葛亭煤礦0.9Mta新井設(shè)計含5張CAD圖-采礦工程.zip,煤礦,0.9,Mta,設(shè)計,CAD,采礦工程 沿空留巷技術(shù)研究 摘要：隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，中國的煤炭工業(yè)發(fā)展迅速，特別是近些年來煤炭工業(yè)的管理模式和建設(shè)技術(shù)都有了顯著的進步，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著舉足輕重的作用。沿空留巷技術(shù)是煤礦開采工作面運輸巷在回采過程中保留原巷道完整性，并作為下一個采面回風及運料巷的一種施工方法。采用沿空留巷技術(shù)，可以節(jié)省資源，加快煤礦開采的進度。目前來看，雖然我國煤炭工業(yè)建設(shè)技術(shù)明顯有所提高、相關(guān)設(shè)備也有了一定程度的改進，但在煤礦開采巷道的技術(shù)選擇和維護上仍存在著一些問題，如果處理不好，將會嚴重影響職工的生命安全和煤炭工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。本文將對沿空留巷技術(shù)現(xiàn)狀進行深入的探析，并在此基礎(chǔ)上提出一些該技術(shù)施工工藝及留巷支護方式，以期為我國煤礦生產(chǎn)提供一些參考。 關(guān)鍵詞：沿空留巷技術(shù) 尾巷 錨注支護探討 1 問題的提出 為了回收傳統(tǒng)采礦方式中留設(shè)的保安煤柱。采用一定的技術(shù)手段將上一區(qū)段的順槽重新支護留給下一個區(qū)段使用。這種留巷的做法是沿著采空區(qū)邊緣在原順槽位置保留就稱為沿空留巷。沿空留巷可以最大限度回收資源。避免煤體損失。 2 國內(nèi)外沿空留巷現(xiàn)狀 2.1國外現(xiàn)狀 上世紀60年代英國、德國開始采用。這些發(fā)達國家非常重視這種一次性能源的開采。分別采用前進式和后退式的工作面沿空留巷方法以實現(xiàn)無煤柱開采?，F(xiàn)在基本普及無煤柱開采。國外目前主要以無機有機混合結(jié)構(gòu)形式結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)骨架實施沿空留巷隔墻。我國上世紀70年代引進使用，那時候因為經(jīng)濟基礎(chǔ)等因素影響，所采用的方法都沒有廣泛適應(yīng)性。后期出現(xiàn)的“高水材料”成本過高、強度和耐久性不足、特別是沒有掌握礦山壓力規(guī)律，從根本上扭轉(zhuǎn)巷道維護困難的局面而沒有得到推廣。 世界一些主要產(chǎn)煤國家對沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)、適用條件、合理支護形式及新型支護材料等都進行了大量研究，在這方面做得較多的是前蘇聯(lián)、德國、英國、波蘭等國家。 前蘇聯(lián)在現(xiàn)場對許多專門為沿空留巷設(shè)計的支架進行了試驗，并結(jié)合理論分析和實驗室研究進行了各種實測工作，據(jù)報導，至1993年，俄羅斯無煤柱開采產(chǎn)量占80%，對不同礦區(qū)變動在60%～90%之間，在各種無煤柱護巷方式中，應(yīng)用最廣的是沿空留巷，占65%。 德國無煤柱開采多為沿空留巷，其傳統(tǒng)的巷旁支護多采用木垛、矸石帶等，60年代末德國根據(jù)本國資源特點，研究成功了采用石膏、飛灰加硅酸鹽水泥、矸石加膠結(jié)料等低水材料作為巷旁充填，有效地減少了重型支架和巷道的變形，從而實現(xiàn)14～18 m2斷面巷道第二次利用，且不需修理，取得了良好經(jīng)濟效益。目前，該國有1/2～2/3的沿空留巷采用這項技術(shù)[14~15]。而且，德國在埋深800～1000 m的煤層開采中成功地運用了沿空留巷技術(shù)，并通過實測得出了預(yù)計留巷移近量的經(jīng)驗公式。 英國煤層普遍較薄，多用沿空留巷，巷旁支護多采用矸石帶，并研制出了矸石帶機械化砌筑裝置。同時，在提高矸石帶強度方面進行了不少探索，研制成功不同膠結(jié)物的膠結(jié)矸石帶。1979年在井下試驗成功了高水材料巷旁充填，隨后有了迅速的發(fā)展，高水材料充填己占全英巷旁充填的90%左右。 波蘭無煤柱開采應(yīng)用較多的是沿空留巷，在前進式或后退式采煤時都用單巷準備，沿空留巷應(yīng)用于走向開采或傾斜開采根據(jù)備件而定。沿空留巷一般巷內(nèi)支護采用金屬可縮性支架，巷旁支護使用充填帶、矸石帶或混凝土墩柱等。 2.2我國現(xiàn)狀 我國沿空留巷發(fā)展始于20世紀50年代，首先在一些薄煤層開采中用矸石帶代替煤柱作為巷旁支護用，如淄博、雞西、本溪、雙鴨山、棗莊、峰峰等礦區(qū)薄煤層中都有應(yīng)用。但由于矸石的沉縮量大，不能與巷內(nèi)支架相匹配，使得巷內(nèi)支架變形嚴重，維護工作量大，并沒有形成完整和系統(tǒng)的無煤柱開采技術(shù)體系。 20世紀60、70年代在中厚煤層應(yīng)用密集支柱、木垛、砌塊等作為巷旁支護取得一定成效，但這些方法又各有優(yōu)缺點。例如，平頂山一礦在丁組中厚煤層，沿空留巷采用密集支柱及抬棚作巷旁支護，巷內(nèi)支架應(yīng)用工字鋼打立柱加強支護試驗取得成功。