姚橋煤礦1.2Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖-采礦工程.zip

姚橋煤礦1.2Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖-采礦工程.zip,煤礦,1.2,Mta,設(shè)計(jì),CAD,采礦工程 沿空掘巷小煤柱穩(wěn)定機(jī)理分析 摘要 本文主要介紹沿空掘巷小煤柱留設(shè)穩(wěn)定性機(jī)理分析，對(duì)于小煤柱的整體穩(wěn)定性進(jìn)行研究。將小煤柱作為沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分，研究小煤柱的變形破壞特點(diǎn)及其保持其穩(wěn)定性的控制機(jī)理。 關(guān)鍵詞 沿空掘巷 小煤柱 圍巖應(yīng)力 穩(wěn)定性 1概述 沿空掘巷是指沿著采空區(qū)邊緣開掘巷道，上下區(qū)段間不留煤柱或只留3~5m寬的擋矸、阻水或阻隔采空區(qū)有害氣體的隔離煤柱。理論和實(shí)踐證明，沿空掘巷有利于巷道維護(hù)，減少區(qū)段煤柱損失。當(dāng)瓦斯涌出量不大、煤層埋藏穩(wěn)定的條件下，我國煤礦，特別是進(jìn)入深部開采的礦井，其回風(fēng)平巷一般采用單巷布置與掘進(jìn)、沿空掘巷方式。沿空掘巷在我國廣泛應(yīng)用，多用于開采近水平、緩斜、中斜厚度較大的中厚煤層和厚煤層。 我國煤礦地下巷道總長約3萬km，其中受采動(dòng)影響的煤巷約占80%，長期以來，對(duì)受采動(dòng)影響的煤巷一般采用煤柱護(hù)巷，隨著礦井深度增加，原巖應(yīng)力升高，護(hù)巷煤柱寬度越來越大。這樣，不僅煤炭采出率低下、巷道維護(hù)困難，并且較寬的區(qū)段煤柱在工作面回采后形成應(yīng)力集中區(qū)，使布置在煤柱下方的底板巷道維護(hù)困難，同時(shí)，不利于防治煤炭自燃發(fā)火以及煤與瓦斯突出等災(zāi)害。從50年代開始，國內(nèi)外開展了包括沿空留巷與沿空掘巷兩種方法的無煤柱護(hù)巷技術(shù)的試驗(yàn)研究，對(duì)于煤柱護(hù)巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及圍巖控制進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了大量的成果，推動(dòng)了無煤柱護(hù)巷技術(shù)的發(fā)展。 2研究意義 沿空掘巷小煤柱的留設(shè)關(guān)系到開掘巷道及其周圍圍巖結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，對(duì)于小煤柱穩(wěn)定性機(jī)理的分析能夠從原理上為沿空掘巷提供理論指導(dǎo)，煤柱留設(shè)穩(wěn)定性機(jī)理不僅對(duì)提高煤炭采出率具有重要意義，而提高煤炭開采的采出率是關(guān)系到礦井的開采壽命和技術(shù)發(fā)展方向的重大問題，小煤柱穩(wěn)定性也是關(guān)系到采區(qū)巷道能否穩(wěn)定這一重要問題。通過對(duì)沿空掘巷小煤柱穩(wěn)定性機(jī)理的分析，對(duì)小煤柱及實(shí)體煤幫的穩(wěn)定性原理、巷道圍巖應(yīng)力場、圍巖變形破壞特點(diǎn)、錨固結(jié)構(gòu)與圍巖活動(dòng)關(guān)系等進(jìn)行系統(tǒng)的研究，初步形成了綜放沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性原理與控制技術(shù)，促進(jìn)無煤柱技術(shù)開采的進(jìn)一步發(fā)展，充實(shí)和發(fā)展回采巷道支護(hù)理論，實(shí)現(xiàn)高度集約化生產(chǎn)的高產(chǎn)高效礦井建設(shè)無疑都具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 3沿空掘巷小煤柱留設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀 窄煤柱沿空掘巷的實(shí)質(zhì)是沿上工作面采空區(qū)邊緣留窄煤柱（1～6m）掘進(jìn)巷道。在國內(nèi)，窄煤柱沿空掘巷在簡單地質(zhì)條件下礦區(qū)已得到較廣泛的應(yīng)用，其圍巖控制的中心思想基于“巷道布置在采空區(qū)側(cè)的低應(yīng)力區(qū)，同時(shí)窄煤柱有一定的自承能力”。 沿空掘巷是在第一個(gè)工作面采空區(qū)巖層活動(dòng)基本終止，回采引起的應(yīng)力重新分布趨于穩(wěn)定后掘巷，巷道位于應(yīng)力降低區(qū)，采用寬度較小的煤柱和合理的支護(hù)技術(shù)可以保證巷道在掘進(jìn)及掘后圍巖變形較小，巷道只經(jīng)歷一次采動(dòng)影響。 綜放沿空掘巷及薄及中厚煤層沿空掘巷有較大的差別。綜放工作面煤層為后煤層、采高大，受采空區(qū)側(cè)向壓力作用，下區(qū)段煤體邊緣形成破碎區(qū)和塑性區(qū)的寬度大于薄及中厚煤層，因此，綜放沿空掘巷一般處于塑性區(qū)和破碎區(qū)煤體中；巷道上方弧三角塊在超前支撐壓力作用下回轉(zhuǎn)下沉量比薄及中厚沿空掘巷大；綜放沿空掘巷頂板為煤體，而薄及中厚煤層沿空掘巷頂板為巖層；所以綜放沿空掘巷巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)比薄及中厚煤層沿空掘巷更差，維護(hù)更為困難。近年來，綜放沿空掘巷作為綜采放頂煤的配套技術(shù)越來越受到人們重視，是我國煤炭開采技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志。但綜放沿空掘巷的穩(wěn)定原理及控制技術(shù)還很不成熟，一些普遍的具有廣泛適用性的規(guī)律有待于進(jìn)一步探索，其中小煤柱留設(shè)穩(wěn)定性的控制技術(shù)及錨桿支護(hù)巷道錨固體與外部圍巖的相互作用關(guān)系均有待于進(jìn)一步研究。 目前國內(nèi)在沿空掘巷方面已做了大量的工作，但在陽泉、靈武等多個(gè)礦區(qū)目前仍采用大煤柱護(hù)巷方式（約在20m左右）[1]，其目的一是為了巷道本身的圍巖穩(wěn)定；二是為了防止窄煤柱變形或破壞后會(huì)與相鄰采空區(qū)溝通，形成更大的安全隱患。 國外，如澳、英等國不搞沿空掘巷，他們認(rèn)為煤巷布置在裂縫中圍巖是非常不穩(wěn)定的。