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1、选题 名称：厚层软弱顶板留巷围岩稳定性与采面推进速度关系研究 学 院： 矿业工程学院 学科 专业： 采 矿 工 程 研究生姓名： SYN 导师 姓名： 2013年10月4日1 选题的目的及意义世界煤炭可采储量的60%集中在美国（25%）、前苏联地区（23%）和中国（12%），此外，澳大利亚、印度、德国和南非4 个国家共占29%，上述7 国或地区的煤炭产量占世界总产量的80%，已探明的煤炭储量在石油储量的63 倍以上，世界上煤炭储量丰富的国家同时也是煤炭的主要生产国。虽然近年来煤炭形势不容乐观，但在我国，煤炭仍是能源消费结构的主要组成部分。我国的煤炭生产多采用井工开采，回采巷道长期以来一直沿用保

2、留煤柱的方法维护13，留设的大煤柱容易造成应力集中，给相邻层位巷道及工作面布置带来很大困难4。煤矿超负荷大规模的不合理开采使浅部煤炭资源开采殆尽，为保证供给，煤矿开采不得不向深部延伸5。随着开采深度的增加，煤矿灾害日趋增多，特别是矿压显现加剧，必须留设较大的煤柱以保护巷道，保证安全生产，因此大量煤炭资源被浪费，而且留设的煤柱还会引发一系列的地质灾害，例如残留护巷煤柱在较大深度的煤层中，会导致煤层压力增大，出现瓦斯与煤的混合突出等动力现象，这样煤柱下近距煤层的采掘条件就会急剧恶化。因此，研究无煤柱开采技术成为矿井进入深部后实现安全高效开采的一项关键技术。沿空留巷作为一种无煤柱护巷方式，是一种先进

3、的煤炭开采技术，它不仅可以合理开发煤炭资源、避免留设煤柱从而可以大幅度提高煤炭资源采出率、煤炭回收率、延长矿井服务年限，还由于少掘进一条巷道，缓和了矿井生产接替的矛盾，减少了工作面综合机械化设备的搬运时间，预防采空区煤层自燃的发生，是一项有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效果的重大的护巷技术，而且它也是矿山进行采煤方法改革、实现前进式和往复式开采、实现高瓦斯矿井和工作面从U型通风转变为Y型通风方式、从通风方式上根本改变工作面瓦斯超限，及上隅角瓦斯聚集等灾害和难题的最有效途径，具有显著的技术优势和经济效益6。沿空留巷的关键是保证巷旁充填体稳定，目前，国内外学者对沿空留巷巷旁支护作用机理及方法进

4、行了大量的理论研究和工程实践，并取得了许多成果。但针对厚层松软顶板条件下沿空留巷围岩稳定性控制研究较少，尤其是此种条件下巷旁充填体的增阻速度与工作面推进速度匹配的研究仍是空白。在工程实际中，工作面推进速度较慢会导致顶板压架及煤壁片落，而推进速度较快又会造成巷旁充填体过早破坏无法继续安全生产，因此有必要对工作面推进速度与留巷稳定性关系进行研究，以保证煤矿安全、高效生产。2 国内外研究现状2.1 沿空留巷国内外研究现状2.1.1国内沿空留巷研究现状我国沿空留巷发展始于20世纪50年代，首先在一些薄煤层开采中用矸石带代替煤柱作为巷旁支护用，如淄博、鸡西、本溪、双鸭山、枣庄、峰峰等矿区薄煤层中都有应用

5、78。但由于矸石的沉缩量大，不能与巷内支架相匹配，使得巷内支架变形严重，维护工作量大，并没有形成完整和系统的无煤柱开采技术体系。20世纪60、70年代在中厚煤层应用密集支柱、木垛、砌块等作为巷旁支护，此阶段沿空留巷的研究是以实测为基础的宏观规律描述阶段，该阶段的主要成果是，比较正确地描述了沿空留巷的若干矿压显现规律，总结出了当时在顶板中等稳定、底鼓不严重的薄及中厚水平煤层及缓斜煤层条件适用的沿空留巷开采技术。其缺陷是，尚不能正确预测不同地质条件下沿空留巷的矿压显现特征79。在20世纪80年代，随着我国煤矿大力推行综合机械化采煤后，随着采高不断增大、工作面推进加快、巷道顶底移近量增大，我国煤矿工

