專題-淺析綜放沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)及其控制

淺析綜放沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)及其控制摘要：沿空掘巷可以在很大程度上減少“兩巷”煤柱損失量，有利于提高采區(qū)采出率，達(dá)到充分利用資源的目的。本文主要闡述分析了沿空巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)、圍巖控制原理、煤柱應(yīng)力分布規(guī)律以及窄煤柱寬度的合理留設(shè)等問題。并結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，總結(jié)了在給定條件下不同尺寸煤柱的應(yīng)力分布及變形規(guī)律，得到了較為合理的煤柱寬度值。關(guān)鍵詞：沿空巷道； 三角塊； 應(yīng)力分布； 窄煤柱寬度1緒論1.1問題背景及意義目前我國(guó)己經(jīng)成為世界上最大的能源生產(chǎn)國(guó)和能源消費(fèi)國(guó)之一。我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處在快速增長(zhǎng)時(shí)期，一次能源生產(chǎn)量和消費(fèi)量均超過(guò)世界總量的10%，其中，煤炭生產(chǎn)量和消費(fèi)量約占世界總量的30%，且我國(guó)在一次能源的生產(chǎn)和消費(fèi)構(gòu)成中，煤炭所占比重約為2/3，經(jīng)預(yù)測(cè)到2010年煤炭占60%左右，2050年將占50%以上，因此，能源結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以煤為主。煤炭資源從淺部開始開采，隨著淺部資源的日益枯竭，國(guó)內(nèi)外都陸續(xù)進(jìn)入深部資源的開采，煤礦深井開采是世界上大多數(shù)國(guó)家主要采煤國(guó)家目前和將來(lái)要面臨的問題。因此，合理利用淺部資源，避免過(guò)早進(jìn)入深部開采成為我們要解決的問題。而在許多礦井采用傳統(tǒng)寬煤柱護(hù)巷方式，煤炭采出率低，這主要是由于護(hù)巷煤柱寬度過(guò)大而造成的。而有的礦井區(qū)段煤柱的留設(shè)及采場(chǎng)周圍巷道的布置不合理也在很大程度上直接影響到采區(qū)采出率。因此實(shí)現(xiàn)回采工作面無(wú)煤柱開采或最大限度減少“兩巷”煤損量，對(duì)提高采區(qū)采出率具有重要意義。我國(guó)煤炭產(chǎn)量的95%以上來(lái)自地下開采，回采巷道的掘進(jìn)與支護(hù)是礦山建設(shè)和礦井生產(chǎn)過(guò)程中量大、面廣的工程。巷道支護(hù)是煤炭開采中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可靠的支護(hù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)礦井安全、高效的必備條件。隨著礦井產(chǎn)量和效率不斷提高，要求巷道斷面越來(lái)越大、成巷速度越來(lái)越快，傳統(tǒng)的巷道設(shè)計(jì)方式越來(lái)越不能滿足采掘接替的需要。巷道之間保留煤柱，以及巷道與回采工作面之間保留煤拄護(hù)巷一直是煤礦中傳統(tǒng)的護(hù)巷方法，對(duì)提高煤炭資源的采出率極為不利。近三十年來(lái)，無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)得到迅速發(fā)展，沿空掘巷是我國(guó)無(wú)煤柱護(hù)巷的主要形式，在國(guó)內(nèi)外己獲得廣泛應(yīng)用。沿空掘巷技術(shù)對(duì)合理開發(fā)地下資源，提高煤炭采出率，延長(zhǎng)礦井開采期限具有重要意義，采用沿空掘巷的方法維護(hù)回采巷道的必然趨勢(shì)，也是支護(hù)技術(shù)改革的關(guān)鍵技術(shù)之一。20世紀(jì)70年代以來(lái)，沿空掘巷技術(shù)得到一定程度的推廣，但其沿空掘巷支護(hù)方式大多為架棚支護(hù)，架棚支護(hù)屬被動(dòng)式支護(hù)，在復(fù)雜困難條件下（大斷面、高應(yīng)力、高瓦斯、易自燃、采空區(qū)涌水量大）沿空掘巷，其巷道還存在難支護(hù)、采空區(qū)難以隔離等技術(shù)難題。在沿空掘巷中采用錨桿支護(hù)，比在實(shí)體煤巷道中采用錨桿支護(hù)存在更大困難，主要是：（1）由于沿空側(cè)煤體在礦山壓力作用下變得更加破碎，給巷道的掘進(jìn)與支護(hù)帶來(lái)更大困難，采用錨桿支護(hù)首先應(yīng)保證巷道在掘進(jìn)期間的穩(wěn)定；（2）由于沿空掘巷在工作面回采期間的礦壓顯現(xiàn)較實(shí)體煤巷道在回采巷道更加劇烈，必須控制巷道在工作面回采動(dòng)壓影響期間的劇烈變形，保證工作面的正常推進(jìn)。在我國(guó)煤炭產(chǎn)量逐年增加，每年需要掘進(jìn)大量的回采巷道，隨著開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，沿空掘巷是必然趨勢(shì)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國(guó)的薄及中厚煤層沿空送巷最早可追溯到建國(guó)初期，大體上經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展時(shí)期：早在20世紀(jì)50年代我國(guó)已有個(gè)別礦井自發(fā)地應(yīng)用沿空掘巷技術(shù)；60年代的初期試驗(yàn)階段；70年代沿空掘巷技術(shù)有所發(fā)展，并開始礦壓研究，取得了可喜的成果；80年代初期提出了沿空掘巷巷道圍巖變形特征；90年代隨著錨桿支護(hù)的大面積應(yīng)用推廣，極大促進(jìn)了沿空掘巷技術(shù)的發(fā)展。但對(duì)煤柱的寬度沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，在許多礦井中，煤柱寬度從1-5 m直至20-30 m不等。國(guó)外，如澳、英等國(guó)不搞沿空掘巷，他們認(rèn)為由于相鄰工作面開采的影響，在本工作面頂板中距相鄰工作面采空區(qū)一定范圍內(nèi)產(chǎn)生采動(dòng)傾斜裂縫，煤巷布置在裂縫中圍巖是非常不穩(wěn)定的，布置煤巷時(shí)應(yīng)該躲開這些裂縫。因此，區(qū)段平巷的護(hù)巷煤柱尺寸是巷道埋藏深度的1/10，至少應(yīng)當(dāng)在15 m以上。美、德等國(guó)的區(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)。