此階段沿空留巷的研究是以實測為基礎(chǔ)的宏觀規(guī)律描述階段，主要是在現(xiàn)場實測沿空留巷圍巖變形，支架載荷和與回采工作面距離關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)實測曲線從宏觀角度描述具體地質(zhì)條件下沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。該階段的主要成果是，比較正確地描述了沿空留巷的若干礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，總結(jié)出了當時在頂板中等穩(wěn)定、底鼓不嚴重的薄及中厚水平煤層及緩斜煤層條件適用的沿空留巷開采技術(shù)。其缺陷是，尚不能正確預(yù)測不同地質(zhì)條件下沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)特征，當條件改變時，就需要重新試驗，形成了試而再試的經(jīng)驗研究模式，使沿空留巷中的很多基本問題都未得到解決 。 在20世紀80年代，隨著我國煤礦大力推行綜合機械化采煤后，隨著采高不斷增大、工作面推進加快、巷道頂?shù)滓平吭龃?，我國煤礦工作者在引進、吸收國外的巷旁充填技術(shù)的同時，發(fā)展了高水巷旁充填護巷技術(shù)。但高水充填材料強度低、強度增加慢、易風化碎裂，墻體難以承受采動引起的動壓影響，巷道難以維護。高水充填材料的性能差加之充填速度無法緊跟快速推進的工作面，不能實現(xiàn)與高產(chǎn)工作面同步推進，因此，此項技術(shù)的應(yīng)用受到了很大的制約。 從20世紀90年代淮南礦業(yè)集團為了治理瓦斯，堅持實施科學創(chuàng)新開采。在袁亮院士帶領(lǐng)下，淮南在實現(xiàn)充填材料更新、充填工藝及裝備機械化的基礎(chǔ)上，成功的采用沿空留巷，實現(xiàn)了煤與瓦斯同采。在較好的解決了回采工作面推進上隅角瓦斯積聚以及在高應(yīng)力區(qū)掘巷引發(fā)的瓦斯突出和瓦斯爆炸事故的同時，把沿空留巷無煤柱開采推進到了一個新的發(fā)展階段。實踐證明，無煤柱開采方案實踐可有效地控制瓦斯爆炸、沖擊地壓等相關(guān)事故的發(fā)生。通過對巖層運動和礦山壓力發(fā)展變化規(guī)律的研究，正確的進行巷道礦壓控制設(shè)計以及解決好巷道掘進和維護期間老塘透風問題，完全能夠控制原煤柱護巷方案產(chǎn)生的重大事故。在掌握了沿空留巷的內(nèi)在本質(zhì)的基礎(chǔ)上，西安科技大學惠興田課題組認真分析近年沿空留巷研究成果。專注于及時和高強兩方面兼顧上上下功夫。在此基礎(chǔ)上研究并發(fā)明了封閉模鑄砌體結(jié)構(gòu)。這種隔墻技術(shù)由于采用預(yù)制混凝土技術(shù)作為隔墻高強內(nèi)核使得隔離墻具有早期高強度，以注漿技術(shù)的密閉和充填性作為支護的及時性可以保證砌體墻體既有嚴密的封閉性又能夠及時貼頂支護。這種技術(shù)一次解決了現(xiàn)有混凝土隔墻技術(shù)無法解決的及時性和高強度問題。而且成本遠遠低于一般泵送混凝土的成本。對沿空留巷具有代表意義的專利技術(shù)：發(fā)明3項：一種剛?cè)釓?fù)合結(jié)構(gòu)模板及其沿空留巷隔墻施工方法；可變彈性接頂模板及其施工方法；用于沿空留巷的綜合一體機及其施工方法。實用新型2項：一種沿空留巷砌筑隔離墻使用的復(fù)合模板；一種變形內(nèi)胎模板。 20世紀90年代以來，我國有些學者在厚煤層綜放工作面進行了一些沿空留巷研究，如潞安礦務(wù)局常村煤礦綜放工作面，巷內(nèi)采用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護，巷旁支護采用高水材料充填加空間錨栓加固技術(shù)，成功地進行了綜放大斷面沿空留巷試驗。 對我國五十年代以來的沿空留巷成果進行分析，得出以下結(jié)論： （1）在回采工作面后方附近，由于裂隙帶巖層取得平衡之前的急劇沉降，引起巷道頂板在短期內(nèi)劇烈下沉。一般情況下，沿空巷道頂板下沉速度工作面后方10~20 m 處最大，工作面附近沿空留巷維護比較困難。 （2）隨著煤層厚度的增加，巷內(nèi)支護可以選用錨桿支護，但最好配合使用工字鋼或U型鋼可縮性支架進行支護，因為巷內(nèi)支架對巷旁充填體的穩(wěn)定性有一定的保護作用。 （3）沿空巷道的頂板往往明顯向采空區(qū)方向傾斜，傾角一般為3°～6°。如果直接頂冒落能夠填滿采空區(qū)，則老頂處于平衡狀態(tài)，采動期間沿空留巷的頂板下沉量與煤層采厚成正比關(guān)系，一般為采高的10%~20%，基本上屬于“給定變形”。 （4）當煤層厚度小于3.0 m 時，沿空留巷效果較為理想的巷道一般直接頂巖性為頁巖、泥巖、砂質(zhì)頁巖等巖層，而且直接頂厚度較大，巷旁支護方式普遍采用整體澆筑式充填帶維護巷道，留巷效果理想。 （5）如煤層上部覆蓋自身不能平衡的堅硬巖層，則需設(shè)置強力的切頂支架，甚至人工挑頂，為老頂平衡創(chuàng)造條件。否則，沿空留巷的頂板下沉量可能顯著增加，甚至沿煤幫切頂。 2.2.1無煤柱開采意義 減少巷道掘進量，緩解接續(xù)緊張；節(jié)約掘進費用，提高綜合經(jīng)濟效益；煤炭全部回收，延長礦井壽命，提高社會效益。 上世紀沿空留巷技術(shù)方案缺陷阻礙了該項技術(shù)實施近十年混凝土技術(shù)的成熟為沿空留巷打下良好基礎(chǔ)。 戰(zhàn)略意義：開發(fā)煤炭資源；提高煤炭回收率 　　推行無煤柱開采，不僅對生產(chǎn)礦井進行技術(shù)改造、緩和采掘關(guān)系和延長礦井壽命具有現(xiàn)實意義，而且也是使煤炭企業(yè)改善安全條件和技術(shù)經(jīng)濟指標，增產(chǎn)、增盈減虧的主要途徑之一。 　　