而認(rèn)為區(qū)段平巷的護(hù)巷煤柱尺寸應(yīng)該是巷道埋藏深度的1/10，至少應(yīng)當(dāng)在15m以上。美、德等國區(qū)段煤層平巷均布置在實(shí)體煤中。俄羅斯、烏克蘭的沿空掘巷只采用金屬支架支護(hù)[2]。 4沿空掘巷的最佳位置 通常, 在研究支承壓力分布及其顯現(xiàn)隨上覆巖層運(yùn)動(dòng)而變化的規(guī)律的基礎(chǔ)上, 通過實(shí)測確定具體采場的支承壓力分布特征, 特別是低應(yīng)力區(qū)的范圍和穩(wěn)定時(shí)間, 然后確定巷道開掘的合理位置, 使其避開高應(yīng)力區(qū)和高應(yīng)力作用期, 最大限度地減輕支承壓力集中區(qū)的影響。在存在內(nèi)應(yīng)力場的條件下, 可能的掘巷位置有3種(見圖2)。 圖2 巷道掘進(jìn)位置 1- 小煤柱沿空掘巷 2 -外應(yīng)力場中的煤柱護(hù)巷 3 -原始應(yīng)力區(qū)的大煤柱掘巷 由煤體上方支承壓力分布規(guī)律可以看出, 在位置2掘進(jìn)巷道, 正處于支承壓力高峰區(qū),巷道不易維護(hù); 在位置3掘進(jìn)巷道, 雖然巷道比較容易維護(hù), 但煤柱損失比較大, 故這兩種位置都不可取。因此沿空掘巷的最佳位置為位置1所示的小煤柱掘巷, 最佳煤柱尺寸應(yīng)是滿足煤柱不發(fā)生裂隙向采空區(qū)漏風(fēng)、不誘發(fā)自燃的最小煤柱尺寸。 5沿空掘巷小煤柱留設(shè)圍巖穩(wěn)定的基本原理 5.1沿空掘巷的圍巖力學(xué)環(huán)境 沿空掘巷的圍巖力學(xué)環(huán)境與其它類型的回采巷道相比，一般具有以下三個(gè)顯著的特點(diǎn)： ①巷道處于應(yīng)力降低區(qū)； ②掘巷期內(nèi)圍巖應(yīng)力集中程度?。? ③回采期間應(yīng)力集中程度很大。 5.1.1巷道開挖前礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析 根據(jù)沿煤層傾斜方向的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律可知，受工作面回采的影響，煤體內(nèi)存在三個(gè)不同的應(yīng)力分布區(qū)：靠近采空區(qū)的卸載區(qū)、支承壓力顯現(xiàn)區(qū)及煤體深部的原巖應(yīng)力區(qū)。在沿傾斜方向上的支承壓力形成初期，卸載區(qū)的范圍一般為3～6m。但隨著時(shí)間的增長應(yīng)力分布會(huì)逐漸地趨向緩和與均化，支承壓力的峰值逐漸降低，影響范圍也逐漸加長，并最終形成長期穩(wěn)定的殘余支承壓力（如圖1）。此時(shí)卸載區(qū)的影響范圍接近10m。留小煤柱沿空掘巷的目的就是要將巷道布置在卸載區(qū)內(nèi)，以利于巷道的支護(hù)。因此，在進(jìn)行巷道桿支護(hù)設(shè)計(jì)前，要對(duì)卸載區(qū)內(nèi)的圍巖狀況進(jìn)行分析，以確定合理的支護(hù)類型。 （1—初期礦壓規(guī)律曲線；2—穩(wěn)定后的礦壓規(guī)律曲線； I—卸載區(qū)；Ⅱ--支承壓力顯現(xiàn)區(qū)；Ⅲ—原巖應(yīng)力區(qū)） 圖1 采空區(qū)側(cè)煤層傾斜方向礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 5.1.2卸載區(qū)內(nèi)的煤巖狀況分析 由于該處煤體直接與回采工作面相鄰，工作面在回采期間，煤體邊緣受高應(yīng)力的作用出現(xiàn)不同程度的變形、破碎，致使該區(qū)域內(nèi)的煤體承載能力降低，形成壓力卸載區(qū)；同時(shí)，回采工作面頂板的冒落將造成卸載區(qū)內(nèi)的頂板出現(xiàn)離層、斷裂，離層、斷裂后的巖體承載能力大大降低。其上方巖體所產(chǎn)生的壓力將向煤體深部轉(zhuǎn)移，形成支承壓力顯現(xiàn)區(qū)（如圖2）。 （I—卸載區(qū)；Ⅱ--支承壓力顯現(xiàn)區(qū)；H—— 頂板斷裂厚度） 圖2 卸載區(qū)內(nèi)煤巖狀況模型 5.2掘巷期間煤柱內(nèi)位移場分布特征 掘巷區(qū)間煤柱內(nèi)水平位移分布曲線見圖3，煤柱表面向巷道內(nèi)的位移與其寬度關(guān)系見圖4。由圖3、圖4可見,掘巷期間沿空掘巷煤柱位移 (1)煤柱內(nèi)巷道內(nèi)的位移隨煤柱寬度增大而增大,達(dá)到一定寬度后再由大變小,然后趨于穩(wěn)定。 (2)煤柱表面向巷道內(nèi)的位移特征,當(dāng)煤柱留3m時(shí),煤柱整體向采空區(qū)移動(dòng),4～5m煤柱向巷道圖3　掘巷期間煤柱內(nèi)水平位移分布曲線圖4　掘巷期間煤柱表面位移特征內(nèi)位移量不大,6～9m煤柱向巷道內(nèi)位移量急劇增大,10～15m煤柱向巷道內(nèi)的位移量變化不明顯,但顯著大于4～5m煤柱向巷道內(nèi)的位移量。 (3)當(dāng)煤柱留3m時(shí),煤柱中部位移急劇變化,沒有穩(wěn)定部分,4～5m煤柱時(shí),中部位移穩(wěn)定并較小,當(dāng)煤柱大于5m后,雖然中部也存在穩(wěn)定部分,但向巷道內(nèi)的位移量明顯大于4～5m煤柱時(shí)的位移量。 5.3回采期間煤柱應(yīng)力分布回采期間采動(dòng)影響 通過在模型實(shí)體煤側(cè)的上部邊界施加采動(dòng)支承壓力來實(shí)現(xiàn),回采階段工作面沿空掘巷窄煤柱應(yīng)力分布有如下特征: (1)煤柱寬度對(duì)應(yīng)力分布影響較大。煤柱由4m增大到15m時(shí)步降低。又從數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出,3m煤柱的垂直應(yīng)力峰值為18.47MPa,大于4m煤柱時(shí)的垂直應(yīng)力峰值,4～5m煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值最小,對(duì)煤柱的穩(wěn)定最有利。煤柱達(dá)到10m后,垂直應(yīng)力峰值增加不明顯,垂直應(yīng)力峰值在煤柱內(nèi)的位置也相差不大。 (2)煤柱寬度對(duì)煤柱淺部應(yīng)力的影響。煤柱3m時(shí),淺部應(yīng)力較大,煤柱4～6m時(shí),淺部應(yīng)力較小。煤柱超過6m后,隨著煤柱寬度的增大,淺部應(yīng)力又相應(yīng)的增大。 ,煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值逐步增大,4m時(shí)垂直應(yīng)力峰值僅為16.71MPa,15m時(shí)則達(dá)到了31.1MPa,煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值的增大不利于煤柱的穩(wěn)定,由此可知,煤柱超過4m后,隨著煤柱寬度的增加,煤柱的穩(wěn)定性逐 5.4回采期間煤柱內(nèi)位移場分布特征 回采期間煤柱表面向巷道內(nèi)的位移與其寬度的關(guān)系見圖5,煤柱寬度對(duì)巷道變形的影響見圖6。 圖5回采期間煤柱表面位移特征圖6煤柱寬度對(duì)巷道變形的影響由圖5、圖6可見,煤柱寬度對(duì)圍巖變形的影響為: (1)頂板下沉。巷道頂板下沉量隨煤柱寬度增大而減小,煤柱3～4m時(shí),頂板下沉量較大,煤柱4～6m時(shí),頂板下沉量變化不大,大于8m時(shí)頂板下沉量變化不明顯,但小于煤柱4～6m時(shí)的頂板下沉量。 (2)底臌。煤柱3～6m時(shí)底鼓量增加不明顯,大于6m時(shí)增大,當(dāng)煤柱增加到8m時(shí),底鼓量達(dá)到最大,隨后底鼓量隨著煤柱寬度的增加逐漸減小,10m以后逐漸趨于穩(wěn)定。 (3)兩幫移近量。窄煤柱幫水平位移隨煤柱寬度增大而增大,煤柱3～5m時(shí)位移量較小,煤柱8m時(shí)位移量最大,然后逐漸減小。實(shí)體煤幫位移隨煤柱寬度增大而減小,煤柱5m時(shí)最小,隨后隨煤柱增大位移量增大,但變化不太明顯。 5.5沿空掘巷上覆巖體大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析 基于老頂巖層的上覆巖體大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是一個(gè)與上區(qū)段工作面回采、掘巷、及本區(qū)段工作面回采時(shí)載荷從穩(wěn)定→不穩(wěn)定→穩(wěn)定→不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。 研究和實(shí)踐表明，沿空掘巷上覆巖體在巷道掘進(jìn)及本工作面回采前是可以保持穩(wěn)定的，但在受本工作面采動(dòng)影響時(shí)，其穩(wěn)定性將受到嚴(yán)重影響。 沿空掘巷在受到本區(qū)段工作面的回采影響時(shí)，巷道與上覆巖體大結(jié)構(gòu)的平面關(guān)系如圖1所示。其過程可歸結(jié)為： ①本區(qū)段工作面回采時(shí)，采空區(qū)老頂巖層產(chǎn)生新的破斷，由于沿空掘巷位于回采工作面前方，這種破斷不會(huì)在沿空掘巷上方產(chǎn)生，只是在回采工作面采空區(qū)內(nèi)，長邊破斷線直接與原有關(guān)鍵塊體溝通，也即新產(chǎn)生的巖塊A與原有三角形板B相連通，如圖1（a）所示。 （a） （b） W－沿空掘巷上覆巖體大結(jié)構(gòu)的下沉量；M－關(guān)鍵塊體B的回轉(zhuǎn)力矩；m－本工作面老頂巖層向采場回轉(zhuǎn)的力矩 圖1 回采時(shí)沿空掘巷與上覆巖體大結(jié)構(gòu)的平面和剖面關(guān)系圖 ②老頂巖層破斷后，塊體A將分別在回轉(zhuǎn)力矩m和M的作用下向本工作面和側(cè)向三角板B方向回轉(zhuǎn)下沉，進(jìn)而破壞了工作面前方沿空掘巷大結(jié)構(gòu)原有的平衡狀態(tài)，大結(jié)構(gòu)中的鉸接巖體A和關(guān)鍵塊B處于運(yùn)動(dòng)和不穩(wěn)定狀態(tài)，從而引發(fā)B塊的一定下沉和在工作面前方形成較高的支承壓力。 ③上覆巖體大結(jié)構(gòu)在較高支承壓力的作用下，巖塊A和巖塊B將有一定的回轉(zhuǎn)下沉，如圖1（b）中的W所示。大結(jié)構(gòu)的這種運(yùn)動(dòng)和不穩(wěn)定狀態(tài)將造成沿空掘巷圍巖應(yīng)力的再次重新分布和集中，其影響程度遠(yuǎn)大于掘巷時(shí)圍巖應(yīng)力的重新分布和集中。需說明的是：掘巷和回采時(shí)圍巖應(yīng)力的來源不同，巷道圍巖應(yīng)力在掘巷期間是由于掘進(jìn)引起的圍巖小范圍內(nèi)的應(yīng)力集中；而在回采時(shí)，圍巖應(yīng)力的集中則來源于上覆巖體大結(jié)構(gòu)這個(gè)外部力學(xué)環(huán)境的變化。 ④沿空掘巷在回采時(shí)圍巖應(yīng)力的強(qiáng)烈集中，加上巷道圍巖性質(zhì)的軟弱性質(zhì)，使沿空掘巷圍巖產(chǎn)生大變形；同時(shí)，由于大結(jié)構(gòu)造成的巷道圍巖應(yīng)力重新分布的不均勻性，使得巷道頂板、底板、實(shí)體煤幫及煤柱在變形方式和變形量上存在較大的差異。 ⑤上覆巖體大結(jié)構(gòu)從受工作面回采影響起，直到臨近工作面端頭的過程中，上覆巖體大結(jié)構(gòu)上的載荷雖然是在不斷增加，但由于各巖塊間的支承條件并沒有改變，故仍會(huì)保持隨機(jī)的平衡狀態(tài)，不同的是塊體間的受力情況發(fā)生了一定的變化。因此，在工作面推過之前，大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不會(huì)受到根本的改變，因而只要巷道支護(hù)合理，巷道錨桿支護(hù)與圍巖形成的小結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，巷道就不會(huì)受到破壞，大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)只有在工作面推過后才會(huì)被打破，進(jìn)而發(fā)生失穩(wěn)，造成巷道的徹底破壞。 綜上分析可以得出這樣的結(jié)論：沿空掘巷在本工作面回采時(shí)，巷道上覆巖體大結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)垮落，但其一定程度的下沉變形是不可抗的，此時(shí)保持巷道圍巖的穩(wěn)定性除了適應(yīng)上覆巖層的下沉外，還應(yīng)加強(qiáng)錨桿支護(hù)和其他支護(hù)措施，使巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，進(jìn)而保證沿空掘巷在生產(chǎn)期間的正常使用。 