窄煤柱沿空掘巷在我國(guó)應(yīng)用較早，窄煤柱護(hù)巷最早應(yīng)用于20世紀(jì)50年代，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此作過(guò)大量的研究，一般認(rèn)為留窄煤柱沿空掘巷不僅在掘巷期間圍巖變形劇烈，而且在巷道掘出后仍保持較大速度的持續(xù)變形，但這一結(jié)論是建立在薄及中厚煤層巷道棚式支護(hù)基礎(chǔ)上的。特別自90年代以來(lái)，隨著支護(hù)理論和支護(hù)的發(fā)展，我國(guó)回采巷道用小煤柱護(hù)巷有了前所未有的發(fā)展，在沿空掘巷的機(jī)理、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及“支架-圍巖”關(guān)系、合理滯后時(shí)間，以及在支承壓力作用下的沿空掘巷等方面進(jìn)行了一些基礎(chǔ)研究工作。但目前對(duì)煤柱的合理寬度一直沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，其結(jié)論差別較大，導(dǎo)致某些應(yīng)用窄煤柱維護(hù)的巷道支護(hù)困難、甚至嚴(yán)重制約回采工作面推進(jìn)。另外隨著錨桿支護(hù)技術(shù)的迅速發(fā)展，沿空掘巷支護(hù)方式由架棚被動(dòng)式支護(hù)發(fā)展為高預(yù)緊力、高強(qiáng)度的錨桿支護(hù)，沿空巷道的圍巖變形規(guī)律及礦壓控制方式有了新的改變，但如何保持回采期間的煤柱穩(wěn)定性以及如何進(jìn)行超前煤柱加固還有待進(jìn)行研究。2沿空掘巷上覆巖層穩(wěn)定性分析從圍巖力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力環(huán)境來(lái)分析，沿空掘巷是一類特殊的回采巷道。由于上區(qū)段工作面回采，采空區(qū)上覆巖層垮落，基本頂初次來(lái)壓形成“O-X”破斷，周期來(lái)壓即基本頂周期破斷后的巖塊沿工作面走向方向形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，在工作面端頭破斷形成弧形三角塊?；⌒稳菈K斷裂在煤壁內(nèi)部、旋轉(zhuǎn)下沉，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及穩(wěn)定性直接影響下方煤體的應(yīng)力和變形，沿空掘巷在其下方，一般在采空區(qū)上覆巖層基本穩(wěn)定后掘進(jìn)，即弧形三角塊形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以后掘巷，巷道掘進(jìn)一般不影響三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；受到下區(qū)段工作面回采超前支承壓力作用，弧形三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)必將發(fā)生較大的改變，并通過(guò)直接頂作用于沿空掘巷，弧形三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)沿空掘巷的穩(wěn)定性有重要影響。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐也表明：沿空掘巷在掘進(jìn)影響階段及掘后穩(wěn)定階段變形較小，受工作面采動(dòng)影響后，巷道圍巖活動(dòng)劇烈，加上圍巖松軟破碎，造成工作面回采時(shí)巷道變形量很大?；卷?shù)姆€(wěn)定狀況及位態(tài)直接影響沿空掘巷圍巖穩(wěn)定狀況，因而，基本頂破斷后形成的結(jié)構(gòu)構(gòu)成了沿空掘巷的上部邊界。通過(guò)建立沿空掘巷基本頂三角塊結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，對(duì)三角塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行力學(xué)分析，揭示基本頂三角塊結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原理及其對(duì)沿空掘巷的影響，從理論上研究分析綜放沿空掘巷外部圍巖的穩(wěn)定條件。2.1綜放沿空掘巷的基本特點(diǎn)綜放沿空掘巷是一種特殊類型的回采巷道，采用錨桿支護(hù)時(shí)，巷道一般沿煤層底板布置在上工作面采空側(cè)變形后處于穩(wěn)定的煤體中，留16m的小煤柱護(hù)巷。因此，了解綜放沿空掘巷的工程地質(zhì)條件和生產(chǎn)技術(shù)條件是研究該條件下巷道礦壓顯現(xiàn)及進(jìn)行巷道圍巖控制的基礎(chǔ)。2.1.1巷道圍巖性質(zhì)在放頂煤開采條件下，開采煤層厚度均大于5m，煤體本身因變質(zhì)程度等因素的影響，單軸抗壓強(qiáng)度通常在530MPa之間，煤體裂隙比較發(fā)育。煤層的直接頂巖層通常由碳質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖等強(qiáng)度較低的巖層組成，厚度不大，煤層采出后，直接頂巖層一般隨煤層的采出而及時(shí)垮落。而位于直接頂之上的老頂巖層，由厚度較大、強(qiáng)度較高的砂巖、石灰?guī)r等組成，并不隨直接頂?shù)目迓涠皶r(shí)垮落，而可能發(fā)生規(guī)則的垮落，巖塊互相鉸接，或者只發(fā)生一些彎曲下沉，由于頂板垮落特點(diǎn)和賦存狀態(tài)比較特殊，將會(huì)對(duì)綜放沿空掘巷在掘進(jìn)和經(jīng)受回采時(shí)的變形破壞發(fā)生較大的影響。煤層底板中一般緊靠煤層的巖層多由碳質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)頁(yè)巖或砂質(zhì)頁(yè)巖等組成，強(qiáng)度通常較低，這層巖層的厚度及巖性對(duì)巷道的穩(wěn)定性及巷道的底臌影響很大。較深部的底板通常強(qiáng)度較高，對(duì)巷道的圍巖變形一般不會(huì)產(chǎn)生本質(zhì)性的影響。隨著綜放工作面回采的進(jìn)行，采場(chǎng)上覆巖層發(fā)生大范圍的垮落，引起采場(chǎng)圍巖壓力向周圍煤體轉(zhuǎn)移，使之處于加載狀態(tài)，由于該應(yīng)力集中程度多高于煤體強(qiáng)度，故采空側(cè)煤體在較大范圍內(nèi)發(fā)生位移，甚至破壞，強(qiáng)度進(jìn)一步降低。當(dāng)采空側(cè)上覆巖體垮落穩(wěn)定后，巷道在變形甚至局部破壞后的煤體中留小煤柱沿煤體底板掘出，巷道的兩幫及頂板均為煤體，其圍巖性質(zhì)與其它類型的回采巷道的圍巖性質(zhì)相比，力學(xué)性質(zhì)很差。在此意義上說(shuō)，綜放沿空掘巷圍巖為軟弱破碎圍巖，巷道支護(hù)尤其困難。