留小煤柱沿空巷道结构稳定主控因素分析第1章.docx

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留小煤柱沿空巷道结构稳定主控因素分析第1章

留小煤柱沿空巷道结构稳定主控因素分析

摘要

留小煤柱沿空掘巷可有效增加煤炭回收率，同时解决采空区窜矸、漏风、残煤自燃等不利因素，在我国井工煤矿开采中得到广泛应用，本文针对留小煤柱沿空巷道围岩结构稳定性问题，采用理论分析、数值模拟、工业试验相结合的方法，对留小煤柱沿空巷道结构稳定主控因素进行分析，得到如下结论：

（1）基于留小煤柱沿空巷道基本顶破断方式和帮部受力特征，针对基本顶在小煤柱外侧、实体煤内侧破断，建立了基本顶与帮部层裂板相结合的沿空巷道整体结构模型，得出了保持巷道围岩整体结构稳定的极限平衡方程。

同时定义影响系数反映各主控因素对巷道结构稳定性的影响程度，通过分析计算得出：

煤体的完整性程度是影响留小煤柱沿空巷道围岩结构稳定的最大因素，其次为巷道的埋深，煤柱宽度与侧向悬臂长度影响程度基本相同，基本顶在实体煤内侧的破断深度影响最小；

（2）采用离散元程序UDEC4.0模拟了基本顶不同破断位置条件下巷道埋深、小煤柱宽度、悬臂长度、基本顶破断深度、煤体完整性程度对巷道围岩稳定性的影响，同时提出反映各主控因素对巷道结构的稳定性影响程度的量化指标“幅度差”，通过监测数据以及主控因素幅度差的计算分析，得到的结果与理论分析结果一致，初步验证了理论分析结果。

（3）基于留小煤柱沿空巷道结构稳定主控因素的理论分析和数值模拟结果，采用JAVA语言在Eclipse平台下编写“留小煤柱沿空巷道稳定性分析系统”，该软件可对不同条件下不同主控因素的留小煤柱沿空巷道进行围岩稳定性判定，并给出巷道是否稳定，同时生成可供参考的巷道围岩支护参数。

（4）研究结果成功应用于兖州东滩矿1306轨道顺槽（西段）工程实践，应用结果表明遵循以控制小煤柱变形为基本支护原则的高强锚杆强化支护技术可有效控制巷道围岩变形，满足矿井安全生产要求。

该论文有图71幅，表18个，参考文献88篇。

关键词：

小煤柱；沿空掘巷；稳定性；主控因素

1绪论

1Introduction

1.1选题背景及意义（Thebackgroundandsignificanceoftopics）

能源是支撑人类文明进步的物质基础，是现代社会发展不可或缺的基本条件。

煤炭是我国的主要能源，在一次能源的生产及消费结构中分别占76%和69%，远高于国际能源25%的消费水平。

2012年煤炭产量达到36.6亿吨，2013年全国煤炭产量36.8亿吨，同比增长0.8%[1-2]。

能源发展战略行动计划（2014-2020年）[3]提出：

到2020年，一次能源消费总量控制在48亿吨标准煤左右，煤炭消费总量控制在42亿吨左右。

所以在相当长的一段时间内，煤炭作为我国的主要能源的地位不会发生改变，煤炭开采技术的长足发展也为我国经济的发展做出了重要贡献。

目前，我国煤矿开采和巷道围岩控制技术基础理论研究已取得了很大进展，但采区回收率低的问题一直没有得到很好的解决。

部分矿区仍然采用传统的宽煤柱护巷方式，这不利于提高采区回收率；而且有些煤矿采用宽煤柱护巷时巷道变形量依然很大，造成巷道维护困难，支护成本高，不利于矿井的安全生产和经济效益的提高。

为提高采区回收率，确定煤柱的合理参数是国内外开展沿空掘巷无煤柱护巷技术[4~12]研究的方向之一。

沿空掘巷分为三类，即保留部分老巷沿空掘巷、完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷。

从提高采区回收率和减少上区段采空区对本工作面影响角度来看，与其它两种沿空掘巷类型相比，留窄煤柱沿空掘巷的优点主要是提高了采区回收率，可以防止窜矸、漏风、残煤自燃等不利因素。

而且在工作面回采时，沿着背离采空区方向的实体煤中，留设的小煤柱正好处于应力降低区，可以改善回采巷道的受力状况，使煤柱内的应力分布亦趋于稳定合理化。

与沿空留巷相比，沿空掘巷仅受一次采动影响，沿空掘巷应力环境和维护条件优于沿空留巷[13~18]，所以留小煤柱的沿空掘巷在目前以及未来的井工煤矿开采中都有很大的应用。