6、作者在引进、吸收国外的巷旁充填技术的同时，发展了高水巷旁充填护巷技术。但由于受材料性能和墙体构筑速度的影响，此项技术的应用受到了很大的制约。20世纪90年代以来，我国有些学者在厚煤层综放工作面进行了一些沿空留巷研究，如潞安矿务局常村煤矿综放工作面，巷内采用锚梁网索联合支护，巷旁支护采用高水材料充填加空间锚栓加固技术，成功地进行了综放大断面沿空留巷试验1017。陆士良基于对无煤柱护巷矿压显现规律的研究，提出了沿空留巷顶板下沉量主要取决于“裂隙带岩层取得平衡前的强烈沉降”的重要观点1819，分析了裂隙带岩层沉降量影响因素，研究了回采空间的岩层移动对沿空留巷的影响，提出了裂隙带岩层沉降过程造成的留巷

7、顶板变形的三期划分。朱德仁提出了长壁工作面端头顶板可能形成“三角形悬板”结构的观点20，人们认识到沿空留巷的矿压显现规律与采场基本顶的关系，建立的采场顶板结构力学模型为人们研究沿空留巷矿压显现规律提供了启示和契机。孙恒虎2123通过相似材料立体模型实验，将沿空留巷顶板岩层活动分为三个时期（前期、过渡期、后期）和两种形式（顶板旋转折断和平移下沉），并将长壁工作面煤层顶板简化为层间结合力为零的矩形的“叠加层板”模型，采用条带分析法和弹塑性极限分析方法对沿空留巷不同时期的巷旁支护阻力进行了深入研究。揭示了支护前期作用对控制顶板下沉的效果是显著的，而对控制顶板平移下沉的效果不明显。前期支护应坚持以顶为

8、主，“顶、让兼顾”的支护原则。设计支护最大载荷以前期为主。后期支护应坚持以让为主，“让、顶兼顾”的支护原则。设计支护最大变形以后期为主。吴健24借鉴采场支架与围岩相互作用的研究成果，通过对国内外沿空留巷研究成果的分析，提出了裂隙带的活动及稳定过程决定了巷道支护系统的载荷特点和变形大小（给定变形）、冒落带决定巷道支护系统的载荷大小的重要观点。据此，讨论了沿空留巷的力学模型、巷旁支护载荷的计算及支架可缩量的设计。郭育光等25研究认为，巷旁支护应具有早期强度高、增阻速度快的特点，紧随工作面构筑，及时支护直接顶，避免与上部基本顶离层，并切断直接顶，减小巷旁支护载荷，控制巷道变形，与巷内支护共同起作用，

9、确保巷内直接顶不破碎，避免与上部基本顶离层，并切断采空区旁的直接顶，减小巷旁支护体所承受的载荷。随着工作面推进，当基本顶弯矩在巷旁支护边缘附近达到极限时，切断基本顶。垮落的矸石由于破碎后体积增大，当充满采空区时，更上位岩层在煤体和矸石的支撑下，达到运动平衡，巷道围岩变形趋向缓和。漆泰岳2627通过现场实测和理论分析，对不同围岩条件下基本顶断裂引起的整体浇注充填体的支护强度和变形能力进行了深入研究，提出了使沿空留巷巷道保持稳定的整体浇注充填体支护强度与变形的理论计算方法，并且对沿空留巷整体浇注充填体的适应性进行了研究。应用弹性基础梁理论和数值模拟证明，沿空留巷的基本顶断裂不会发生在靠巷道煤帮侧的

10、边沿的上方，而是煤层内的上方，基本顶在煤壁内的断裂深度随围岩级类的提高而加大；煤层和直接顶的刚度对护巷带的稳定性影响较大，刚度越大护巷带切顶效果越好。涂敏28运用Winker 弹性地基理论，把沿空留巷上方顶板看成弹性薄板条，建立了顶板运动力学模型，导出了顶板挠曲运动方程，分析了顶板内应力分布的特征。何廷峻29根据MARCUS板的简化计算法，把三角形悬板看成由若干伪倾斜条梁组成的板，进一步研究了基本顶在工作面端头形成的三角形悬板对沿空巷道的危害，并对悬顶破断结构进行了分析，并尝试预测三角形悬顶在沿空留巷中破断的位置和时间，为确定滞后加固沿空巷道的时间和长度提供了理论依据。李化敏30分析了沿空留巷

11、顶板岩层的运动过程及变形特征，并建立了合理的巷旁支护阻力及压缩量数学模型。指出巷旁充填体不能改变基本顶“大结构”的形态，只需保持直接顶的完整和与基本顶的紧贴，不能改变顶板岩层过渡期活动时顶板下沉量的大小，也不能约束顶板岩层后期活动而引起的平行下沉。明确了顶板岩层运动各阶段巷旁充填体的作用，根据充填体与顶板相互作用原理，确定了各阶段沿空留巷巷旁充填体支护阻力的控制设计原则。张东升1315采用相似材料模拟和计算机数值模拟，对沿空留巷基本顶破断位置与形状、不同支护方式对顶板活动的影响以及巷旁充填技术参数的确定进行了初步分析，并给出了充填带宽度和充填材料抗压强度的最低要求。谢文兵1012在工程实践基础