2.1.2巷道圍巖力學(xué)環(huán)境綜放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，一般具有以下四個(gè)顯著的特點(diǎn)：1）巷道處于應(yīng)力降低區(qū)巷道因沿上工作面采空側(cè)煤體的底板掘進(jìn)，由于掘巷前采空側(cè)煤體在較大范圍內(nèi)己產(chǎn)生變形或者局部破壞，造成煤體應(yīng)力卸載，當(dāng)采用沿空掘巷時(shí)，巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，這種力學(xué)環(huán)境對(duì)沿空掘巷的穩(wěn)定是有利的。2）掘巷期間圍巖應(yīng)力集中程度小巷道本身在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)掘進(jìn)，且巷道頂部及兩幫的煤體裂隙發(fā)育程度較原始狀態(tài)更高，已基本呈塑性狀態(tài)，故掘巷過(guò)程所引起的圍巖應(yīng)力的再分布相對(duì)于其它回采巷道來(lái)說(shuō)，其影響并不是很明顯。也即，綜放沿空掘巷引起的應(yīng)力集中程度不大，對(duì)巷道穩(wěn)定性影響較小，這是綜放沿空掘巷圍巖應(yīng)力場(chǎng)的主要特點(diǎn)之一。3）回采期間應(yīng)力集中程度很大綜放沿空掘巷在掘巷影響及穩(wěn)定期內(nèi)，巷道圍巖應(yīng)力較小，巷道變形并不嚴(yán)重。但在本工作面回采時(shí)，采場(chǎng)上覆巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，應(yīng)力重新分布并向周圍的煤巖體轉(zhuǎn)移，巷道上覆煤巖體的應(yīng)力產(chǎn)生疊加，導(dǎo)致巷道圍巖結(jié)構(gòu)的外部載荷急劇加大，巷道圍巖變形量很大，一般地，工作面受采動(dòng)影響時(shí)巷道的圍巖變形量是巷道掘進(jìn)期間的56倍甚至更大。因此，這類巷道在采動(dòng)影響時(shí)的變形量是很難控制的，而采用錨桿支護(hù)對(duì)維持其穩(wěn)定則具備更有利的條件。4）巷道圍巖松散破碎受到上一區(qū)段工作面采動(dòng)影響，窄煤柱巷道附近圍巖總體上處于塑性破壞狀態(tài)，巷道圍巖變形量大，支護(hù)困難。2.1.3巷道的維護(hù)特點(diǎn)從綜放沿空掘巷的維護(hù)特點(diǎn)及生產(chǎn)條件來(lái)看，它具有以下維護(hù)特點(diǎn)：1）服務(wù)年限短與其它回采巷道類似，綜放沿空掘巷的服務(wù)年限較短，一般在2年之內(nèi)，當(dāng)本區(qū)段工作面回采完畢后即報(bào)廢，故對(duì)其支護(hù)要求并不高。2）巷道斷面綜放沿空掘巷采用合理的斷面形狀，一方面可以保持巷道的完整，這對(duì)巷道的穩(wěn)定性是極為有利的；另一方面，也可以改善回采工作面端頭的維護(hù)、提高斷面利用率。因此，綜放沿空掘巷大多選用矩形或梯形斷面。相應(yīng)地，巷道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)原理也不同于其它類型的回采巷道。3）巷道維護(hù)要求綜放沿空掘巷的維護(hù)從工程的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)巷道的要求并不高，巷道圍巖可在不發(fā)生破壞失穩(wěn)和巷道斷面滿足正常生產(chǎn)要求的前提下，允許有較大的變形量。4）巷道的維護(hù)原理及技術(shù)與一般的地下巖體工程不同，綜放沿空掘巷圍巖在上覆巖層運(yùn)動(dòng)和采動(dòng)影響下發(fā)生變形破壞，所以其支護(hù)原理與支護(hù)技術(shù)都是圍繞下述兩個(gè)方面展開的：一是上覆巖層運(yùn)動(dòng)過(guò)程、規(guī)律和采動(dòng)影響引起圍巖應(yīng)力和變形的變化規(guī)律；二是錨桿支護(hù)形成圍巖錨固結(jié)構(gòu)的機(jī)理、錨固結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、錨固結(jié)構(gòu)承載性能、錨固結(jié)構(gòu)變形破壞特征，以及在此過(guò)程中錨桿的作用等。2.2綜放沿空掘巷上覆煤巖體破斷特征2.2.1綜放沿空掘巷老頂破斷的基本規(guī)律綜放工作面自開切眼向前推進(jìn)一段距離時(shí)，首先在懸露老頂?shù)闹醒爰皟蓚€(gè)長(zhǎng)邊形成平行的斷裂線I1、I2，再在短邊形成斷裂線II，并與斷裂線I1、I2貫通，最后老頂沿?cái)嗔丫€I和II回轉(zhuǎn)且形成分塊斷裂線III，而形成結(jié)構(gòu)塊1、2。老頂在采空區(qū)中部接觸矸石后，運(yùn)動(dòng)較平緩。老頂初次破斷后的平面圖形近似呈橢圓狀，見圖2.l a。圖2.1 老頂破斷的基本形態(tài)隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板出現(xiàn)周期性垮落，依次出現(xiàn)斷裂線I2，并繞周邊斷裂線II回轉(zhuǎn)形成周期性頂板垮落，如圖2.1b所示。又形成新的結(jié)構(gòu)塊，即圖2.1b中的1、3結(jié)構(gòu)塊。沿空掘巷的直接頂板除采空區(qū)自然冒落外，必然由于結(jié)構(gòu)塊即2、3結(jié)構(gòu)塊的運(yùn)動(dòng)而被迫下沉。因此，結(jié)構(gòu)塊2、3的穩(wěn)定狀況直接影響沿空掘巷的穩(wěn)定狀況。一般來(lái)說(shuō)，窄煤柱很難阻止結(jié)構(gòu)塊3的旋轉(zhuǎn)下沉。當(dāng)老頂破斷下沉?xí)r，窄煤柱進(jìn)入塑性屈服狀態(tài)，使其適應(yīng)結(jié)構(gòu)塊3的旋轉(zhuǎn)下沉，以減小對(duì)窄煤柱的壓力。2.2.2綜放沿空掘巷上覆巖體破斷結(jié)構(gòu)綜放沿空掘巷上覆巖體通過(guò)巷道頂煤與巷道發(fā)生作用，當(dāng)上區(qū)段工作面的煤層采出后，上覆巖體的垮落特征、垮落后的賦存狀態(tài)在一定程度上取決于老頂巖層的斷裂特征及其垮落后的賦存狀態(tài)。為此，上區(qū)段工作面的回采造成綜放沿空掘巷上覆巖體的斷裂具有如圖2.2所示的幾個(gè)過(guò)程。圖2.2 綜放沿空掘巷上覆巖體結(jié)構(gòu) 1）上區(qū)段工作面煤層采出時(shí)，工作面端頭一般有兩架支架不放煤，加上原來(lái)的巷道寬度，計(jì)有7m左右的頂煤不放出，故在工作面支架推過(guò)后，這部分煤層因破壞嚴(yán)重而在支承壓力和自重的作用下首先垮落。垮落后的賦存狀態(tài)如圖2.2中的I部分所示。 2）工作面支架推過(guò)后，隨著上區(qū)段煤層的采出和靠近采空側(cè)未放煤段煤體的垮落，直接頂巖層隨之發(fā)生不規(guī)則或規(guī)則的垮落下沉，最終與其上位的老頂巖層發(fā)生離層。在這個(gè)過(guò)程中，由于上區(qū)段工作面中部和靠近采空側(cè)煤層的采出程度不同，直接頂?shù)目迓湎鲁烈彩遣煌摹．?dāng)煤層完全采出時(shí)（如工作面中部），直接頂一般為不規(guī)則垮落，如圖2.2中的II部分；當(dāng)煤層不是完全采出時(shí)（如工作面兩端），直接頂可能是規(guī)則的垮落，如圖2.2中的III部分。 