根據(jù)我國的實踐經(jīng)驗和當前的技術(shù)水平，目前推行的無煤柱開采護巷分為沿空留巷、沿空掘巷、跨采和預(yù)采無煤柱護巷以及在采空區(qū)內(nèi)形成巷道四種形式，其中沿空留巷這種無煤柱護巷方式如果實施技術(shù)方案合理的話在技術(shù)和經(jīng)濟上有更多優(yōu)越性，具有廣泛意義，因而對于條件適合的礦井都應(yīng)當優(yōu)先采用。 2.2.2無煤柱采礦經(jīng)歷 上世紀60年代世界一些主要產(chǎn)煤國家為了達到少掘巷道、增加煤炭資源回收率、增加生產(chǎn)的連續(xù)性和提高礦井的經(jīng)濟效益目的，而采用往復(fù)式“Z”形開采，前進式和后退式的工作面沿空留巷方法以實現(xiàn)無煤柱開采。對沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)、適用條件、合理支護形式及新型支護材料等都進行了大量研究。在這方面做得較多的是前蘇聯(lián)、德國、英國、波蘭等國家。這些發(fā)達國家非常重視這種一次性能源的開采。現(xiàn)在基本普及無煤柱開采。國外目前主要以無機有機混合結(jié)構(gòu)形式結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)骨架實施沿空留巷隔墻。我國上世紀70年代引進使用，那時候因為經(jīng)濟基礎(chǔ)等因素影響，所采用的方法都沒有廣泛適應(yīng)性。后期出現(xiàn)的“高水材料”成本過高、強度和耐久性不足、特別是沒有掌握礦山壓力規(guī)律，從根本上扭轉(zhuǎn)巷道維護困難的局面而沒有得到推廣。我國從薄煤層到厚煤層，從緩傾斜煤層到急傾斜煤層，都已有沿空留巷的成功經(jīng)驗。但是，在沿空留巷研究與應(yīng)用中仍存在著不足之處，使得一些礦井在應(yīng)用沿空留巷技術(shù)中沒有取得預(yù)期的效果，并限制了沿空留巷技術(shù)在我國更廣泛的推廣。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國一些礦區(qū)在沿空留巷方面取得了可喜成績。一些礦井取得了非常客觀的經(jīng)濟效益。沿空留巷技術(shù)正處在一個急速起步的黃金時代。 2.2.3存在問題 盡管無煤柱開采已被公認為是一種先進的技術(shù)，具有一系列優(yōu)點，而且我國從薄 煤層到厚煤層，從緩傾斜煤層到急傾斜煤層，都已有沿空留巷的成功經(jīng)驗，但它本身還是一項正在發(fā)展的技術(shù)，在研究與應(yīng)用中仍存在著諸多不足之處，由于巷道變形難以控制、充填工藝與工作面的快速推進不匹配等問題，導致沿空留巷應(yīng)用范圍呈現(xiàn)逐漸萎縮的趨勢。 在目前的技術(shù)水平下，沿空留巷的成敗在很大程度上取決于煤層開采條件和頂板 條件，我國幅員遼闊，煤層賦存條件多樣，煤層賦存條件的不同必然導致沿空留巷圍 巖活動規(guī)律、礦壓顯現(xiàn)特征各異。目前，結(jié)合不同頂板條件，對沿空留巷圍巖活動規(guī) 律的共性與區(qū)別研究尚不夠深入，制約著沿空留巷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。 (1) 直接頂厚度對采場頂板破斷及結(jié)構(gòu)位態(tài)的影響研究不夠。采場老頂?shù)幕顒右?guī) 律特別是側(cè)向頂板的結(jié)構(gòu)及活動規(guī)律對沿空留巷巷道圍巖變形影響最為顯著，沿空留 巷充填體和巷道圍巖共同作用下對老頂斷裂線位置的影響研究尚不夠深入，不同頂板 賦存留巷礦壓顯現(xiàn)的差異性表明需結(jié)合頂板賦存條件特別是直接頂厚度進行研究。 (2) 不同頂板賦存條件下的巷旁支承壓力分布特征及留巷充填體的承載性能研究 不足。對充填體支護阻力的設(shè)計通常是不分頂板條件統(tǒng)一考慮的，而現(xiàn)場試驗及實驗 室實驗表明，頂板條件不同沿空留巷巷旁支護阻力是不同的，應(yīng)對不同頂板條件下支 護阻力分類計算才能有效指導現(xiàn)場試驗。 (3) 充填區(qū)域頂板承載性能研究不夠深入。以前研究多側(cè)重巷旁充填體支護阻力、 頂板破斷規(guī)律，對沿空留巷充填區(qū)域頂板承載性能、載荷傳遞特征、與墻體剛度的匹 配性研究不多，而現(xiàn)場實踐表明，充填區(qū)域頂板承載性能是能否形成頂、墻、底承載 體的關(guān)鍵，是決定沿空留巷能否成功的關(guān)鍵因素之一。 (4) 不同頂板賦存條件下圍巖應(yīng)力演化過程研究較薄弱。以前對沿空留巷圍巖應(yīng) 力演化規(guī)律研究較少，部分研究也是采用二維數(shù)值計算的研究手段，而沿空留巷是三維問題，二維模擬顯然不能反映實際的應(yīng)力演化規(guī)律，需采用三維數(shù)值計算、實驗室 實驗、現(xiàn)場試驗的綜合研究手段才能反映巷道掘進、采動、穩(wěn)定過程中圍巖應(yīng)力動態(tài) 發(fā)展與演化規(guī)律。 (5) 適應(yīng)留巷動壓的合理支護形式問題仍沒有得到完全解決。傳統(tǒng)的棚式支護體 系越來越不適應(yīng)巷道支護和安全生產(chǎn)的需求，即使加大型鋼重量、減小棚距仍難以維 護所留巷道的穩(wěn)定，很多復(fù)雜地質(zhì)條件下煤層巷道在第一個工作面超前采動影響時即 發(fā)生強烈變形、支架折損嚴重，不具備留巷的條件。