5.6沿空掘巷圍巖錨固小結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析 錨桿支護(hù)巷道的穩(wěn)定是通過在巷道圍巖中系統(tǒng)布置錨桿，使錨桿群、錨桿的輔助構(gòu)件及其錨固范圍內(nèi)的圍巖形成一個(gè)整體承載結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)良好的承載性能和對(duì)其外部圍巖變形的適應(yīng)性，充分發(fā)揮較深部圍巖的自承能力，從而保證巷道的穩(wěn)定性。相對(duì)于沿空掘巷上覆巖體的大結(jié)構(gòu)而言，我們把這個(gè)由巷道周圍錨桿組合支護(hù)與圍巖形成的統(tǒng)一承載結(jié)構(gòu)稱為沿空掘巷圍巖小結(jié)構(gòu)。 圍巖小結(jié)構(gòu)作為頂板、底板、實(shí)體煤幫和煤柱幫錨固區(qū)組成的一個(gè)有機(jī)整體，其變形和破壞是各組成部分相互作用、相互影響的綜合結(jié)果，由于巷道所處的應(yīng)力環(huán)境呈現(xiàn)明顯的不均衡性，故其變形與破壞也將呈現(xiàn)非均勻的特點(diǎn)。 通過現(xiàn)場實(shí)踐和理論分析研究，得出圍巖小結(jié)構(gòu)變形破壞的類型主要有以下幾種： （1）窄煤柱誘導(dǎo)型破壞 窄煤柱作為圍巖小結(jié)構(gòu)一個(gè)很重要的組成部分，由于煤柱本身受上區(qū)段工作面回采影響很大，煤體的破壞程度較高，當(dāng)它發(fā)生變形破壞時(shí)，將使巷道頂板的承載基礎(chǔ)作用降低，進(jìn)而導(dǎo)致頂板向煤柱側(cè)采空區(qū)下沉破壞，產(chǎn)生向巷道內(nèi)移近和向下沉降，從而造成巷道圍巖小結(jié)構(gòu)的變形破壞，稱之為窄煤柱誘導(dǎo)型破壞。 （2）頂板誘導(dǎo)型破壞 由于受巷道上覆巖體大結(jié)構(gòu)的影響，頂板煤體在掘巷前變形同樣很嚴(yán)重。同時(shí)，受上覆巖體斷裂回轉(zhuǎn)的影響，在巷道頂板煤體中將形成一組裂隙。在掘巷前，頂板煤體呈壓縮狀態(tài)，當(dāng)巷道掘進(jìn)后，煤體所貯存的壓縮能量將釋放，此時(shí)如果不能及時(shí)提供有效的支護(hù)阻力，將造成頂板煤體在其自重及上覆巖體壓縮產(chǎn)生的變形壓力作用下發(fā)生明顯的下沉，甚至冒落，隨著頂板下沉量的加大，頂板上方的載荷將向窄煤柱和實(shí)體煤幫移動(dòng)，結(jié)果可能會(huì)使窄煤柱載荷加大而破碎失穩(wěn)，同時(shí)實(shí)體煤幫及底板的穩(wěn)定狀態(tài)也會(huì)變化，使巷道圍巖小結(jié)構(gòu)破壞，稱之為頂板誘導(dǎo)型破壞。 （3）實(shí)體煤幫誘導(dǎo)型變形破壞 實(shí)體煤幫的圍巖性質(zhì)相對(duì)于頂板及煤柱要好一些，但相對(duì)于巷道的其它部位來說，實(shí)體煤幫的應(yīng)力集中程度是最大的，尤其是在巷道受采動(dòng)影響時(shí)，垂直應(yīng)力的集中系數(shù)可達(dá)4左右。實(shí)踐中，實(shí)體煤幫常常因過大的垂直應(yīng)力而向巷道內(nèi)強(qiáng)烈位移和顯著下沉，其過大的移近量將使頂板向?qū)嶓w煤側(cè)發(fā)生傾斜而垮落，同時(shí)也會(huì)誘導(dǎo)靠近實(shí)體煤幫的底板嚴(yán)重鼓起，這種小結(jié)構(gòu)的變形破壞機(jī)理稱為實(shí)體煤幫誘導(dǎo)型破壞。 （4）底板誘導(dǎo)型破壞 沿空掘巷的底板一般為強(qiáng)度較低的軟弱巖體，巷道掘巷期間，巷道的圍巖應(yīng)力相對(duì)處于一較低的環(huán)境中，此時(shí)，底板一定深度雖有程度較大的水平應(yīng)力集中作用，但底板一般均能保持穩(wěn)定。在受采動(dòng)影響時(shí)，上覆巖體將引起巷道圍巖應(yīng)力的上升，增大的垂直應(yīng)力作用在實(shí)體煤幫，并有效地傳遞到底板巖層中，使原來的水平應(yīng)力發(fā)揮作用，從而導(dǎo)致巷道發(fā)生底鼓。由于底板中垂直應(yīng)力集中的不均衡性，軟弱的底板巖層鼓起也是不對(duì)稱的。在興隆莊礦底板條件下，靠近實(shí)體煤幫的鼓起量明顯較大。 從巷道支護(hù)的整體穩(wěn)定性來考慮，沿空掘巷的圍巖小結(jié)構(gòu)無論是在圍巖本身特性，還是在加固后的力學(xué)特性上，均具有明顯的非均衡現(xiàn)象。因此，保持小結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定是沿空掘巷穩(wěn)定的根本。 6沿空掘巷窄煤柱受力變形與應(yīng)力分析 窄煤柱是綜放沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分,其穩(wěn)定特性直接影響巷道整體的穩(wěn)定性。關(guān)于綜放沿空掘巷圍巖的變形及承載能力分析,以往文獻(xiàn)大多集中于巷道兩幫及頂煤的彈性變形研究,關(guān)于巷道支護(hù)與圍巖變形量的關(guān)系仍停留在經(jīng)驗(yàn)性的定性分析上。由于窄煤柱兩側(cè)均存在破碎區(qū),且受第2 個(gè)工作面采動(dòng)影響,煤柱兩側(cè)的破碎區(qū)向煤柱中央發(fā)展,窄煤柱產(chǎn)生很大的塑性變形。由煤體單軸壓縮試驗(yàn)所得的應(yīng)力應(yīng)變曲線(如圖1 中的OABCD) 來看,煤體峰前變形為彈性變形,而峰后變形主要為塑性變形。為此,本文在分析窄煤柱力學(xué)環(huán)境的基礎(chǔ)上,將窄煤柱視為彈塑性變形體,運(yùn)用全量理論變分原理求解窄煤柱混合邊界條件問題,初步探討了煤柱內(nèi)的位移和應(yīng)力分布,為綜放沿空掘巷窄煤柱的穩(wěn)定性分析及巷道支護(hù)提供了理論依據(jù)。 6.1小煤柱力學(xué)模型的建立 因老頂及直接頂?shù)膭偠冗h(yuǎn)大于煤體,因此窄煤柱上邊界為施加給定變形的邊界,左邊界和右邊界分別受到來自巷道錨桿支護(hù)阻力p1 、p2 的作用,因煤柱右側(cè)(采空區(qū)側(cè)) 破碎程度大于左側(cè)及兩側(cè)支護(hù)強(qiáng)度的差別,一般右側(cè)支護(hù)阻力p2 小于左側(cè)支護(hù)阻力p1 。煤柱左右兩側(cè)橫向力的差異, 由煤柱上下邊界與圍巖的摩擦力(圖中未畫出) 來平衡。