3）老頂巖層在直接頂垮落后，一般在側(cè)向煤體內(nèi)斷裂，并發(fā)生回轉(zhuǎn)或彎曲下沉，直至在采空側(cè)形成如圖2.2中所示的巖塊A、巖塊B、巖塊C組成的鉸接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與采空區(qū)充滿程度及老頂巖層的斷裂參數(shù)密切相關(guān)。 4）在老頂巖層垮落過(guò)程中，其上覆載荷巖層隨之發(fā)生垮落。據(jù)此，可將綜放沿空掘巷上覆巖體的垮落運(yùn)動(dòng)分為兩組：其一是隨煤層的開采而不規(guī)則、或者規(guī)則垮落的直接頂巖層；其二是老頂巖層及其上部載荷巖層垮落后能形成平衡結(jié)構(gòu)的巖層。相應(yīng)地，上覆巖體垮落穩(wěn)定后，綜放沿空掘巷在如圖2.2中IV所示的位置掘進(jìn)。該巷道與上覆巖體結(jié)構(gòu)的平面關(guān)系如圖2.3所示，其中綜放沿空掘巷位于關(guān)鍵塊B的下方。對(duì)比圖2.2和圖2.3可見，巖體A為本區(qū)段工作面上方的老頂巖層，塊體B為上區(qū)段工作面采空側(cè)的弧三角塊，塊體C為上區(qū)段工作面采場(chǎng)中的斷裂塊。由此可見，塊B對(duì)于綜放沿空掘巷上覆巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是很重要的，在此稱之為關(guān)鍵塊。圖2.3 綜放沿空掘巷與上覆巖體結(jié)構(gòu)的平面關(guān)系示意圖2.3綜放沿空掘巷圍巖關(guān)鍵塊體力學(xué)模型沿空掘巷一側(cè)為未開采的實(shí)體煤、另一側(cè)為上區(qū)段采空區(qū)，上區(qū)段工作面基本頂在實(shí)體煤側(cè)為固支邊，端頭基本頂?shù)目迓涮卣鳎涸诠ぷ髅娑祟^部位的破斷線呈弧形，形成弧形三角塊B，見圖2.4 (a)。圖2.4 綜放沿空掘巷三角塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模型根據(jù)基本頂?shù)钠茢?、運(yùn)動(dòng)特征，結(jié)合圖2.4 (a)對(duì)弧形三角塊結(jié)構(gòu)作如下簡(jiǎn)化： 1）基本頂在煤體側(cè)的斷裂線深入煤壁內(nèi)，破斷形成弧形三角塊B后，以煤體之上的斷裂線為軸，向下旋轉(zhuǎn)。 2）一個(gè)工作面的周期來(lái)壓步距基本相等，即基本頂?shù)钠茢嗵卣骰鞠嗤?，因此，將弧形三角塊簡(jiǎn)化為等腰三角塊，簡(jiǎn)稱三角塊，在煤壁內(nèi)的邊長(zhǎng)為工作面的周期來(lái)壓步距，另兩邊相等。 3）基本頂之上的軟弱巖層可視為作用于其上的載荷，受到工作面采動(dòng)影響之前，三角塊B上部的軟弱巖層與其上部硬巖層離層、失去力的傳遞。 4）三角塊B以給定變形作用于下方的直接頂和煤體。 5）三角塊B與實(shí)體煤側(cè)的巖體A、采空區(qū)側(cè)的塊體C形成鉸接結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱為三角塊結(jié)構(gòu)。 6）留窄煤柱沿空掘巷，工作面回采影響階段，在超前支承壓力和側(cè)向支承壓力疊加作用下，A巖塊下方的煤體、直接頂壓縮下沉，C巖塊下方的矸石壓縮下沉，B巖塊發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉，其穩(wěn)定性及位態(tài)發(fā)生變化。根據(jù)上述簡(jiǎn)化建立沿空掘巷三角塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，見圖2.4 (b)所示。2.4綜放沿空掘巷上覆巖體穩(wěn)定性分析留窄煤柱沿空掘巷，巷道與基本頂三角塊結(jié)構(gòu)的平面和剖面關(guān)系見圖2.4所示。綜放沿空掘巷遠(yuǎn)離基本頂三角塊結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為基本頂三角塊結(jié)構(gòu)是沿空掘巷的上部邊界，在不同階段，三角塊結(jié)構(gòu)的受力狀況相差較大，它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及穩(wěn)定性是變化和發(fā)展的，使得沿空掘巷的外部力學(xué)環(huán)境更為復(fù)雜，三角塊結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和穩(wěn)定性通過(guò)直接頂、老頂影響巷道穩(wěn)定性?；卷斎菈K結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變化過(guò)程為：上區(qū)段工作面回采后采空區(qū)上覆巖層冒落而形成該結(jié)構(gòu)、沿空掘巷對(duì)該結(jié)構(gòu)擾動(dòng)、本區(qū)段工作面回采時(shí)超前支承壓力對(duì)該結(jié)構(gòu)的作用，其穩(wěn)定性是一個(gè)從掘巷前的穩(wěn)定狀態(tài)掘巷期間的擾動(dòng)掘巷后的穩(wěn)定工作面采動(dòng)影響穩(wěn)定狀態(tài)改變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。其穩(wěn)定狀況主要可分為掘巷前、掘巷后及工作面采動(dòng)影響三個(gè)階段。2.4.1掘巷前上覆巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析綜放沿空掘巷是在上一區(qū)段開采以后，上區(qū)段綜放工作面采空區(qū)冒落殲石穩(wěn)定的條件下進(jìn)行開掘的。綜放巷道掘進(jìn)期間上覆巖層結(jié)構(gòu)平面及剖面如圖2.4所示，可以看出，當(dāng)上區(qū)段回采時(shí)，隨著工作面的不斷往前推進(jìn)、在其側(cè)向與下工作面連接處，老頂發(fā)生破斷，形成弧三角形板B，巖塊B的一端回轉(zhuǎn)后在采空區(qū)觸矸，另一端在下區(qū)段的煤壁里面斷裂。巖塊B雖有一定的回轉(zhuǎn)下沉，但它與巖塊C、巖體A互相咬合，形成鉸接結(jié)構(gòu)。 在上覆巖層大結(jié)構(gòu)中對(duì)綜放沿空掘巷穩(wěn)定性影響最大的是老頂?shù)幕∪切螇KB，稱為關(guān)鍵巖塊。巖塊B的穩(wěn)定性服從S-R ( Sliding-Rotation )穩(wěn)定性原理。巖塊B在下區(qū)段煤壁里面斷裂的位置，主要取決于頂煤和直接頂?shù)暮穸?，頂煤、直接頂、老頂?shù)膸r石力學(xué)性質(zhì)以及老頂和其上載荷層的厚度等因素。當(dāng)頂煤和直接頂厚度在820m時(shí)，頂煤和直接頂?shù)膹?qiáng)度屬于中等，通過(guò)應(yīng)用FLAC程序進(jìn)行數(shù)值分析，老頂在煤壁內(nèi)斷裂的距離一般在28m，興隆莊煤礦和王莊煤礦分別為6和8m。