德國采用大斷面重型U型鋼支護和壁后充填技術(shù)實現(xiàn)沿空留巷，噸煤成本超過 1000 元，基本依賴于政府補貼來維持煤炭生產(chǎn)，而我國煤炭是主導能源，不可能采用高成本支護。普通錨桿支護技術(shù)體系僅能滿足掘巷階段和本工作面超前回采階段的需求，根本無法適應(yīng)進一步的滯后采動影響，因此，針對沿空留巷的特點，研究適宜我國國情的煤巷支護技術(shù)已成為沿空留巷的迫切要求。 開采條件的復(fù)雜多樣性要求進一步深入研究沿空留巷的相關(guān)規(guī)律，從不同的角度 深化對留巷圍巖活動規(guī)律的認識，論文將通過理論分析、數(shù)值計算、物理模擬及工業(yè) 性試驗等綜合手段來系統(tǒng)的研究基于直接頂賦存特點的三種典型條件下沿空留巷頂 板垮落規(guī)律、巷旁充填體支護阻力、圍巖應(yīng)力演化規(guī)律，形成科學的留巷控制思路和 合理的留巷支護技術(shù)體系。 3 沿空留巷頂板結(jié)構(gòu)分析 沿空留巷是一類特殊的回采巷道，受強烈的上覆巖層活動全過程影響，特別是滯后采動壓力影響時間長，附加采動應(yīng)力集中系數(shù)大，圍巖破壞范圍大，巷道難以穩(wěn)定。研究沿空留巷頂板活動規(guī)律必然要和采場覆巖破斷規(guī)律相結(jié)合，采場基本頂側(cè)向頂板運動規(guī)律決定著沿空留巷圍巖的活動規(guī)律。本章在分析采場基本頂側(cè)向結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性進行了分析，揭示了采場側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)運動對沿空留巷的影響，并對影響留巷支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素進行了分析。由于不同條件沿空留巷礦壓規(guī)律的顯現(xiàn)特征各異，因此，本章在對典型留巷頂板賦存條件分析歸類的基礎(chǔ)上，對不同頂板條件下沿空留巷充填體支護阻力進行了分析計算。 3.1采場基本頂側(cè)向結(jié)構(gòu)分析 3.1.1采場側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的基本特征 采場上覆巖層的活動、特別是側(cè)向頂板巖層的破斷是引發(fā)沿空留巷巷道壓力強烈和變形劇烈的主要原因，研究留巷首先應(yīng)該對側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)運動與破斷規(guī)律有所認識。 在研究沿空留巷側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時，應(yīng)用關(guān)鍵層理論的基本原理和方法是適宜的，對沿空留巷影響最大的關(guān)鍵層主要是基本頂，因此，我們僅研究基本頂斷裂、運動、穩(wěn)定對沿空留巷支護圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。由于工作面的回采，采空區(qū)上覆巖層垮落，基本頂初次來壓形成“O-X”破斷，周期來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。沿空留巷時，基本頂破斷形態(tài)如圖 3.1.1 所示。 圖 3.1.1 沿空留巷基本頂破斷的基本形態(tài) 取垂直于工作面推進方向的剖面，工作面回采后采空側(cè)上覆巖體的斷裂如圖 2-2所示。工作面推過后，隨著煤層的采出，直接頂巖層隨之發(fā)生不規(guī)則或規(guī)則的垮落下沉，最終與其上位的基本頂巖層發(fā)生離層?；卷攷r層在直接頂垮落后，發(fā)生斷裂、回轉(zhuǎn)或彎曲下沉，直至在采空側(cè)形成如圖3.1.2 中所示的巖體A、塊體B、塊體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)充滿程度及基本頂巖層的斷裂參數(shù)密切相關(guān)。上覆巖體垮落穩(wěn)定后，沿空留巷位于塊體B的邊緣或下方，由此可見，塊體B對于沿空留巷上覆巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定非常重要。 圖 3.1.2 沿空留巷側(cè)向頂板破斷規(guī)律 3.1.2采場側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析 3.1.2.1頂板結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵塊體的確定 沿空留巷上覆巖體結(jié)構(gòu)的形成與直接頂、基本頂二者的性質(zhì)、厚度以及采高相關(guān)，結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵塊體B主要包括三個基本尺寸：基本頂巖層在側(cè)向的斷裂跨度 l、塊體沿工作面推進方向的長度L和塊體的厚度h，以及塊體的斷裂位置，關(guān)鍵塊體B的基本尺寸通過基本頂巖層在周期來壓時的斷裂模式和周期來壓步距確定。 （1）L 的確定 關(guān)鍵塊體B沿工作面推進方向的長度L即為基本頂周期來壓時的步距，其值可以通過現(xiàn)場觀測或理論計算獲得。 （2）l的確定 關(guān)鍵塊體B在側(cè)向的斷裂跨度l是指隨著煤層的采出，基本頂巖層斷裂后在采場側(cè)向形成的懸跨度，根據(jù)板的屈服線分析法，認為板的斷裂跨度l與工作面長度S和基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄郘相關(guān)，l的長度可用下式進行計算： 根據(jù)研究，當S/L>6時，周期來壓時的側(cè)向跨度與周期來壓步距基本相等?；卷斨芷趤韷翰骄嘁话銥?0~20 m左右，工作面的長度S一般為120~250 m，即S/L約為6~12。故一般可以認為，長壁開采基本頂?shù)膫?cè)向斷裂跨度與基本頂周期來壓步距近似相等，即 L=l。 （3）h的確定 關(guān)鍵塊體B的厚度h即為基本頂巖層的厚度。 （4）斷裂位置 基本頂巖層的斷裂位置在沿空留巷上覆巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究中，是一個很重要的參數(shù)，它對煤體中的垂直應(yīng)力分布規(guī)律、沿空留巷的合理位置確定及巷道外部力學環(huán)境的演化均有很大的影響。影響基本頂巖層斷裂位置的因素很多，主要有采深、原巖應(yīng)力狀態(tài)、煤層厚度及性質(zhì)、直接頂厚度及性質(zhì)、基本頂巖層厚度及性質(zhì)、采高等。通過計算機數(shù)值模擬研究了基本頂在側(cè)向煤壁內(nèi)的斷裂位置及影響因素，認為對基本頂斷裂位置影響大的順序依次為：直接頂厚度>直接頂?shù)牧W性質(zhì)>基本頂?shù)暮穸?煤層的力學性質(zhì)。其中前兩個因素對斷裂位置的影響遠大于后兩個因素的影響。 3.1.2.2側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析 沿空留巷在本工作面回采時，側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生破斷、失穩(wěn)，其過程可歸結(jié)為： 1) 老頂巖層破斷后，塊體B將在回轉(zhuǎn)力矩的作用下向本工作面回轉(zhuǎn)下沉，進而破壞了工作面前方頂板結(jié)構(gòu)原有的平衡狀態(tài)，側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)中的塊體C和關(guān)鍵塊體B處于運動和不穩(wěn)定狀態(tài)，從而引發(fā)塊體B的一定下沉，在工作面后方形成較高的支承壓力。如圖3.1.2所示。 2) 上覆巖體結(jié)構(gòu)在較高支承壓力的作用下，塊體B將有一定的回轉(zhuǎn)下沉。側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的這種運動和不穩(wěn)定狀態(tài)將造成沿空留巷圍巖應(yīng)力的再次重新分布和集中，其影響程度遠大于工作面前方圍巖應(yīng)力的重新分布和集中。 3）采場側(cè)向結(jié)構(gòu)造成的強烈支承壓力集中現(xiàn)象，導致相對軟弱的留巷支護圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生大范圍變形破壞，同時這種附加采動支承壓力的不均勻性使得巷道頂板、底板、實體煤幫及充填體在變形方式和變形量上存在較大的差異。 4) 上覆巖體側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)從破斷時起，直到工作面后方圍巖活動趨于穩(wěn)定，由于各塊體間的支承條件并沒有改變，故仍會保持隨機的平衡狀態(tài)，不同的是塊體間的受力情況發(fā)生了一定的變化。因此，在本工作面推過后，側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不會受到根本的改變，因而只要巷道支護合理，巷道錨桿支護與圍巖形成的支護圍巖結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，巷道就不會受到破壞，側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定平衡狀態(tài)只有在下一工作面推過后才會被打破，進而發(fā)生失穩(wěn)，造成巷道的徹底破壞。 理論研究表明，側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)即關(guān)鍵塊體B的結(jié)構(gòu)具有自穩(wěn)性能。在垂直方向，關(guān)鍵塊體受到充填體和冒落矸石的支撐力之和，大于關(guān)鍵塊體與上覆軟弱巖層的重量、前后兩塊體C對塊體B的剪切力之和，塊體B不需要塊體A對其向上的作用力即能保持平衡，計算結(jié)果表明關(guān)鍵塊體不會發(fā)生滑落失穩(wěn)。關(guān)鍵塊體B與塊體A、塊體C之間的水平推力較小，塊體B不會發(fā)生轉(zhuǎn)動失穩(wěn)。顯然此時關(guān)鍵塊體B是穩(wěn)定的，因此沿空留巷側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)在工作面回采結(jié)束，上覆巖體垮落穩(wěn)定后是自穩(wěn)的。 3.2沿空留巷支護結(jié)構(gòu)分析 3.2.1沿空留巷支護結(jié)構(gòu)的概念及特征 沿空留巷的穩(wěn)定不僅取決于巷道外部的力學環(huán)境，還與巷道支護結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性相關(guān)。