(huán)境中，即實體煤中巷道 護(hù)巷 方式 ；兩個工作面之間留窄煤柱，使下工作面回采巷道位于側(cè)向支撐壓力環(huán)境中，即沿空掘巷 護(hù)巷 方式；兩個工作面之間不留煤柱，使上工作面回采巷道服務(wù)于下工作面回采，即沿空留巷 護(hù)巷 方式。 井下煤炭開采是以工作面為單位進(jìn)行的，工作面的長度不可能無限長，多個工作面就會出現(xiàn)工作面之間的空間位置關(guān)系，即工作面 之間 留寬煤柱、留窄煤柱和不留煤柱，他們對應(yīng)的 護(hù)巷方式 為實體煤中巷道、沿空掘巷和沿空留巷。 面對著煤炭行業(yè)的兩大挑戰(zhàn)，作為市場經(jīng)濟(jì)下自負(fù)盈虧的組織，必須通過科技進(jìn)步來實現(xiàn)降本增效提高煤炭行業(yè)的競爭力。伴隨著生態(tài)環(huán)境的惡化，空氣質(zhì)量、地下水質(zhì)量、農(nóng)業(yè)耕地質(zhì)量下降，努力建設(shè)生態(tài)文明，創(chuàng)建美麗中國成為時代強(qiáng)音。但是煤炭的開采、使用過程中產(chǎn)生了污染。同樣印度尼西亞、越南和澳大利亞等通過海運向我國出口煤炭，尤其在產(chǎn)能過剩的情況下，我國煤炭行業(yè)承受著能源市場巨大的競爭壓力。 除 了來自其他化石燃料的競爭外，我國煤炭行業(yè)還受到了來自國外進(jìn)口煤炭的壓力。相比煤炭，天然氣更為清潔。 2020年 5月 21日，中俄在上海簽署兩國政府東線天然氣合作項目備忘錄、中俄東線供氣購銷合同兩份能源領(lǐng)域重要合作文件。當(dāng)前的煤炭產(chǎn)能確實過剩，但從維護(hù)我國能源安全、穩(wěn)定的戰(zhàn)略高度來考慮，煤炭作為我國一次能源的主 體 地位很難改變，煤炭工業(yè)仍有廣闊的前景 [2]。然而， 2020年以來整個煤炭工業(yè)市場開始低迷，總體而言，煤炭在供求平衡的基礎(chǔ)上，由于產(chǎn)能建設(shè)超前，結(jié)構(gòu)性過剩突出。同時，建立煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展體系，徹底解決煤炭工業(yè)與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的問題 [1]。B 傾斜煤層煤柱寬度 maxl? 疊合梁 ? 煤層傾角 hi 各層巖梁厚度 m 煤層厚度 n 巖層總數(shù) 0x 為煤柱應(yīng)力極限平衡的寬度 W 組合梁自重 A 側(cè)壓系數(shù) t 組合梁高度 μ 泊松比 E 巖石彈性模量 0φ 煤體內(nèi)摩擦角 L1T 極限跨距 0C 為煤體內(nèi)聚力 RT 基本頂巖層抗拉強(qiáng)度 k 為應(yīng)力集中系數(shù) hd 底煤深度 γ 為上覆巖層平均容重 s 工作面長度 H 為巷道埋深 q 基本頂承受的最大載荷 xP 為支架對煤幫的支護(hù)阻力 u 巷道采動期間的附加變形量 x1 窄煤柱側(cè)幫錨桿有效長度 V 采動穩(wěn)定期間的平均變形速度 x2 煤柱穩(wěn)定性系數(shù) 1 緒論 1 1 緒論 1 Introduction 選題 意義 （ Research Significance） 21世紀(jì)的煤炭工業(yè)面臨著能源市場的激烈競爭和全球環(huán)境日益惡化的雙重壓力，我國更是如此。 coal pillar。 full