由于老頂在下區(qū)段煤壁內(nèi)斷裂，加以工作面端頭一般有23架支架不放頂煤，因而關(guān)鍵塊B受到下面頂煤和直接頂?shù)挠辛χ?，弧三角形關(guān)鍵塊B同時(shí)受到巖體A和兩側(cè)巖塊C的夾持，即關(guān)鍵塊B在其整個(gè)周圍均受到相臨巖塊的水平推力作用。通常情況下，巖塊B的穩(wěn)定性是很好的。2.4.2掘巷后上覆巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析由圖2.2和圖2.3中綜放沿空掘巷與基于老頂巖層的上覆巖體結(jié)構(gòu)的剖面關(guān)系和平面關(guān)系可見，巷道在上覆巖體結(jié)構(gòu)下方的煤體中掘進(jìn)，巷道上方賦存的頂煤和直接頂厚度較大，巷道一般遠(yuǎn)離上覆巖體結(jié)構(gòu)；同時(shí)，巷道的掘進(jìn)位置又處于支承壓力相對(duì)較小的低應(yīng)力區(qū)中。因此，巷道掘進(jìn)對(duì)其上覆煤巖層的擾動(dòng)并不會(huì)影響到上覆巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，關(guān)鍵塊B的變形及受力特點(diǎn)不變，上覆巖體結(jié)構(gòu)將保持原有的穩(wěn)定狀態(tài)。2.4.3采動(dòng)影響時(shí)上覆巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析綜放沿空掘巷在受到本區(qū)段工作面回采影響時(shí)，巷道與上覆巖層的關(guān)系如圖2.5所示。圖2.5 回采時(shí)綜放沿空掘巷與上覆巖體結(jié)構(gòu)的平面關(guān)系圖2.6 回采時(shí)綜放沿空掘巷與上覆巖體結(jié)構(gòu)的剖面關(guān)系由圖2.5可見，綜放沿空巷道在本區(qū)段工作面回采時(shí)，上覆巖層大結(jié)構(gòu)原有的平衡狀態(tài)將受到強(qiáng)烈影響，其過(guò)程可歸結(jié)為：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，長(zhǎng)邊破斷線直接與原有關(guān)鍵塊B相接，即新產(chǎn)生的巖塊A與原有弧三角形塊B互相鉸接。老頂巖層破斷后，分別在回轉(zhuǎn)力矩M和M的作用下回轉(zhuǎn)下沉，巖塊A、B均處于運(yùn)動(dòng)和不穩(wěn)定狀態(tài)，從而對(duì)工作面前方的沿空巷道形成較高的支承壓力，如圖2.6所示。從圖2.7中可知，當(dāng)工作面將要推過(guò)巖塊B1時(shí)，該塊將會(huì)在回轉(zhuǎn)力矩M1的作用下向工作面后方回轉(zhuǎn)下沉，并影響到其相臨巖塊B2的穩(wěn)定，支承壓力在塊B2上急劇上升，同時(shí)也產(chǎn)生向工作面后方回轉(zhuǎn)的力矩M2，在此過(guò)程中，造成該塊下方的巷道圍巖劇烈變形。圖2.7 回采時(shí)關(guān)鍵塊體狀態(tài)變化對(duì)巷道圍巖變形影響關(guān)系同樣，塊體B2的運(yùn)動(dòng)將會(huì)對(duì)塊體B3產(chǎn)生影響，但其影響程度遠(yuǎn)小于塊B1對(duì)塊B2的影響。相應(yīng)地，塊體B3原有穩(wěn)定狀態(tài)的變化將造成該塊下方巷道圍巖的較大變形，但其變形程度明顯小于塊體B2下方的巷道圍巖變形；依此類推，由于巷道上覆巖體大結(jié)構(gòu)中各塊體間的相互影響，導(dǎo)致巷道在超前工作面一定范圍內(nèi)圍巖的變形隨著與工作面距離的接近而呈逐步增大的趨勢(shì)。同時(shí)，巖塊A對(duì)B的影響也有與此類似的情況。3沿空掘巷圍巖控制原理3.1沿空掘巷的圍巖變形破壞特征根據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)沿空窄煤柱巷道的應(yīng)用研究，沿空掘巷窄煤柱巷道圍巖變形有以下特點(diǎn)：1）對(duì)于中等穩(wěn)定圍巖的綜放沿空窄煤柱巷道，超前90m左右就出現(xiàn)采動(dòng)影響，明顯變形出現(xiàn)在工作面前方35m左右，分別比實(shí)體煤巷道增加近20m，巷道劇烈變形在工作面前方010m，綜放面沿空巷道頂?shù)装逡平勘葘?shí)體煤巷道增加510倍，兩幫相對(duì)移近量增大10倍以上。回采影響期間巷道圍巖移近量與掘進(jìn)影響期間相比較，沿空巷道前者是后者的510倍，實(shí)體煤巷道前者是后者的1.21.5倍，實(shí)體煤巷道的頂、底板及兩幫變形大體相近，而沿空巷道兩幫移近量大于頂?shù)装逡平浚罢呤呛笳叩?倍左右。2）由于受多次采動(dòng)影響，巷道圍巖變形量大，并且兩幫變形量大于頂?shù)装逡平?，剛性支護(hù)比較困難，一般情況下，以護(hù)為主，以支為輔。3）由于受多次采動(dòng)影響和移動(dòng)性支承壓力的作用，巷道礦壓顯現(xiàn)表現(xiàn)出一定的周期性，工作面每推進(jìn)一段距離，巷道就出現(xiàn)一次劇烈變形，這與工作面頂板來(lái)壓規(guī)律比較相似。4）在掘進(jìn)期間，巷道變形量沿空側(cè)大于實(shí)體煤側(cè)，而在回采期間，巷道變形量是沿空側(cè)小于實(shí)體煤側(cè)。5）綜放沿空巷道在多次采動(dòng)影響和上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力作用下，圍巖破碎松散、受力環(huán)境復(fù)雜、應(yīng)力分布不均勻、圍巖成分特殊、兩幫和頂板均為煤體，變形量大且不均衡，巷道支護(hù)和維護(hù)困難，返修率高，因此綜放沿空巷道一般被認(rèn)為軟巖巷道。沿空煤巷錨固體結(jié)構(gòu)由頂板、底板、實(shí)體煤幫和煤柱幫錨固區(qū)組成一個(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。由于小煤柱受上區(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)旋轉(zhuǎn)、向巷道內(nèi)移近和向下沉降，從而造成巷道錨固體結(jié)構(gòu)的變形破壞，即為小煤柱誘導(dǎo)型破壞。而實(shí)體煤幫的應(yīng)力集中程度是最大，回采時(shí)常常因過(guò)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(guò)大的移近量將使頂板下沉而垮落，從而導(dǎo)致巷道變形破壞。