12、上，采用UDEC建立相应的数值分析模型，详细分析了沿空留巷围岩运动规律，系统分析了基本顶断裂位置、端头不放顶煤长度、原有巷道支护技术、充填体宽度、充填方式和充填体强度对沿空留巷围岩稳定性影响规律，得出了许多有益的结论。研究结果表明，在保证顶煤及顶板稳定的前提下，合理利用围岩运动规律，确定合理的充填方式和充填体强度，既能保证充填体稳定，又能达到很好的留巷效果。华心祝3132从如何提高巷道围岩自承能力入手，提出了一种主动的巷旁加强支护方式巷旁锚索加强支护，建立了考虑巷帮煤体承载作用和巷旁锚索加强作用的沿空留巷力学模型，并分析了巷内锚杆支护和巷旁锚索加强支护的作用机理。利用理论分析所得结论，进行了工

13、程实践，其研究成果为较大采高工作面沿空留巷技术提供了理论依据和借鉴经验。朱川曲33根据沿空留巷围岩变形大且围岩力学参数中有许多随机变量的特征，阐述了支护结构可靠性分析的必要性。应用工程结构可靠性理论，建立了沿空留巷支护结构可靠性分析模型，得到了支护结构可靠度的计算公式。研究认为，通过合理选择锚杆类型、加大锚杆支护密度、改善锚固体及充填材料力学性能等措施，可达到提高沿空留巷支护结构可靠性的目的。马立强1617在巷内充填原位沿空留巷技术基础上，根据岩层控制的关键层理论，建立巷内充填原位沿空留巷围岩结构力学模型，推导出不同地质条件下巷内充填体的支护阻力计算式，并对围岩与巷内充填体之间的相互作用机制进

14、行深入分析。研究结果表明，留巷围岩的稳定性与充填体的支护阻力和巷内支护方法密切相关。采用锚梁网索巷内支护技术结合及时巷内充填和加强临时支护等工艺措施，可形成良好的充填体围岩共同承载体系，能充分发挥留巷围岩的自承能力，增强巷道整体性，有效减小需由充填体来平衡的围岩载荷。徐金海34将充填体视为黏弹塑性介质，利用最小势能原理，在分析充填体与顶板的相互关系以及充填体受力状况后，建立了考虑顶板刚度及充填体软化与流变特性的分析模型。研究结果表明不考虑失稳的时间效应，充填体失稳发生的必要条件取决于充填体内部特性，即几何尺寸、材料性质等；充填体发生流变后其稳定时间随黏滞系数增大而增大，随弹性模量和塑性区宽度的

15、增加而减少。阚甲广3537系统研究了沿空留巷巷旁充填体支护阻力、顶板垮落规律与变形特征、围岩应力演化规律。利用叠加连续层板模型，考虑巷帮煤体承载作用和顶板垮落诱因，得出了三种顶板条件下的巷旁支护阻力计算公式。基于沿空留巷应力分布与破坏特征的阶段性，提出了采动应力调整阶段动态让压、整体强化的留巷围岩控制思想，形成了巷内锚杆强化、巷旁充填体强化、巷内自移式主动强力控顶支架辅助加强的“三位一体”强化支护技术体系。卢小雨3839根据沿空留巷的力学环境建立了充填体的弹性力学模型，运用变分原理研究充填体的位移分布特征，初步得到了充填体内的位移场分布规律，并对充填体位移与巷道宽度、充填体宽度及支护阻力之间的

16、关系进行了分析。同时基于支架围岩整体力学模型, 利用位移变分原理研究了沿空留巷时基本顶在给定变形下直接顶的受力、变形情况，探讨了顶板下沉量与巷内、巷旁支护阻力、直接顶厚度、巷道宽度及充填体宽度之间的相互关系。张国锋40等基于对坚硬顶板沿空留巷的深刻认识，提出了深井工作面卸压沿空切顶成巷无煤柱开采方法，对沿空巷道顶板实施超前预裂，切断沿空巷道顶板与采场直接顶、基本顶的联系，在周期来压作用下采场顶板沿预裂面切落形成巷帮，隔断采空区并支撑上位移动岩层，改善了巷道围岩应力环境，将巷道围岩应力集中转移到深部，实现巷道稳定。李迎富41等根据沿空留巷上覆岩层的活动规律，建立了关键块和直接顶的力学模型，分析了关键块与沿空留巷围岩相