1、浅析综放沿空掘巷围岩结构及其控制摘要：沿空掘巷可以在很大程度上减少“两巷”煤柱损失量，有利于提高采区采出率，达到充分利用资源的目的。本文主要阐述分析了沿空巷道上覆岩层结构、围岩控制原理、煤柱应力分布规律以及窄煤柱宽度的合理留设等问题。并结合数值模拟分析结果，总结了在给定条件下不同尺寸煤柱的应力分布及变形规律，得到了较为合理的煤柱宽度值。关键词：沿空巷道； 三角块； 应力分布； 窄煤柱宽度1绪论1.1问题背景及意义目前我国己经成为世界上最大的能源生产国和能源消费国之一。我国经济正处在快速增长时期，一次能源生产量和消费量均超过世界总量的10%，其中，煤炭生产量和消费量约占世界总量的30%，且我国在
2、一次能源的生产和消费构成中，煤炭所占比重约为2/3，经预测到2010年煤炭占60%左右，2050年将占50%以上，因此，能源结构长期以煤为主。煤炭资源从浅部开始开采，随着浅部资源的日益枯竭，国内外都陆续进入深部资源的开采，煤矿深井开采是世界上大多数国家主要采煤国家目前和将来要面临的问题。因此，合理利用浅部资源，避免过早进入深部开采成为我们要解决的问题。而在许多矿井采用传统宽煤柱护巷方式，煤炭采出率低，这主要是由于护巷煤柱宽度过大而造成的。而有的矿井区段煤柱的留设及采场周围巷道的布置不合理也在很大程度上直接影响到采区采出率。因此实现回采工作面无煤柱开采或最大限度减少“两巷”煤损量，对提高采区采出
3、率具有重要意义。我国煤炭产量的95%以上来自地下开采，回采巷道的掘进与支护是矿山建设和矿井生产过程中量大、面广的工程。巷道支护是煤炭开采中一项关键技术，可靠的支护技术是实现矿井安全、高效的必备条件。随着矿井产量和效率不断提高，要求巷道断面越来越大、成巷速度越来越快，传统的巷道设计方式越来越不能满足采掘接替的需要。巷道之间保留煤柱，以及巷道与回采工作面之间保留煤拄护巷一直是煤矿中传统的护巷方法，对提高煤炭资源的采出率极为不利。近三十年来，无煤柱护巷技术得到迅速发展，沿空掘巷是我国无煤柱护巷的主要形式，在国内外己获得广泛应用。沿空掘巷技术对合理开发地下资源，提高煤炭采出率，延长矿井开采期限具有重要
4、意义，采用沿空掘巷的方法维护回采巷道的必然趋势，也是支护技术改革的关键技术之一。20世纪70年代以来，沿空掘巷技术得到一定程度的推广，但其沿空掘巷支护方式大多为架棚支护，架棚支护属被动式支护，在复杂困难条件下（大断面、高应力、高瓦斯、易自燃、采空区涌水量大）沿空掘巷，其巷道还存在难支护、采空区难以隔离等技术难题。在沿空掘巷中采用锚杆支护，比在实体煤巷道中采用锚杆支护存在更大困难，主要是：（1）由于沿空侧煤体在矿山压力作用下变得更加破碎，给巷道的掘进与支护带来更大困难，采用锚杆支护首先应保证巷道在掘进期间的稳定；（2）由于沿空掘巷在工作面回采期间的矿压显现较实体煤巷道在回采巷道更加剧烈，必须控制
5、巷道在工作面回采动压影响期间的剧烈变形，保证工作面的正常推进。在我国煤炭产量逐年增加，每年需要掘进大量的回采巷道，随着开采规模不断扩大，沿空掘巷是必然趋势。1.2国内外研究现状我国的薄及中厚煤层沿空送巷最早可追溯到建国初期，大体上经历了以下几个发展时期：早在20世纪50年代我国已有个别矿井自发地应用沿空掘巷技术；60年代的初期试验阶段；70年代沿空掘巷技术有所发展，并开始矿压研究，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。但对煤柱的宽度没有统一的认识，在许多矿井中，煤柱宽度从1-5 m直至20-30 m不等