留小煤柱沿空巷道有着很好地应用前景，处于煤矿井下开采的巷道，特别是现在煤矿开采深度以8～12m/年的速度增加，巷道的维护将会更加困难。

所以研究留小煤柱的沿空掘巷结构稳定性具有一定的现实意义，通过研究可以得到若干主控因素对巷道稳定性的影响程度。

目前国内外学者就留小煤柱沿空掘巷中小煤柱的合理尺寸、小煤柱的塑性区宽度、复杂条件下的沿空掘巷的理论与应用以及巷道的支护问题做了大量的研究，但是对影响巷道稳定性因素的整体关系，包括巷道埋深、巷道宽度、巷道高度、小煤柱宽度、基本顶侧向悬臂长度、基本顶的破断位置、煤体的完整性之间的关系没有进行深入的研究，所以通过研究各影响因素对沿空巷道的稳定性影响对沿空掘巷的发展以及巷道的围岩控制有一定的实用意义。

1.2国内外研究现状（CurrentSituationoftheResearchatHomeandAbroad）

留小煤柱沿空掘巷是在上区段工作面回采稳定以后，沿采空区留设小煤柱掘进用于下一区段的巷道，留设的小煤柱可以防止窜矸、漏风、残煤自燃等不利因素。

从小煤柱沿空掘巷开始应用于工程实践，国内外的学者就对其进行了一系列的研究，包括小煤柱留设的合理宽度、小煤柱的塑性区宽度、直接顶破断方式对煤柱的影响、复杂条件下的沿空掘巷理论与应用、小煤柱的支护方式等等。

下面分别介绍国内外学者在这几方面的研究情况。

1.2.1国外研究现状

美国和澳大利亚作为在世界上主要的高效产煤大国[19-21]，在高效产煤方面的研究成果大大推进了全世界矿产资源的高效机械化开采进程，也是最早开始对煤柱宽度的合理设计的研究，并取得了不俗的研究成果，在全世界范围内得到了广泛的实施推广。

国外学者[22]通过计算煤柱强度来反算煤柱合理宽度，早在20世纪初期美国学者Danieis和Moore在实验室进行煤岩试块受力试验后得出结论：

煤岩试块的尺寸并不是越大越好，反而是试块尺寸越大，其强度却越小，试块宽度不变时，高度越大其强度也越小，这也就是学者Bunting所说的煤岩试块的“尺寸效应”与“形状效应”；到20世纪中叶，学者Gaddy等人通过在实验室测试煤岩试块的强度来给出相应的煤柱强度，得出了试块强度随其尺寸的增加而减小的规律；20世纪60年代，针对南非矿区，科学家Salamon等人总结出了煤柱强度的经验公式，不过仅在南非的矿区适用；接着，格罗布拉尔在1970年提出了煤柱内核区强度不等理论，由于其煤柱强度计算公式相对较复杂，需要赋值的参数较多，降低了其实用性，但这在煤柱研究方面是一个突破；随后Wilson在格罗布拉尔理论的基础上提出了他自己的观点,即两区约束理论，并伴有5点重要的假设，给出了有核区和无核区煤柱强度的计算公式，这也是迄今最为成熟的理论，得到了广泛的应用。

1.2.2国内研究现状

（1）沿空掘巷研究现状

20世纪50年代我国己有个别矿井自发地应用沿空掘巷技术；70年代沿空掘巷术有所发展，并进入研究阶段，取得了可喜的成果；80年代初期提出了沿空掘巷巷道围岩变形特征；90年代随着锚杆支护的大面积应用推广，极大促进了沿空掘巷技术的发展，取得了有益的结论，提出了沿空掘巷的理论依据，并把沿空掘巷的类型分为三类，即保留部分老巷沿空掘巷、完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷。

对于综放回采巷道上覆岩层活动规律的研究，国内学者通过对综放工作面及平巷矿压观测分析及相似材料模拟实验做了大量深入研究，并取得了丰富的研究成果。

太原煤科院对放顶煤采场煤体支承压力分布规律的研究认为：

厚煤层放顶煤开采过程中，采场周围应力重新分布，在采空区两侧的煤体边缘处首先进入塑性状态，及至破坏，并逐步向煤体深部扩展直至弹性应力区边界，这部分煤体应力处于极限平衡状态。

并且此放顶煤极限平衡区宽度较大，卸载宽度也大，很适合留窄煤柱沿空巷道布置在煤体卸载带内，使巷道容易维护。

侯朝炯、李学华[23]提出了综放沿空掘巷上覆岩体“大小结构”观点，认为综放沿空掘巷上覆岩体大结构在掘巷及本工作面回采期间均不会发生失稳现象，但大结构回转引起大变形，综放沿空掘巷的稳定性取决于小结构的稳定性，因而合理的锚杆支护技术是巷道支护成功的关键，这为窄煤柱支护设计提供了依据。