3.2沿空掘巷窄煤柱巷道錨桿與圍巖相互作用機(jī)理根據(jù)以往的研究結(jié)果，錨桿支護(hù)對(duì)破碎煤巖體的錨固機(jī)理主要有3個(gè)方面，一是提高錨固體的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，提高錨固體峰值前、峰值后的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角；二是通過(guò)錨桿的軸向力作用使圍巖由二向應(yīng)力狀態(tài)向三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)錨桿的橫向作用，阻止圍巖沿裂隙等弱面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，提高弱面的抗剪能力，達(dá)到提高錨固體殘余強(qiáng)度的目的；三是通過(guò)錨桿的錨固作用，在保持較大殘余強(qiáng)度的同時(shí)，錨固體有控制地發(fā)生較大變形，釋放圍巖變形能，降低錨固體的壓力，使錨固體適應(yīng)綜放沿空掘巷圍巖大變形特點(diǎn)。3.3沿空掘巷窄煤柱巷道支護(hù)原理1）高強(qiáng)度錨桿支護(hù)強(qiáng)化巷道圍巖強(qiáng)度沿空窄煤柱巷道頂板和兩幫均為松散、破碎的煤體，錨桿的作用是對(duì)其錨固范圍內(nèi)的煤體提供軸向和徑向約束，軸向約束來(lái)自錨桿的軸向力，通過(guò)護(hù)表構(gòu)件、桿體與孔壁間的作用力對(duì)巷道圍巖施加圍壓，將圍巖由單向雙向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為雙向三向受力狀態(tài)；徑向約束主要表現(xiàn)為錨桿桿體和錨固劑所提供的抗剪能力，它增加了節(jié)理面間的摩擦力，限制了節(jié)理面的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，改善了圍巖弱面的力學(xué)性質(zhì)，尤其高強(qiáng)度錨桿支護(hù)能夠使錨固體達(dá)到極限強(qiáng)度后的殘余內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力以及錨桿支護(hù)阻力大大提高，特別是支護(hù)阻力的提高能顯著提高沿空巷道圍巖的殘余強(qiáng)度和承載能力。通過(guò)預(yù)應(yīng)力的作用，錨桿與其錨固范圍內(nèi)的煤體形成具有一定承載能力、可適應(yīng)圍巖變形的錨固平衡拱，從而提高了圍巖整體性和穩(wěn)定性。2）保持窄煤柱穩(wěn)定是控制圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵由沿空巷道圍巖應(yīng)力分布可知，由于窄煤柱受過(guò)上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力的影響，強(qiáng)度低，承載能力小，在本工作面的采動(dòng)影響下，發(fā)生變形破壞，將支承壓力大部分轉(zhuǎn)移到實(shí)體煤幫，使得實(shí)體煤幫的變形急劇增大，圍巖難以控制，因此提高窄煤柱的穩(wěn)定是控制沿空巷道圍巖的關(guān)鍵。要保持窄煤柱穩(wěn)定就必須提高煤柱的承載能力，而煤柱的承載能力與支護(hù)阻力、圍巖力學(xué)參數(shù)等有關(guān)，當(dāng)采用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)時(shí)，能提高圍巖的力學(xué)參數(shù)，顯著提高其承載能力。3）高阻讓壓支護(hù)控制圍巖變形沿空巷道兩幫、頂板均為強(qiáng)度較低的煤體，雖然高強(qiáng)度錨桿支護(hù)提高了圍巖的強(qiáng)度，但在超前支承壓力的作用下，圍巖產(chǎn)生大的變形是難以避免的。另外，由于沿空巷道服務(wù)時(shí)間相對(duì)較短，對(duì)巷道斷面尺寸要求相對(duì)較低，允許圍巖產(chǎn)生較大變形，因此，沿空巷道的支護(hù)要求是在具有較高阻力的同時(shí)必須具有較大的變形性能，使圍巖的變形能量得到釋放而讓壓，防止支護(hù)在高支承壓力作用下被破壞，導(dǎo)致圍巖變形無(wú)控制而失穩(wěn)。高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿延伸率大，能較好地適應(yīng)沿空巷道圍巖大變形。4）應(yīng)用加強(qiáng)支護(hù)小孔徑錨索防止錨固區(qū)外圍巖離層和塑性區(qū)的擴(kuò)展由于沿空巷道圍巖松散破碎，塑性區(qū)范圍大，錨固區(qū)外煤體發(fā)生較大離層，因此要采用小孔徑錨索加強(qiáng)支護(hù)。錨索支護(hù)的原理和錨桿相似，其主要作用是將下部不穩(wěn)定巖層吊到上部穩(wěn)定巖層中，更可靠地保證了頂板和兩幫的穩(wěn)定。4沿空掘巷窄煤柱力學(xué)狀態(tài)及其穩(wěn)定性4.1沿空掘巷窄煤柱的基本特征如圖4.1所示，沿空掘巷窄煤柱是在上區(qū)段工作面回采后，在采空區(qū)冒落矸石穩(wěn)定的條件下靠近采空區(qū)一側(cè)為沿空掘巷所留設(shè)的護(hù)巷煤柱，按照傳統(tǒng)護(hù)巷煤柱寬度的概念，位于沿空掘巷與右側(cè)采空區(qū)之間，寬度37m的煤柱稱窄煤柱，而位于下區(qū)段工作面巷道與右側(cè)上區(qū)段工作面采空區(qū)之間，寬度2030m的煤柱稱為寬煤柱。圖4.1 綜放面沿空掘巷窄煤柱示意圖綜放工作面采放以后，在其相鄰的煤體（柱）上和一定范圍的冒落區(qū)內(nèi)將形成增壓區(qū)、減壓區(qū)、免壓區(qū)。如圖4.1所示，當(dāng)右邊工作面采放后，由于煤層采放厚度大，冒落矸石和剩余浮煤難以充滿采空區(qū)，老頂下沉并在采空區(qū)邊緣發(fā)生斷裂，煤體上的頂板彎曲并以一定角度向采空區(qū)傾斜，側(cè)向支承壓力向煤體內(nèi)轉(zhuǎn)移。在頂板彎曲下沉、支承壓力轉(zhuǎn)移過(guò)程中，邊緣煤體被破壞，形成一定厚度的破碎區(qū)，同時(shí)，在煤體邊緣一定范圍（一般07m）內(nèi)形成應(yīng)力降低區(qū)，為沿空掘巷及窄煤柱護(hù)巷創(chuàng)造了有利條件。由于巷道掘出后在圍巖內(nèi)形成破碎區(qū)，此時(shí)，煤柱兩側(cè)均存在破碎區(qū)，承載能力較小，而左邊工作面采放時(shí)，形成超前支承壓力，在超前支承壓力的作用下煤柱進(jìn)一步壓縮破碎，使頂板再一次發(fā)生斷裂，巷道壓力及變形量急劇增加。因而綜放工作面沿空掘進(jìn)的巷道在受到工作面超前支承壓力作用前維護(hù)較容易，受到超前采動(dòng)支承壓力作用時(shí)維護(hù)困難。 1）綜放沿空掘巷窄煤柱位于應(yīng)力降低區(qū)，有利于沿空掘巷的維護(hù)； 2）留窄煤柱沿空掘巷，擾動(dòng)了側(cè)向支承壓力分布，不僅在掘進(jìn)期間巷道強(qiáng)烈變形，而且在掘后穩(wěn)定期間仍保持較大的變形速度； 3）窄煤柱裂隙發(fā)育、甚至破碎，自身難以保持穩(wěn)定，而且，其支撐作用小，增加了巷道跨度和懸頂距，沿空掘巷維護(hù)困難； 4）對(duì)煤柱的合理寬度一直沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，其結(jié)論差別較大，從15m到1525m不等； 5）在深井厚煤層綜放條件下，通過(guò)加強(qiáng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)在沿空掘巷中的應(yīng)用，可以很大程度上改善窄煤柱護(hù)巷的各種問題，保持煤柱和沿空巷道的穩(wěn)定性。