采用錨桿為基礎(chǔ)的留巷支護技術(shù)體系主要是通過在巷道圍巖中布置錨桿，使錨桿索、輔助構(gòu)件及其錨固范圍內(nèi)的圍巖形成一個整體承載結(jié)構(gòu)，通過該結(jié)構(gòu)良好的承載性能和對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。相對于沿空留巷上覆巖體的結(jié)構(gòu)而言，這個由巷旁充填墻體、巷道周圍錨桿組合支護與圍巖形成的承載結(jié)構(gòu)稱為留巷支護結(jié)構(gòu)。 留巷支護結(jié)構(gòu)由巷道頂板錨固結(jié)構(gòu)、底板無錨巖體結(jié)構(gòu)、實體煤幫錨固結(jié)構(gòu)和充填墻體組成。大量的工程實踐表明，留巷支護結(jié)構(gòu)的變形和破壞存在明顯的非均衡現(xiàn)象，在留巷支護結(jié)構(gòu)的破壞過程中，相對薄弱的部分將對留巷支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。在沿空留巷條件下，由于留巷支護結(jié)構(gòu)中各部分受工作面采動影響時變形破壞的程度不同、錨桿加固效果存在差異、應(yīng)力環(huán)境各不相同。留巷支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性取決于各組成結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及各結(jié)構(gòu)間的相互影響關(guān)系。當巷道底板較軟弱時，底鼓嚴重，進而會造成巷道兩幫的大變形；當煤體較軟弱時，幫部的大變形將導致巷道空間不足、頂板嚴重下沉，同時由于底板集中應(yīng)力分布的不均衡性，軟弱底板的鼓起也是不對稱的。 留巷圍巖穩(wěn)定性與采場側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的位態(tài)有很大關(guān)系，采場側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時，傳遞到留巷支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力是一定的，留巷結(jié)構(gòu)容易保持穩(wěn)定；采場側(cè)向頂板回轉(zhuǎn)或下沉時，將造成留巷支護結(jié)構(gòu)的強烈動壓影響和大變形，留巷支護結(jié)構(gòu)不易穩(wěn)定。留巷支護結(jié)構(gòu)客觀上受采場側(cè)向巖體賦存條件、結(jié)構(gòu)特征及二次應(yīng)力分布等因素制約，具有顯著的不均衡性。支護結(jié)構(gòu)需適應(yīng)強烈的采動影響，防止留巷支護結(jié)構(gòu)失效是留巷圍巖控制的根本，這就需要支護結(jié)構(gòu)具有雙重性。一方面，留巷支護結(jié)構(gòu)要有較大的承載能力，對其外部圍巖可以起到“支”的作用。留巷支護結(jié)構(gòu)由錨桿及其錨固范圍內(nèi)的圍巖組成，由于錨桿對圍巖的強度強化作用，相當于提高了巷道周圍錨固區(qū)的整體強度，因此，圍巖結(jié)構(gòu)的承載能力得到了較大的提升。另一方面，留巷支護結(jié)構(gòu)對圍巖應(yīng)力要有良好的適應(yīng)性，可以起到“讓”的作用。在錨桿支護實踐中，巷道發(fā)生大變形而不破壞的例子很多，其根本的原因在于錨桿及其錨固范圍內(nèi)的圍巖向巷道。 內(nèi)移近而不破壞，使巷道圍巖應(yīng)力重新分布，將支護體上的壓力向其外部圍巖轉(zhuǎn)移，避免支護體的破壞，起到一定“讓”的作用。 3.2.2沿空留巷支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素分析 由于層狀圍巖賦存的不均勻性，留巷支護結(jié)構(gòu)的變形與破壞也呈現(xiàn)非均勻的特點，并可能因某一部分發(fā)生顯著變形破壞而導致留巷支護結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)。根據(jù)沿空留巷的特點和對采場側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)的分析，認為影響留巷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素主要有以下幾點： 1) 留巷頂板的承載性能 留巷頂板包括三部分，即巷內(nèi)頂板、充填區(qū)域頂板和實體煤頂板，每部分頂板均對留巷支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要影響。超前采動影響時，頂板基本能保持完整。滯后采動應(yīng)力遠大于超前采動應(yīng)力，滯后采動應(yīng)力作用于實體煤頂板，導致頂板明顯下沉，實體煤幫在強烈的垂直應(yīng)力作用下發(fā)生大范圍松散破壞，從而加劇了留巷頂板的下沉。部分頂板甚至在此強烈動壓作用下失穩(wěn)垮冒。因此，通過合理的支護方式，保持留巷頂板的完整性是首要之所在。 充填區(qū)域頂板的承載性能也很重要。