煤柱下邊界受到底板的支撐作用,垂直方向位移相對(duì)較小,可認(rèn)為下邊界給定垂直位移為零, 據(jù)此建立窄煤柱的力學(xué)模型,見圖2。 6.2小煤柱力學(xué)模型的求解方法-變分法 本問題為平面應(yīng)變問題,設(shè)應(yīng)變張量矩陣[εij ]及應(yīng)力張量矩陣[σij ]分別 為： 　根據(jù)塑性力學(xué)全量理論的本構(gòu)關(guān)系 　其中eij 及sij 分別為應(yīng)變偏張量和應(yīng)力偏張量,μ為泊松比,σ0 及ε0 分別為平均應(yīng)力和平均應(yīng)變。ε 為等效應(yīng)變?？傻玫饺坷碚撟兎衷淼姆汉磉_(dá)式[4 ]為: ui 為位移分量, pi 為已知面力的邊界sσ上的面力分量, Fbi 為煤柱體積V 內(nèi)的體力分量。本問題為平面應(yīng)變問題,取位移分量為: 其中, u0 、v0 為滿足邊界的設(shè)定函數(shù); um 、vm 為在邊界上等于零的函數(shù); Am 、Bm 為待定常數(shù)。由變分δΠ= 0 ,及變分δAm 、δBm 的任意性,可得到 　為便于分析計(jì)算,可把泛函Π分成三部分Π=Π1 + Π2 - Π3 ,分別記 　由上述聯(lián)立方程可求得Am 、Bm , 得到位移表達(dá)式,進(jìn)而求得應(yīng)力及應(yīng)變的分布規(guī)律。 6.3問題求解 根據(jù)窄煤柱的力學(xué)模型,有體力分量: X = 0 , Y = - ρg 面力邊界條件: x = 0 , p = p1 ; x = a , p = - p2 位移邊界條件: y = 0 , v = 0; 另外由現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬及位移的連續(xù)性條件初步設(shè)x = a/4, u = 0 取位移表達(dá)式為: 式中　a 、b、θ如圖2 所示, A1 、A2 、A3 、B1 、B2 為待定常數(shù)。由此可求出εx 、εy 、γxy及ε0 的含待定常數(shù)的表達(dá)式,且ε0=(εx+εy)/3。 根據(jù)塑性理論,.σ與.ε 的關(guān)系可由圖1 中的σ- ε曲線近似確定。峰后曲線可簡單地分為三段:即峰后前半段AB 段、峰后后半段BC 段及近似于水平直線的CD ,分別在每一段內(nèi)取8 個(gè)點(diǎn),各段的ω可按下式 計(jì)算: 相應(yīng)地, 窄煤柱沿寬度a 方向可按經(jīng)驗(yàn)近似分為六段(如圖4) : a1 、a6 段分別為最左側(cè)、最右側(cè)破碎區(qū), a3 、a4 分別為非破碎塑性區(qū), a2 、a5 段分別為過渡區(qū)。 如某煤礦綜放沿空掘巷時(shí)所留窄煤柱寬度a= 5 m,高度b = 2. 5 m,轉(zhuǎn)角θ= 9°,容重γ=ρg =0. 013 MN/ m3 ,剛度E = 150 MPa , 泊松比μ= 1/ 3 ,a1 = 0. 4 m, a2 = 0. 2 m, a3 = 0. 65 m, a4 = 1. 95 m, a5 = 0. 6 m, , a6 = 1. 2 m, p1 = 0. 3 MPa , , p2 = 0. 1MPa ,計(jì)算得到:煤柱左側(cè)水平位移向左,右側(cè)水平位移向右,圖5 即為煤柱中部( y =b2) 處隨寬度x變化的水平位移u ( x ,b2) 和垂直位移v ( x ,b2) 圖,圖6 為煤柱上邊界隨x 變化的水平應(yīng)力σx ( x , b)和垂直應(yīng)力σy ( x , b) 圖。 表1 反映了當(dāng)支護(hù)阻力p1 、p2 變化時(shí),在y =b2 處煤柱左側(cè)水平位移u左、右側(cè)水平位移u右、水平方向最大應(yīng)力σxmax、最小應(yīng)力σxmin及垂直方向最大壓應(yīng)力σymax的變化趨勢?？梢? 減少支護(hù)阻力,煤柱兩側(cè)的相對(duì)位移及水平拉應(yīng)力增加, 同時(shí)水平方向及垂直方向最大壓應(yīng)力數(shù)值減少。 根據(jù)綜放沿空掘巷的力學(xué)環(huán)境,建立窄煤柱的彈塑性力學(xué)模型,運(yùn)用全量理論變分法分析窄煤柱內(nèi)的應(yīng)力及位移分布規(guī)律,所得結(jié)論與實(shí)際情況基本吻合;探討了煤柱兩側(cè)相對(duì)位移、水平應(yīng)力及垂直應(yīng)力等隨錨桿支護(hù)阻力改變的變化規(guī)律,在理論上為沿空掘巷窄煤柱支護(hù)參數(shù)的確定提供了依據(jù)。 7小煤柱合理寬度設(shè)計(jì) 7.1窄煤柱設(shè)計(jì)原則 ①錨桿的安設(shè)基礎(chǔ)； ②相對(duì)有利的應(yīng)力環(huán)境； ③保證錨桿具有良好錨固性能； ④巷道圍巖變形的原則； ⑤煤損小。 7.2煤柱寬度確定方法比較 (1) 采用經(jīng)驗(yàn)法確定煤柱寬度時(shí)，由于影響煤柱力學(xué)行為的因素很多，僅以經(jīng)驗(yàn)來確定煤柱寬度缺乏科學(xué)性和針對(duì)性； (2) 采用理論計(jì)算來確定煤柱寬度時(shí)，由于研究對(duì)象比較復(fù)雜，為了求解，建立的計(jì)算模型通常都被大大簡化，很多因素(可能是重要的因素)被忽略，加之計(jì)算中很多重要參數(shù)無論是通過實(shí)驗(yàn)或是查表獲取，其可靠性都無法保證。并且以實(shí)驗(yàn)方式獲取計(jì)算參數(shù)有時(shí)是很昂貴的，所以理論計(jì)算結(jié)果在目前很少直接用于生產(chǎn)。 (3) 數(shù)值模擬軟件在模擬不同地質(zhì)條件、不同煤柱寬度甚至不同支護(hù)強(qiáng)度下煤柱的受力、變形等方面，具有一定的優(yōu)越性[7]。但計(jì)算機(jī)模擬也對(duì)部分復(fù)雜條件進(jìn)行了簡化，同時(shí)存在參數(shù)取值的可靠性問題。 (4) 現(xiàn)場實(shí)測是了解煤柱、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、巷道變形狀況最直接、可靠的方法[8]。通過現(xiàn)場測量，可以比較全面地掌握煤柱應(yīng)力分布特點(diǎn)、回采對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)、煤柱的影響程度和范圍，為合理煤柱寬度的確定提供可靠的實(shí)測數(shù)據(jù)，但現(xiàn)場實(shí)測難以實(shí)現(xiàn)不同煤柱寬度下煤柱受力、巷道變形等情況的監(jiān)測(異型煤柱除外)。 