张东升[24-25]采用相似材料模拟和数值模拟方法对综放沿空巷道上覆基本顶破断位置与形状、不同支护方式对顶板活动的影响、巷旁充填技术参数进行了研究，得到了采用锚杆（索）网联合支护有利于综放煤巷稳定的结论，为沿空掘巷窄煤柱护巷研究方法提供了借鉴。

柏建彪[26]通过建立沿空掘巷基本顶弧形三角结构的力学模型，对弧形三角结构稳定性进行力学分析，揭示了弧形三角结构稳定性原理及对沿空掘巷的影响，从理论上研究分析综放沿空掘巷外部围岩稳定条件，为窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制提供了可靠的理论依据。

王红胜[27-30]建立沿空巷道窄帮围岩结构力学模型，提出了沿空巷道上覆基本顶4种断裂结构形式，推导了窄帮载荷计算公式，系统分析了基本顶断裂产生的动载效应对窄帮稳定性的影响，得出了窄帮应力与应变变化规律。

（2）煤柱的研究现状

郑西贵[31]研究了不同宽度护巷煤柱沿空掘巷掘采全过程的应力场分布规律，分析了煤柱宽度对沿空掘巷煤柱和实体帮应力演化的影响。

提出确定沿空掘巷合理煤柱宽度时，不仅需考虑掘巷扰动影响，还应将本工作面的超前采动影响作为一个重要影响因素。

高明仕等[32-34]通过理论分析和数值模拟等方法，应用FLAC软件模拟综放沿空掘巷留设不同宽度煤柱时围岩位移量的大小，并结合“软”、“中硬偏软”两个具有代表性的煤巷进行的工业性试验，进一步总结出这类煤层综放沿空掘巷要留设的最佳煤柱宽度及特殊的支护手段，对这类巷道的锚杆支护技术有极大的参考价值。

刘增辉等[35]针对掘巷滞后时间、沿空掘巷围岩经历掘巷和回采两次扰动的影响，采用理论分析、数值模拟和工程实践研究了沿空掘巷的开挖巷道和回采过程窄煤柱对围岩的控制作用，研究结果表明开挖巷道最佳时间和煤柱宽度的选择是沿空掘巷在掘进和回采期间控制围岩稳定的关键，沿空掘巷实体煤帮加固，延缓围岩小结构的失稳破坏；合理选择加固煤柱的支护结构对提高煤柱承载能力和维护其稳定至关重要。

随着数值模拟技术的发展，近几年许多学者通过数值模拟的方法对沿空掘巷进行了研究，柏建彪、杨峰等[36-40]对煤矿采空区上下倾斜方向上煤层上方的支承压力分布状态，采动压力影响下相同锚杆支护方式的不同宽度煤柱沿空掘巷的围岩变形状况，不同宽度煤柱在煤岩体中的应力分布、位移场变化、塑性破坏及锚杆受力情况以及综放沿空掘巷围岩变形及窄煤柱的稳定性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支护强度之间的关系进行了模拟。

YangJiping[41]研究了孤岛工作面沿空掘巷中窄煤柱的破坏规律以及稳定性控制技术，结果表明：

实体煤侧和窄煤柱侧巷道顶板支撑条件差异很大，并且提出了对围岩支护的不对称控制技术。

KegongFan[42]研究了动态压力下薄煤层沿空巷道的非协调变形控制，提出沿空留巷顶板横向结构在经历相邻工作面开采后会引起很大的调整。

因此，应该更多的注意沿空巷道窄煤柱的变形和破坏特征。

YuanZhang[43]研究了不稳定上覆岩层沿空留巷煤柱的稳定性及耦合支护控制技术，结果表明上覆不稳定岩层下进行沿空留巷，支撑结构基本无法保持煤柱的稳定性，留巷侧煤柱的变形很大，进而提出一种基于三位一体的耦合支护技术来控制窄煤柱的稳定性。

冯吉成，马念杰[44]研究了深井大采高工作面开采条件下不同煤柱宽度时煤柱两侧塑性区分布和采掘扰动对巷道变形的影响，得到窄煤柱的合理尺寸。

杨晋陵，朱萌萌[45]研究了冲击矿井沿空掘巷合理护巷煤柱尺寸，通过分析不同宽度护巷煤柱下围岩支承压力、塑性区的演化，分析煤柱应力场的变化趋势，得出深井小煤柱护巷技术可以保证沿空巷道的稳定性。

王德超，李术才等[46]进行了深部厚煤层综放沿空掘巷煤柱合理宽度试验研究，以深部厚煤层综放沿空掘巷赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背