如果頂板比較破碎，漏冒嚴重，充填體不能將支撐阻力傳遞給直接頂，導致老頂回轉(zhuǎn)下沉量加大，因而造成巷道頂板和巷道煤幫嚴重破壞，則沿空留巷難以成功。 2) 充填體的承載性能 充填體作為支護結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，是巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵之一。充填體承載性能應(yīng)與煤體、頂?shù)装宄休d能力相協(xié)調(diào)。若充填體強度不足，則易在強烈的滯后采動應(yīng)力作用下發(fā)生變形破壞，從而使巷道頂板的承載作用降低，進而導致頂板向充填體側(cè)采空區(qū)下沉破壞，造成留巷支護結(jié)構(gòu)破壞。若充填體強度、剛度較大，則巷道頂板可能沿充填體內(nèi)側(cè)切頂，同樣造成頂板下沉嚴重，圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。充填體剛度非常高時，充填體將上覆巖層垂直應(yīng)力全部轉(zhuǎn)移到巷道底板，從而將導致嚴重底鼓。 因此，合理的充填體強度和寬度應(yīng)與留巷支護結(jié)構(gòu)其他部分相協(xié)調(diào)。合理的充填體尺寸和強度，將有助于關(guān)鍵塊體盡快穩(wěn)定，并能適應(yīng)其回轉(zhuǎn)下沉。合理的充填體尺寸和強度使其與巷道的實體煤幫共同承載，改善留巷支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀況，保證留巷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。 3)實體煤幫的承載能力 在沿空留巷巷道兩幫中，實體煤幫的變形破壞程度明顯大于充填墻體，而且對實體煤幫最為不利的是，因工作面采動而產(chǎn)生的垂直應(yīng)力明顯地向巷道實體煤幫深部和充填墻體上集中，巷道頂板所承受的載荷并不大，實體煤幫和充填墻體是主要的承載結(jié)構(gòu)，且以實體煤幫最為明顯。當實體煤幫產(chǎn)生過大變形時，將會造成頂板的傾斜下沉和底板的嚴重鼓起。因此，重視實體煤幫的承載問題，將對留巷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定起到很大的作用。 雖然實體煤幫完整性較好，但其應(yīng)力集中程度是最大的，在掘巷穩(wěn)定期間，煤幫的變形主要由淺部圍巖的變形破壞引起；采動應(yīng)力調(diào)整期間，幫部煤體垂直應(yīng)力的集中系數(shù)較大，導致深部圍巖也發(fā)生大范圍變形移近。工程實踐也發(fā)現(xiàn)，實體煤幫的破壞隨著垂直應(yīng)力的增加而不斷向深部煤體中擴展，常常因過大的垂直應(yīng)力向巷道內(nèi)強烈內(nèi)移而導致變形失穩(wěn)。因此，重視實體煤幫的支護問題，將對沿空留巷圍巖的穩(wěn)定起到很大的作用。通過合理的錨桿布置加固巷道幫角，既可以強化幫角的圍巖強度，又可以減弱幫角的應(yīng)力集中程度，使幫角的應(yīng)力集中向圍巖較深部轉(zhuǎn)移。 4) 底板的無約束處理 沿空留巷的底板一般為強度較低的軟弱巖體，巷道掘進期間，巷道的圍巖應(yīng)力相對較低，底板一般能保持穩(wěn)定。采動影響時期，上覆巖體將引起巷道圍巖應(yīng)力的上升，增大的垂直應(yīng)力作用在實體煤幫、充填體上，并傳遞到底板巖層中。而底板通常處于自由約束狀態(tài)，底板巖層極易發(fā)生鼓起，并導致淺部圍巖中的應(yīng)力卸載并向著較深部圍巖轉(zhuǎn)移。 沿空留巷的圍巖變形實測結(jié)果表明，在巷道頂?shù)装宓南鄬σ平恐?，底板的鼓起是十分明顯的，約占到頂?shù)装逡平康?60％～70％左右，造成這一現(xiàn)象的主要原因是圍巖應(yīng)力在巷道幫角的集中程度較高。如果底鼓量過大，兩幫必將因下沉量過大而引起破壞，造成巷道圍巖失穩(wěn)。 因此，控制底板的嚴重鼓起是保持留巷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的又一重要問題。目前為止，對沿空留巷底鼓控制的技術(shù)難題還沒有得到很好的解決，需進一步深化研究，推動沿空留巷底鼓控制技術(shù)的進步。 3.3 沿空留巷典型條件頂板結(jié)構(gòu)實例分析 沿空留巷是將已采工作面后方的回采巷道用一定的方法沿采空區(qū)保留下來，作為下一工作面的回采巷道，應(yīng)用較多的是采用巷旁充填帶的方式進行留巷。已有研究表明，頂板條件、煤層條件不同時，沿空留巷的礦壓顯現(xiàn)差異很大。在不同的頂板和開采煤層條件下，充填墻體的構(gòu)筑及承受的載荷也有相當大的差異，因而只有在頂板分類的基礎(chǔ)上研究充填體巷旁支護阻力才能反映問題的實質(zhì)。 3.3.1 淮南礦業(yè)集團顧橋煤礦1115（1）工作面 顧橋煤礦1115(1)工作面位于-780 m水平，北一采區(qū)，工作面標高-622～-773.0 m，地面標高+23.1～+24.03 m。周圍及上下煤層均未開采。走向長2701.1～2718.7 m，平均2709.9 m，傾斜長229.4 m，面積621651.06 m2。工作面煤層賦存穩(wěn)定，工作面鉆孔揭露11-2煤層厚度2.5～3.61 m，平均厚度2.94 m，傾角3°～10°，平均5°。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含 2～3 層炭質(zhì)泥巖夾矸。