煤礦井下地質(zhì)條件千差萬別，應(yīng)根據(jù)煤層條件及諸多生產(chǎn)因素，采用現(xiàn)場煤體應(yīng)力、巷道圍巖變形測試和數(shù)值模擬結(jié)合的方法，確定合理煤柱寬度。 7.3窄煤柱寬度計(jì)算 合理窄煤柱寬度的確定可以從理論計(jì)算、數(shù)值分析、工程實(shí)踐三個(gè)方面綜合考慮。下面以中等穩(wěn)定圍巖條件舉例說明。 （1）理論計(jì)算法 如果煤柱過窄，則開巷后煤柱易于迅速變形破裂而使錨桿安設(shè)在破碎圍巖中，使錨固力減弱、錨桿的支護(hù)作用降低。通過極限平衡理論研究認(rèn)為，合理的最小煤柱寬度B為： （1） 式中：x1—因上區(qū)段工作面開采而在下區(qū)段沿空掘巷窄煤柱中產(chǎn)生的破碎區(qū)，其寬度按式（2）計(jì)算[3]。 （2） 式中：x2—巷道窄煤柱一幫錨桿有效長度，再增加15%的富裕系數(shù)，m； x3—考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，按0.2(x1+x2)計(jì)算； m—上下區(qū)段平巷高度，m； A—側(cè)壓系數(shù)，A=μ/(1-μ)； μ—泊松比； φ0—煤體的內(nèi)摩擦角，?； C0—煤體的粘聚力，MPa； k—應(yīng)力集中系數(shù)，3左右。 γ—巖層平均容重，kN/m3； H—巷道埋藏深度，m； Px—對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，如上區(qū)段采空區(qū)側(cè)支護(hù)已拆除，可取Px＝0。 對(duì)于中等穩(wěn)定圍巖的沿空掘巷，最小煤柱寬度B值一般為3.5～5.0m。 （2）數(shù)值模擬分析法 數(shù)值模擬的優(yōu)勢在于能考慮眾多的影響因素，并通過對(duì)比分析而得到一個(gè)較優(yōu)的結(jié)果[6-8]。利用FLAC2D3.3對(duì)中等穩(wěn)定條件下不同窄煤柱（1～6m）寬度時(shí)，巷道圍巖變形量進(jìn)行了分析，計(jì)算中分別取窄煤柱寬度為2.5m、3m、3.5m、4m、4.5m、5m、5.5m及6m八個(gè)方案，對(duì)巷道在掘進(jìn)及其本工作面回采期間的實(shí)體煤幫、窄煤柱幫、頂板下沉和底鼓量進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)果： （a） 不同煤柱寬度在掘巷期間的位移量 （b）不同煤柱寬度在采動(dòng)影響時(shí)的位移量 圖2不同煤柱寬度在掘巷期間和在采動(dòng)影響的位移量圖 其中圖2（a）、（b）分別為沿空掘巷在巷道掘進(jìn)期間和受本工作面采動(dòng)影響時(shí)，窄煤柱寬度不同時(shí)實(shí)體煤幫、窄煤柱幫、頂板及底鼓的變化趨勢。由圖2（a）可見，沿空掘巷在巷道掘進(jìn)期間，當(dāng)窄煤柱的寬度不同時(shí)，巷道的圍巖變形具有以下一些特點(diǎn)： ①窄煤柱寬度不同時(shí)，巷道兩幫的圍巖移近量均大于頂板的相對(duì)下沉量，說明在此期間，巷道的變形以兩幫移近為主。 ②在巷道的兩幫移近量中，實(shí)體煤幫的移近量和窄煤柱幫的移近量雖稍有變化，但其量值相差不大。實(shí)體煤幫的變化趨勢是隨著窄煤柱寬度的增加，移近量稍有下降，但當(dāng)煤柱寬度大于4.5m時(shí)，移近量又開始有一定的回升；窄煤柱幫的變形則隨著煤柱寬度的增加變形量呈上升的趨勢，但在一定煤柱寬度時(shí)，其變化趨勢與實(shí)體煤幫逐漸趨于一致。 ③在窄煤柱范圍內(nèi)，巷道的頂?shù)装逡平恳皂敯逑鲁翞橹?，底鼓則相對(duì)要小一些。底板鼓起量隨著煤柱寬度的增加而開始增加，在窄煤柱范圍內(nèi)，其增加幅度較??；頂板的下沉量在巷道掘進(jìn)期間是頂?shù)滓平恐械闹黧w，但隨著窄煤柱寬度的增加，頂板的下沉量逐漸呈下降的趨勢。 由圖2（b）可見，巷道受本工作面回采影響，窄煤柱寬度不同時(shí)，巷道圍巖的變形具有以下一些特點(diǎn)： ①巷道在受采動(dòng)影響時(shí)，巷道兩幫的移近量也大于頂?shù)装宓南鄬?duì)下沉量，說明在本工作面回采時(shí)，巷道圍巖的變形與掘巷期間類似，也是以兩幫的變形為主。 ②在窄煤柱條件下，巷道頂?shù)装宓囊平颗c煤柱的寬度有較大的關(guān)系，當(dāng)煤柱寬度較小時(shí)，巷道的頂板下沉量要大于底板的鼓起量；隨著煤柱寬度的增加，底板的鼓起量增加，而頂板的下沉量降低，底鼓量大于頂板下沉量；當(dāng)窄煤柱寬度達(dá)到6m左右時(shí)，兩者的變形量逐漸趨于一致。 ③在巷道兩幫移近量中，實(shí)體煤幫的變形趨勢與頂板下沉的趨勢很相似，但其量值要大得多；窄煤柱的變形趨勢則與底鼓的變形趨勢一致，但也是在量值上要大一些。同時(shí)還應(yīng)注意到，窄煤柱寬度在一定范圍內(nèi)時(shí)，煤柱的變形要比實(shí)體煤幫的變形量大，最終隨著煤柱寬度的增大，兩幫的移近量均有不同程度的上升。 通過上面的分析可以得出這樣的結(jié)論：在窄煤柱條件下，沿空掘巷在巷道掘進(jìn)期間，由于圍巖的變形量普遍較小，窄煤柱寬度對(duì)巷道圍巖變形量的影響不是很明顯；但巷道在受本工作面的采動(dòng)影響時(shí)，巷道圍巖的變形量均較大，在此情況下，合理的窄煤柱寬度與巷道的穩(wěn)定性有很大的關(guān)系。 在中等穩(wěn)定的圍巖條件下，窄煤柱寬度在3.0m或5m左右較為合適。 數(shù)值計(jì)算模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析能夠得出如下結(jié)論: (1) 隨著煤柱寬度增大, 最大水平應(yīng)力值先減小后增大, 然后趨于穩(wěn)定。 (2) 隨著煤柱寬度增大, 掘巷實(shí)體煤一側(cè)的垂直應(yīng)力集中值逐漸減小, 然后趨于穩(wěn)定, 而煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力集中值逐漸增大, 然后趨于穩(wěn)定。 (3) 隨著煤柱寬度增大, 煤柱表面位移量先減小,后顯著增大。 (4) 隨著煤柱寬度增大, 巷道頂板下沉量由大變小, 再增大, 然后趨于穩(wěn)定, 4 m 寬煤柱條件下的巷道頂板下沉量最小。 (5)當(dāng)煤柱寬度 3 m 時(shí), 應(yīng)力集中主要發(fā)生在掘巷的實(shí)體煤一側(cè), 說明煤柱已經(jīng)有裂紋發(fā)育, 甚至貫通破壞, 不能承受上覆巖層的壓力; 當(dāng)煤柱寬度在4~ 6m之間時(shí), 煤柱表面應(yīng)力釋放, 在煤柱中間發(fā)生應(yīng)力集中, 但小于掘巷實(shí)體煤一側(cè)的應(yīng)力集中值, 說明煤柱表面有裂紋發(fā)育, 但還未貫通破壞, 其承載能力和完整性顯然要優(yōu)于前者; 當(dāng)煤柱寬度大于6m時(shí), 礦柱內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū), 且應(yīng)力集中值和掘巷實(shí)體煤一側(cè)基本相等, 說明此時(shí)掘巷正接近煤體的高應(yīng)力區(qū), 這對(duì)將來的巷道維護(hù)是很不利的。 （3）工程實(shí)踐分析法 沿空掘巷的窄煤柱設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的工程特征，故合理的窄煤柱寬度還應(yīng)考慮工程中的一些要求： ①錨桿的安設(shè)基礎(chǔ)。窄煤柱采用錨桿支護(hù)時(shí)，煤柱的寬度至少應(yīng)大于錨桿的長度?，F(xiàn)有條件下，錨桿一般長度多在2m左右，考慮到保留一定的寬度富裕系數(shù)，故要求窄煤柱的寬度應(yīng)不小于2.5m。 ②錨桿安設(shè)的可操作性。在留設(shè)窄煤柱條件下，錨桿支護(hù)中常會(huì)出現(xiàn)這樣的問題，當(dāng)窄煤柱破壞較為嚴(yán)重時(shí)，錨桿鉆孔在鑿出后會(huì)出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，致使錨桿的安裝無法正常進(jìn)行，故在實(shí)踐中應(yīng)予以考慮。 （4）窄煤柱的最終確定 由以上研究可見，沿空掘巷采用錨桿支護(hù)時(shí)，窄煤柱的確定應(yīng)充分考慮以下三個(gè)問題： 其一，對(duì)沿空掘巷的窄煤柱來說，靠上區(qū)段工作面采空側(cè)煤體中存在一定范圍的破碎區(qū)，當(dāng)在巷道側(cè)窄煤柱中安設(shè)錨桿時(shí)，其寬度最好應(yīng)能使錨桿位于采空側(cè)所形成的破碎區(qū)之外，這樣錨桿作用在較為穩(wěn)定的煤體中，可以保證錨桿可靠的錨固能力。 其二，沿空掘巷的窄煤柱尺寸決定了巷道與上區(qū)段工作面回采空間的距離，從而決定了巷道受側(cè)向支承壓力的影響程度；同時(shí)，窄煤柱的尺寸也將直接關(guān)系到窄煤柱自身的承載能力。 其三，窄煤柱的寬度應(yīng)能保證錨桿支護(hù)在操作上可行性。 綜上研究后認(rèn)為，在巷道圍巖中等穩(wěn)定條件下，窄煤柱較為合理的寬度在3m或5.0m左右較為合適。 8沿空掘巷圍巖控制的關(guān)鍵技術(shù) 8.1錨桿的預(yù)緊力 根據(jù)現(xiàn)場實(shí)踐，考慮在相同的圍巖條件、錨桿布置方式和基本支護(hù)參數(shù)不變時(shí)，分別對(duì)錨桿施加不同的預(yù)緊力，研究了預(yù)緊力加大后，頂板變形下沉情況。結(jié)果如圖3所示。其中圖3（a）為不同預(yù)緊力與掘巷期間頂板下沉量的關(guān)系，圖3（b）為不同預(yù)緊力與回采期間頂板下沉量的關(guān)系。 （a） 掘巷時(shí) （b）受采動(dòng)影響時(shí) 圖3　預(yù)緊力與頂板下沉量的關(guān)系 由圖可見，在安裝錨桿時(shí)，對(duì)錨桿施加一定的預(yù)緊力對(duì)頂板的下沉量有很大的控制作用。由圖3（a）可見，在巷道掘進(jìn)期間，及時(shí)安裝錨桿并施加一定的預(yù)緊力，即可顯著地減少頂板的下沉量。研究條件下，錨桿安裝時(shí)只要施加大約20kN的預(yù)緊力，頂板的下沉量即可控制在20mm左右。當(dāng)預(yù)緊力小于此值時(shí)，頂板在掘進(jìn)期間的下沉量急劇增加，而大于此值時(shí)，對(duì)控制頂板下沉的作用又不是很明顯。由圖3（b）可見，在巷道受本工作面采動(dòng)影響時(shí)，安裝時(shí)只要30kN的預(yù)緊力，即可將頂板下沉量控制在200mm左右。同理，當(dāng)預(yù)緊力小于此值時(shí)，頂板的下沉量也將急劇增加，大于此值時(shí)又對(duì)控制頂板下沉作用不是很明顯。 由上面的研究可見，錨桿的預(yù)緊力對(duì)控制沿空掘巷的圍巖變形有很重要的作用，主要原因在于： ①使錨桿成為真正意義上的主動(dòng)支護(hù)方式； ②提高錨桿的錨固作用效； ③實(shí)現(xiàn)巷道圍巖小結(jié)構(gòu)的高阻讓壓。 考慮到現(xiàn)有的錨桿支護(hù)技術(shù)條件和沿空掘巷圍巖大變形的特點(diǎn)，認(rèn)為錨桿的預(yù)緊力在20～30kN左右是較為合理的，此時(shí)既可以有效地保證巷道頂板的穩(wěn)定性，又在現(xiàn)場施工中很容易實(shí)現(xiàn)。 8.2錨桿的支護(hù)強(qiáng)度 通過現(xiàn)場研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)目前使用的錨桿中，大部分錨桿支護(hù)強(qiáng)度普遍較低，均在0.04～0.1MPa左右。據(jù)此，利用數(shù)值計(jì)算的方法，通過改變頂板的錨桿支護(hù)系統(tǒng)的參數(shù)，得到沿空掘巷條件下，不同錨桿支護(hù)強(qiáng)度時(shí)圍巖的變形量，以頂板下沉量為例，整理后得到圖4所示的關(guān)系，現(xiàn)場條件下的預(yù)緊力為10kN。 圖4　支護(hù)強(qiáng)度與頂板下沉量的關(guān)系 從圖4中可以看出，當(dāng)錨桿的支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到0.3MPa時(shí)，可顯著地控制住頂板的下沉變形。而當(dāng)錨桿的支護(hù)強(qiáng)度小于0.1MPa時(shí)，頂板下沉量急劇增加，頂板的穩(wěn)定性將受到很大影響，而錨桿支護(hù)強(qiáng)度在0.3MPa以上時(shí)，對(duì)控制頂板變形的作用不是太明顯。 因此，對(duì)于沿空掘巷的軟弱破碎煤體來說，錨桿支護(hù)強(qiáng)度只要保證在0.2～0.3MPa之間就是比較合理的，而這只要有可靠的支護(hù)技術(shù)就可以得到保證。 