6、。国外，如澳、英等国不搞沿空掘巷，他们认为由于相邻工作面开采的影响，在本工作面顶板中距相邻工作面采空区一定范围内产生采动倾斜裂缝，煤巷布置在裂缝中围岩是非常不稳定的，布置煤巷时应该躲开这些裂缝。因此，区段平巷的护巷煤柱尺寸是巷道埋藏深度的1/10，至少应当在15 m以上。美、德等国的区段煤层平巷均布置在实体煤中，俄罗斯、乌克兰的沿空掘巷只采用金属支架支护。窄煤柱沿空掘巷在我国应用较早，窄煤柱护巷最早应用于20世纪50年代，国内学者对此作过大量的研究，一般认为留窄煤柱沿空掘巷不仅在掘巷期间围岩变形剧烈，而且在巷道掘出后仍保持较大速度的持续变形，但这一结论是建立在薄及中厚煤层巷道棚式支护基础上的。
7、特别自90年代以来，随着支护理论和支护的发展，我国回采巷道用小煤柱护巷有了前所未有的发展，在沿空掘巷的机理、矿压显现规律及“支架-围岩”关系、合理滞后时间，以及在支承压力作用下的沿空掘巷等方面进行了一些基础研究工作。但目前对煤柱的合理宽度一直没有统一的认识，其结论差别较大，导致某些应用窄煤柱维护的巷道支护困难、甚至严重制约回采工作面推进。另外随着锚杆支护技术的迅速发展，沿空掘巷支护方式由架棚被动式支护发展为高预紧力、高强度的锚杆支护，沿空巷道的围岩变形规律及矿压控制方式有了新的改变，但如何保持回采期间的煤柱稳定性以及如何进行超前煤柱加固还有待进行研究。2沿空掘巷上覆岩层稳定性分析从围岩力学性质
8、和应力环境来分析，沿空掘巷是一类特殊的回采巷道。由于上区段工作面回采，采空区上覆岩层垮落，基本顶初次来压形成“O-X”破断，周期来压即基本顶周期破断后的岩块沿工作面走向方向形成“砌体梁”结构，在工作面端头破断形成弧形三角块。弧形三角块断裂在煤壁内部、旋转下沉，它的运动状态及稳定性直接影响下方煤体的应力和变形，沿空掘巷在其下方，一般在采空区上覆岩层基本稳定后掘进，即弧形三角块形成稳定结构以后掘巷，巷道掘进一般不影响三角块结构的稳定；受到下区段工作面回采超前支承压力作用，弧形三角块结构的稳定性及运动状态必将发生较大的改变，并通过直接顶作用于沿空掘巷，弧形三角块结构的稳定性及运动状态对沿空掘巷的稳定
9、性有重要影响。现场实践也表明：沿空掘巷在掘进影响阶段及掘后稳定阶段变形较小，受工作面采动影响后，巷道围岩活动剧烈，加上围岩松软破碎，造成工作面回采时巷道变形量很大。基本顶的稳定状况及位态直接影响沿空掘巷围岩稳定状况，因而，基本顶破断后形成的结构构成了沿空掘巷的上部边界。通过建立沿空掘巷基本顶三角块结构的力学模型，对三角块结构稳定性进行力学分析，揭示基本顶三角块结构稳定性原理及其对沿空掘巷的影响，从理论上研究分析综放沿空掘巷外部围岩的稳定条件。2.1综放沿空掘巷的基本特点综放沿空掘巷是一种特殊类型的回采巷道，采用锚杆支护时，巷道一般沿煤层底板布置在上工作面采空侧变形后处于稳定的煤体中，留16m的
10、小煤柱护巷。因此，了解综放沿空掘巷的工程地质条件和生产技术条件是研究该条件下巷道矿压显现及进行巷道围岩控制的基础。2.1.1巷道围岩性质在放顶煤开采条件下，开采煤层厚度均大于5m，煤体本身因变质程度等因素的影响，单轴抗压强度通常在530MPa之间，煤体裂隙比较发育。煤层的直接顶岩层通常由碳质页岩、泥质页岩等强度较低的岩层组成，厚度不大，煤层采出后，直接顶岩层一般随煤层的采出而及时垮落。而位于直接顶之上的老顶岩层，由厚度较大、强度较高的砂岩、石灰岩等组成，并不随直接顶的垮落而及时垮落，而可能发生规则的垮落，岩块互相铰接，或者只发生一些弯曲下沉，由于顶板垮落特点和赋存状态比较特殊，将会对综放沿空掘
11、巷在掘进和经受回采时的变形破坏发生较大的影响。煤层底板中一般紧靠煤层的岩层多由碳质页岩、泥质页岩或砂质页岩等组成，强度通常较低，这层岩层的厚度及岩性对巷道的稳定性及巷道的底臌影响很大。较深部的底板通常强度较高，对巷道的围岩变形一般不会产生本质性的影响。随着综放工作面回采的进行，采场上覆岩层发生大范围的垮落，引起采场围岩压力向周围煤体转移，使之处于加载状态，由于该应力集中程度多高于煤体强度，故采空侧煤体在较大范围内发生位移，甚至破坏，强度进一步降低。当采空侧上覆岩体垮落稳定后，巷道在变形甚至局部破坏后的煤体中留小煤柱沿煤体底板掘出，巷道的两帮及顶板均为煤体，其围岩性质与其它类型的回采巷道的围岩性