4.2沿空煤體邊緣力學(xué)狀態(tài)分析4.2.1沿空煤體邊緣應(yīng)力分布通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論及試驗(yàn)研究表明，采空區(qū)邊緣煤體的應(yīng)力分布和變形與破壞狀態(tài)具有一定規(guī)律。煤體邊緣的力學(xué)狀態(tài)可以分為以下幾個(gè)區(qū)：（I）卸載松散區(qū)：位于煤體邊緣，煤體連續(xù)性遭到很大程度的破壞，裂隙及其發(fā)育呈碎裂狀，變形加劇，承載能力下降，在全壓力應(yīng)變過(guò)程中處于峰后末端；在此區(qū)的巷道受到一定程度的變形壓力的影響。（II）塑性強(qiáng)化區(qū)：位于卸載區(qū)和支撐壓力峰值位置之間，煤體己經(jīng)進(jìn)入塑性變形和破壞階段，在較高的圍壓作用下仍保持其連續(xù)性，且有一定的承載能力，在此范圍內(nèi)的巷道受較大的支撐壓力和煤體變形壓力的影響。（III）彈性變形區(qū)：位于煤體邊緣支撐壓力峰值區(qū)過(guò)度到原始應(yīng)力區(qū)，煤體有較高的應(yīng)力，煤體保持彈性變形狀態(tài)；此范圍煤體有較高的承載能力；此區(qū)內(nèi)的巷道變形量較小。（IV）原始應(yīng)力區(qū)：距煤體邊緣較遠(yuǎn)，煤體的應(yīng)力和變形基本不受采空區(qū)的影響。圖4.2 傾斜煤層邊緣力學(xué)狀態(tài)分區(qū)4.2.2采空區(qū)邊緣煤體垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力特點(diǎn)綜放開采引起的沿煤層傾斜方向的垂直和水平應(yīng)力峰值作用位置不耦合，最大垂直應(yīng)力距煤體邊緣約10m，最大水平應(yīng)力距煤體邊緣約15m（圖4.3）。因此，在不同煤柱寬度處的沿空巷道所受的圍巖壓力作用機(jī)理有所不同，垂直應(yīng)力峰值附近巷道易造成頂板和煤幫變形加劇，水平應(yīng)力峰值附近則可能引起底臌。在對(duì)沿空煤體的傳統(tǒng)研究中，一般強(qiáng)調(diào)垂直應(yīng)力峰值的作用位置，盡量避免巷道處于垂直應(yīng)力峰值區(qū)，而忽略了水平應(yīng)力峰值的影響。錨網(wǎng)支護(hù)沿空留巷對(duì)水平應(yīng)力抵抗較弱，因此應(yīng)注意選擇煤柱寬度和巷道位置，避免巷道處于水平應(yīng)力峰值區(qū)，否則可能引起嚴(yán)重底臌。圖4.3 采空區(qū)邊緣煤層水平和垂直應(yīng)力曲線4.3沿空掘巷窄煤柱應(yīng)力分析及變形破壞機(jī)理4.3.1沿空掘巷窄煤柱應(yīng)力分布煤體開挖形成煤柱以后，上覆巖層施加的壓力將重新分布，煤柱一定深度內(nèi)形成支承壓力帶。由于支承壓力的作用和開采擾動(dòng)等因素的影響，煤壁一定深度的煤巖已破壞。一般認(rèn)為，煤柱邊界處支撐壓力為零，隨著向煤柱內(nèi)部深度的增加，支承壓力逐漸增大，直至達(dá)到峰值。A.H威爾遜通過(guò)對(duì)煤柱加載試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，在加載過(guò)程中煤柱的應(yīng)力是變化的，如圖4.4所示，從煤柱應(yīng)力峰值到煤柱邊界這一區(qū)段，煤體應(yīng)力已超過(guò)了屈服點(diǎn)，并向采空區(qū)有一定量的流動(dòng)，從煤柱邊界至支承壓力峰值這個(gè)區(qū)域稱為煤柱的屈服區(qū)（或稱塑性區(qū)），其寬度用表示。屈服區(qū)向里的煤體變形較小，應(yīng)力沒有超過(guò)屈服點(diǎn)，大體符合彈性法則，這個(gè)區(qū)域被屈服區(qū)所包圍，并受屈服區(qū)的約束，處于三軸應(yīng)力狀態(tài)，稱為煤柱核區(qū)（或稱彈性核區(qū)）。綜放開采沿空掘巷條件下的護(hù)巷窄煤柱不同于上述煤柱的特點(diǎn)，窄煤柱一側(cè)為采空區(qū)而另一側(cè)為沿空掘巷巷道，如圖4.5所示。圖4.4 煤柱應(yīng)力分布圖4.5 窄煤柱應(yīng)力分布4.3.2沿空掘巷窄煤柱力學(xué)分析通過(guò)沿空煤體邊緣應(yīng)力的分析，可以得出沿空掘巷未開掘時(shí)的煤柱應(yīng)力狀態(tài)，即沿空煤體處于屈服區(qū)的部分應(yīng)力狀態(tài)?？傮w來(lái)說(shuō)沿空掘巷窄煤柱處于邊緣煤體支承壓力降低區(qū)，同時(shí)位于沿空煤體的應(yīng)力屈服區(qū)，在沿空巷道開掘后，窄煤柱受到沿空掘巷的擾動(dòng)，應(yīng)力狀態(tài)在處于應(yīng)力降低區(qū)和屈服區(qū)的前提下將重新分布。在沿空掘巷的同時(shí)采用錨桿支護(hù)系統(tǒng)加強(qiáng)支護(hù)，可以改善窄煤柱的變形與破壞，維持窄煤柱的穩(wěn)定性。4.4沿空掘巷窄煤柱寬度的合理確定根據(jù)沿空掘巷窄煤柱寬度留設(shè)的基本要求，確定窄煤柱寬度一般有以下三種方法。1）理論計(jì)算法這種方法主要是通過(guò)計(jì)算模型的建立和簡(jiǎn)化（如圖4.6），在考慮提高錨桿錨固力和支護(hù)作用的前提下，使煤柱盡可能小，綜合影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素，確定合理煤柱寬度B的計(jì)算公式為 （4-1）式中為上區(qū)段工作面開采后在采空區(qū)側(cè)煤體中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，其值按以下公式計(jì)算 （4-2）式中：m煤層厚度，m；A側(cè)壓系數(shù)，為泊松比；煤層界面的內(nèi)摩擦角，；C0煤層界面的粘結(jié)力，MPa；k應(yīng)力集中系數(shù)；上覆巖層的平均容重，kN/m3 ；H巷道埋深，m；支架對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，在采空區(qū)側(cè)取值為0；X2幫錨桿有效長(zhǎng)度，結(jié)合錨桿支護(hù)參數(shù)確定；X3考慮煤層厚度較大而增加的煤柱寬度富裕量，一般按(X2 + X3)值的30%50%計(jì)算。將巷道圍巖的力學(xué)參數(shù)和支護(hù)參數(shù)代入以上公式，就可以求得沿空掘巷窄煤柱寬度的理論值。圖4.6合理煤柱寬度計(jì)算模型2）數(shù)值模擬法通過(guò)對(duì)不同尺寸的窄煤柱寬度設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬計(jì)算，分析巷道圍巖的表面位移、深部位移和應(yīng)力的分布情況以及塑性區(qū)范圍和錨桿受力狀況，從而獲得沿空窄煤柱寬度的最優(yōu)解。