8.3合理加強(qiáng)支護(hù)技術(shù) 根據(jù)上面的研究，認(rèn)為沿空掘巷的錨桿支護(hù)強(qiáng)度在0.2～0.3MPa是比較合理的，采用高強(qiáng)度錨桿體系和相應(yīng)的支護(hù)技術(shù)從理論上可以實(shí)現(xiàn)，但在一些圍巖狀況惡劣，或者錨桿支護(hù)施工質(zhì)量較差的情況下，基本的支護(hù)形式不能保證錨桿具備足夠的支護(hù)強(qiáng)度時(shí)，可根據(jù)情況采取以下的加強(qiáng)支護(hù)措施來提高整體支護(hù)強(qiáng)度，彌補(bǔ)錨桿本身支護(hù)強(qiáng)度的不足，從而保證圍巖小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 （1）小孔徑錨索加固技術(shù) 沿空掘巷實(shí)踐中，常會(huì)出現(xiàn)以下問題： ① 頂板錨桿的長度不夠。通常情況下，頂板錨桿均采用全長錨固方式，由于受巷道高度的限制，錨桿長度不能過大，因此錨桿的錨固范圍較小，對(duì)頂板錨固區(qū)外的圍巖變形起不到良好控制效果。 ② 頂板煤體普遍較為松軟破碎，錨桿的錨固性能得不到有效保證，致使錨桿的支護(hù)強(qiáng)度達(dá)不到0.2～0.3MPa。 ③ 當(dāng)巷道兩幫的支護(hù)強(qiáng)度不夠時(shí)，將使兩幫向巷道內(nèi)擠入，煤幫發(fā)生較大的下沉與鼓出，這將影響到頂板的穩(wěn)定性。 當(dāng)存在以上問題時(shí)，將引起頂板錨固區(qū)外煤體的膨脹和離層，達(dá)到一定程度就會(huì)導(dǎo)致頂板大面積冒落，此時(shí)可采用該項(xiàng)技術(shù)對(duì)頂板進(jìn)行加固。 （2）巷道的超前支護(hù) 沿空掘巷受采動(dòng)影響時(shí)，上覆巖體大結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定程度的變形下沉，將影響到小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)前面的研究，該類巷道較為強(qiáng)烈的影響在工作面前方40m范圍內(nèi)，劇烈影響范圍在前方10m左右。此時(shí)，錨桿的支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)，難以控制圍巖過大的變形，該情況下，應(yīng)在超前工作面一定范圍內(nèi)采用適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)支護(hù)措施來控制圍巖的變形，如布置梁、柱等。 （3）煤體的注漿加固技術(shù) 對(duì)煤體的注漿加固技術(shù)可考慮在以下兩種情況下使用： ① 小孔徑錨索施工困難時(shí)。當(dāng)頂板的松散圍巖層厚度較大時(shí)（一般為8m），錨索的鉆孔和安裝困難，難以保證錨索良好的錨固性能時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)圍巖注漿。 ② 當(dāng)圍巖較破碎時(shí)，其裂隙極為發(fā)育，大大削弱了煤體本身的強(qiáng)度，而且降低了錨桿的錨固性能，此時(shí)可對(duì)煤體進(jìn)行注漿加固，以提高巷道圍巖的穩(wěn)定性。 9總結(jié) 在內(nèi)應(yīng)力場中留小煤柱的掘巷方式較為理想, 此位置處于煤體的低應(yīng)力區(qū)中, 掘進(jìn)時(shí)不會(huì)引起支承壓力和煤體力學(xué)狀態(tài)的明顯變化, 所以采用此種方式不僅掘巷穩(wěn)定期內(nèi)圍巖變形小, 而且從采空區(qū)擋矸、防水、防瓦斯、巷道施工進(jìn)度等方面來看都最為有利。煤柱寬度為4~ 6 m 時(shí), 巷道變形量較小,煤柱寬度大于6m 時(shí)巷道變形量較大。 沿空掘巷圍巖大、小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原理為該類巷道錨桿支護(hù)的成功應(yīng)用提供了理論依據(jù)。要保持巷道良好的維護(hù)狀態(tài)，除了要適應(yīng)上覆巖層的回轉(zhuǎn)下沉外，還應(yīng)合理設(shè)計(jì)護(hù)巷煤柱尺寸和錨桿支護(hù)參數(shù)，強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度，以保持小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 沿空掘巷的掘進(jìn)對(duì)圍巖大結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性幾乎沒有影響，因而巷道圍巖的變形量不大；而在回采影響期間，由于關(guān)鍵塊的回轉(zhuǎn)、下沉和運(yùn)動(dòng)，引起巷道圍巖的劇烈變形，在中等穩(wěn)定的圍巖條件下，其變形量約是掘進(jìn)期間的5～6倍，因而保持沿空掘巷回采期間的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。 沿空掘巷圍巖小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性取決于合理確定沿空側(cè)護(hù)巷窄煤柱的寬度和錨桿支護(hù)對(duì)圍巖強(qiáng)度的強(qiáng)化程度。前者在保持窄煤柱的穩(wěn)定性和錨桿錨固可靠性的前提下，使煤柱寬度盡可能小些；而后者取決于錨桿支護(hù)預(yù)緊力和支護(hù)強(qiáng)度的大小。在中等穩(wěn)定圍巖條件下，當(dāng)錨桿預(yù)緊力達(dá)到20～30kN，支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到0.2～0.3MPa時(shí)，巷道圍巖就能夠保持穩(wěn)定。 小煤柱的留設(shè)為掘進(jìn)時(shí)不引起圍巖應(yīng)力明顯變化提供了保障，在一定的支護(hù)手段和一定的支護(hù)強(qiáng)度的輔助下，沿空掘巷巷道圍巖能夠保持穩(wěn)定。 參考文獻(xiàn) [1] 柏建彪.沿空掘巷圍巖控制〔M〕.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2006. 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