12、质相比，力学性质很差。在此意义上说，综放沿空掘巷围岩为软弱破碎围岩，巷道支护尤其困难。2.1.2巷道围岩力学环境综放沿空掘巷的围岩力学环境与其它类型的回采巷道相比，一般具有以下四个显著的特点：1）巷道处于应力降低区巷道因沿上工作面采空侧煤体的底板掘进，由于掘巷前采空侧煤体在较大范围内己产生变形或者局部破坏，造成煤体应力卸载，当采用沿空掘巷时，巷道处于应力降低区内，这种力学环境对沿空掘巷的稳定是有利的。2）掘巷期间围岩应力集中程度小巷道本身在应力降低区内掘进，且巷道顶部及两帮的煤体裂隙发育程度较原始状态更高，已基本呈塑性状态，故掘巷过程所引起的围岩应力的再分布相对于其它回采巷道来说，其影响并不是
13、很明显。也即，综放沿空掘巷引起的应力集中程度不大，对巷道稳定性影响较小，这是综放沿空掘巷围岩应力场的主要特点之一。3）回采期间应力集中程度很大综放沿空掘巷在掘巷影响及稳定期内，巷道围岩应力较小，巷道变形并不严重。但在本工作面回采时，采场上覆岩体结构发生变化，应力重新分布并向周围的煤岩体转移，巷道上覆煤岩体的应力产生叠加，导致巷道围岩结构的外部载荷急剧加大，巷道围岩变形量很大，一般地，工作面受采动影响时巷道的围岩变形量是巷道掘进期间的56倍甚至更大。因此，这类巷道在采动影响时的变形量是很难控制的，而采用锚杆支护对维持其稳定则具备更有利的条件。4）巷道围岩松散破碎受到上一区段工作面采动影响，窄煤柱
14、巷道附近围岩总体上处于塑性破坏状态，巷道围岩变形量大，支护困难。2.1.3巷道的维护特点从综放沿空掘巷的维护特点及生产条件来看，它具有以下维护特点：1）服务年限短与其它回采巷道类似，综放沿空掘巷的服务年限较短，一般在2年之内，当本区段工作面回采完毕后即报废，故对其支护要求并不高。2）巷道断面综放沿空掘巷采用合理的断面形状，一方面可以保持巷道的完整，这对巷道的稳定性是极为有利的；另一方面，也可以改善回采工作面端头的维护、提高断面利用率。因此，综放沿空掘巷大多选用矩形或梯形断面。相应地，巷道锚杆支护结构及支护原理也不同于其它类型的回采巷道。3）巷道维护要求综放沿空掘巷的维护从工程的角度来说，对巷道
15、的要求并不高，巷道围岩可在不发生破坏失稳和巷道断面满足正常生产要求的前提下，允许有较大的变形量。4）巷道的维护原理及技术与一般的地下岩体工程不同，综放沿空掘巷围岩在上覆岩层运动和采动影响下发生变形破坏，所以其支护原理与支护技术都是围绕下述两个方面展开的：一是上覆岩层运动过程、规律和采动影响引起围岩应力和变形的变化规律；二是锚杆支护形成围岩锚固结构的机理、锚固结构特点、锚固结构承载性能、锚固结构变形破坏特征，以及在此过程中锚杆的作用等。2.2综放沿空掘巷上覆煤岩体破断特征2.2.1综放沿空掘巷老顶破断的基本规律综放工作面自开切眼向前推进一段距离时，首先在悬露老顶的中央及两个长边形成平行的断裂线I
16、1、I2，再在短边形成断裂线II，并与断裂线I1、I2贯通，最后老顶沿断裂线I和II回转且形成分块断裂线III，而形成结构块1、2。老顶在采空区中部接触矸石后，运动较平缓。老顶初次破断后的平面图形近似呈椭圆状，见图2.l a。图2.1 老顶破断的基本形态随着工作面的继续推进，顶板出现周期性垮落，依次出现断裂线I2，并绕周边断裂线II回转形成周期性顶板垮落，如图2.1b所示。又形成新的结构块，即图2.1b中的1、3结构块。沿空掘巷的直接顶板除采空区自然冒落外，必然由于结构块即2、3结构块的运动而被迫下沉。因此，结构块2、3的稳定状况直接影响沿空掘巷的稳定状况。一般来说，窄煤柱很难阻止结构块3的旋转下沉。当老顶破断下沉时，窄煤柱进入塑性屈服状态，使其适应结构块3的旋转下沉，以减小对窄煤柱的压力。2.2.2综放沿空掘巷上覆岩体破断结构综放沿空掘巷上覆岩体通过巷道顶煤与巷道发生作用，当上区段工作