3）工程類比法這是一種煤礦設(shè)計(jì)沿空巷道窄煤柱寬度常用的方法，也是一種比較直接、簡(jiǎn)便的方法，但是由于巷道工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜，各種圍巖力學(xué)參數(shù)的確定難以把握，因此這種方法需要較豐富的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)工程類比得出的結(jié)果會(huì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求有一定的差異。以上三種沿空窄煤柱寬度的計(jì)算方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，往往采用這三種方法相結(jié)合，來(lái)確定窄煤柱寬度的合理尺寸。5窄煤柱穩(wěn)定性的數(shù)值模擬模型5.1模擬巷道地質(zhì)概況某礦11101綜放上作而主采煤層為11號(hào)煤，煤厚約5m，煤層傾角820，局部20，埋深350m，采用綜采低位放頂煤工藝，采高控制在2.42.6m，放煤高度控制在2.42.6m，采放比約為1:1。煤層頂?shù)装迩闆r描述如下：1）直接頂：泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度約8.4m，深黑色，薄層狀，塊狀構(gòu)造，以泥巖和砂泥巖為主，中間夾一至二層煤和一層細(xì)砂巖；2）老頂：石灰?guī)r，厚度約8.6m，深灰色，晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，石灰?guī)r為主，見方解石脈及巖溶，底部含泥巖；3）直接底：灰黑色泥巖，厚度約2.7m，性軟，含星點(diǎn)狀黃鐵礦，中部夾薄煤層；4）老底：砂質(zhì)泥巖，厚度約7.5m，深黑色，薄層狀，水平層理，粉粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以泥巖為主。5.2窄煤柱穩(wěn)定性的數(shù)值模擬模型采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC，分析不同煤柱寬度情況下巷道圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律及位移場(chǎng)的分布演化規(guī)律。采用莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞以及應(yīng)變軟化模型，反映煤體破壞后隨變形發(fā)展殘余強(qiáng)度逐步降低的性質(zhì)，建立數(shù)值模擬模型X方向長(zhǎng)230m，Y方向長(zhǎng)600m，高68m，共有218500個(gè)三維單元，230724個(gè)節(jié)點(diǎn)（見圖5.1）。模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，模型底而限制垂直移動(dòng)，模型上部施加垂直載荷模擬上覆巖層的重量。煤柱模擬方案見表5.1所示。圖5.1三維數(shù)值計(jì)算模型表5.1煤柱穩(wěn)定性數(shù)值模擬方案影響因素煤柱寬度/m采動(dòng)影響水平3，5，6，8，10，15掘進(jìn)階段回采階段5.3窄煤柱應(yīng)力分布演化規(guī)律5.3.1掘巷期間煤柱應(yīng)力分布數(shù)值計(jì)算中，取煤柱高度一半的中部層位研究煤柱內(nèi)應(yīng)力分布演化規(guī)律，圖5.2為掘巷期間沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布圖。圖5.2掘巷期間沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布由圖5.2可見，掘進(jìn)期間綜放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)，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16.7MPa，15m 時(shí)則達(dá)到了25.6MPa，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值的增大不利于煤柱的穩(wěn)定。煤柱超過(guò)4m后，隨著煤柱寬度的增加，煤柱的穩(wěn)定性逐步降低。由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，3m煤柱的垂直應(yīng)力峰值為18.5MPa，大于4m煤柱時(shí)的垂直應(yīng)力峰值，45m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。同時(shí)可以看出，隨著煤柱寬度的增加，應(yīng)力呈梯形分布，而煤柱寬度較小時(shí)，應(yīng)力呈三角形分布。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46m時(shí)，淺部應(yīng)力較??；煤柱超過(guò)6m后，隨著煤柱寬度的增大，淺部應(yīng)力又相應(yīng)地增大。5.3.2回采期間煤柱應(yīng)力分布同分析掘巷期間煤柱應(yīng)力一樣，數(shù)值計(jì)算中仍取煤柱高度一半的中部層位研究煤柱內(nèi)應(yīng)力分布演化規(guī)律，圖5.3為回采期間沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布圖。由圖5.3可見，采動(dòng)影響階段綜放面沿空掘巷煤柱應(yīng)力分布有以下特征：圖5.3回采期間沿煤柱寬度方向垂直應(yīng)力分布1）在回采期間，煤柱最大垂直應(yīng)力隨煤柱寬度增大而增加。煤柱由3m增大到15m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力由19.8MPa逐漸增大到32.2MPa；在煤柱小于或等于4m時(shí)，煤柱峰值應(yīng)力增大，中部承載范圍減小，煤柱穩(wěn)定性較差；當(dāng)煤柱大于5m時(shí)，煤柱中部承載范圍較大，但應(yīng)力增大速度也較大；當(dāng)煤柱為5m時(shí)，煤柱應(yīng)力增加不明顯，承載能力較高。2）與掘巷期間相比，煤柱較小時(shí)，最大垂直應(yīng)力向巷道一側(cè)移動(dòng)，而隨著煤柱寬度增大，其最大垂直應(yīng)力峰值向采空區(qū)一側(cè)移動(dòng)。5.4窄煤柱變形機(jī)理同分析應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律一樣，數(shù)值模擬中，取煤柱高度一半的中部層位作為研究對(duì)象，研究煤柱內(nèi)位移分布規(guī)律。5.4.1掘巷期間煤柱內(nèi)位移場(chǎng)分布特征掘巷期間煤柱內(nèi)水平位移分布曲線如圖5.4所示：由圖5.4可見，掘巷期間沿空掘巷煤柱位移具有以下特征：1）煤柱向巷道內(nèi)的位移隨煤柱寬度增大而增加，達(dá)到一定寬度后再由大變小，然后趨于穩(wěn)定。2）煤柱向巷道內(nèi)的位移特征。當(dāng)煤柱為3m時(shí)