根據(jù)首采工作面情況分析，受斷層和滑動構(gòu)造影響煤層厚度變化較大。11-2煤直接頂為復(fù)合頂板，由砂質(zhì)泥巖、泥巖和 11-3煤層組成，其中薄煤層不穩(wěn)定。部分地段老頂砂巖直接覆蓋在煤層之上。煤巖層綜合柱狀圖如圖 3.1.1所示。 圖3.1.1 顧橋煤礦1115(1)工作面鉆孔柱狀圖 顧橋煤礦1115(1)工作面回風平巷直接頂為兩種賦存狀況，一種情況下直接頂由砂質(zhì)泥巖、泥巖和11-3煤層組成，另一種為砂巖直覆頂板。巷道表面位移觀測結(jié)果表明，頂板賦存條件不同，留巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律區(qū)別較大。工作面前方，復(fù)合頂時頂?shù)装逡平皂敯逑鲁翞橹?，單一頂時頂?shù)装逡平缘坠臑橹鳎覐?fù)合頂時礦壓顯現(xiàn)更為強烈。工作面后方，復(fù)合頂與單一頂相比，復(fù)合頂頂板下沉量、底鼓量分別為單一頂?shù)?.5倍和1.3 倍，而復(fù)合頂時充填側(cè)變形量、非回采側(cè)變形僅是單一頂時的70%和80%。 3.3.2 皖北煤電集團臥龍湖煤礦103工作面 103 工作面為臥龍湖煤礦首采工作面，工作面機巷標高為-530～-402 m，風巷標高為-515～-397 m。可采煤層為10煤，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，無夾矸，煤層傾角平均9°，工作面煤厚0.3~3.05 m，平均2.52 m。工作面西北部和切眼附近，位于巖漿巖侵蝕邊界附近，受巖漿巖侵蝕影響，部分煤層已變質(zhì)為天然焦。機巷位于巖漿巖侵蝕邊界附近，受巖漿巖侵蝕影響，局部煤層可能出現(xiàn)增厚或變薄現(xiàn)象。風巷里段被巖漿巖侵蝕，此時頂板為厚層巖漿巖，受其影響，煤層變薄，煤厚0.5～1.5 m，現(xiàn)已揭露25 m煤層變薄帶，根據(jù)三維地震資料，風巷里段異常區(qū)范圍約120 m左右。煤層賦存柱狀圖如圖3.2.1所示。 圖3.2.1 臥龍湖煤礦103工作面煤層賦存柱狀圖 老頂：以灰色粉砂巖、泥巖為主，水平緩波狀層理，鈣質(zhì)膠致密，局部含菱鐵結(jié)核。厚度3.7～18.72 m。 直接頂：泥巖，灰黑色—黑色，均一結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，易碎，含炭質(zhì)及植物碎片化石，參差狀斷口，厚度4.04～21.83 m，平均厚13.47 m。巖漿巖侵蝕區(qū)直接頂頂板局部為巖漿巖。巖漿巖，灰白色，粗砂狀，塊狀結(jié)構(gòu)，厚層狀，質(zhì)硬，厚度約2～4 m。 底板：深灰色泥巖、粉砂巖，塊狀構(gòu)造，含較多植物根部化石，具滑面。厚度1.5～ 13.07 m。 臥龍湖煤礦103工作面風巷里段頂板為巖漿巖侵入，巷道頂板為厚層巖漿巖直覆；機巷直接頂為平均厚度達13.47 m的泥巖。由留巷礦壓觀測結(jié)果可知，頂板賦存條件對沿空留巷礦壓顯現(xiàn)影響很大。巷道表面位移觀測結(jié)果表明，超前采動階段，泥巖頂巷道礦壓顯現(xiàn)較巖漿巖直覆巷道更為強烈；工作面后方，巖漿巖直覆時巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)更為強烈，巖漿巖直覆時充填體側(cè)變形量、頂板下沉量分別為200 mm、210 mm，而泥巖頂巷道充填體側(cè)變形只有140 mm、170 mm。 3.3.3 沿空留巷頂板結(jié)構(gòu)實例分析 頂板條件對留巷礦壓顯現(xiàn)、充填體支護阻力等均有重要影響，因此，在研究充填體支護阻力、頂板垮落特征之前，首先需對頂板條件進行分類。本文根據(jù)直接頂厚度和采高的比值將工程實踐中接觸到的幾種典型頂板條件分為 3 種類型，分別為厚層直接頂、薄層直接頂、無直接頂。 厚層直接頂：當直接頂厚度較大，且直接頂巖性基本為 1~3 類頂板易垮落的巖層，回柱或移架后頂板能及時垮落，充滿采空區(qū)。頂板垮落后冒落矸石隨遠離工作面被逐漸壓實，使上部未冒落巖石在不同程度上重新得到支撐，這種頂板條件稱為厚層直接頂。 薄層直接頂：直接頂厚度大于采高的0.3倍但小于采高的3~5倍，垮落后不能充滿采空區(qū)，當采空區(qū)冒落矸石不能完全充滿采空區(qū)時，上覆巖層大部分呈懸空狀態(tài)，采空區(qū)上覆未垮落巖層的重量將通過梁或板的形式傳遞到采空區(qū)周圍煤體、煤柱或充填體上。這種頂板條件稱為薄層直接頂。無直接頂：此種條件下直接頂過薄或無直接頂，基本頂不能隨移架而垮落，即在堅硬頂板條件下，基本頂呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，破斷時將形成強烈的來壓顯現(xiàn)。 根據(jù)以上標準對顧橋煤礦 1115(1)工作面回風平巷、臥龍湖煤礦103工作面頂板賦存狀態(tài)進行判定。1115(1)工作面回風平巷直接頂為兩種賦存狀況，一種直接頂由砂質(zhì)泥巖、泥巖和 11-3煤層組成，直接頂厚度為3.97 m，由于垮落帶高度為采高的3~5倍，顯然此種條件下直接頂垮落后不能充滿采空區(qū)，可以判定，頂板賦存特征為薄層直接頂；另一種為砂巖直覆頂板，根據(jù)頂板賦存結(jié)構(gòu)可以判定，此種條件頂板賦存特征為無直接頂。 臥龍湖煤礦103工作面風巷里段頂板為巖漿巖侵入，巷道頂板為厚層巖漿巖直覆，根據(jù)頂板賦存結(jié)構(gòu)可以判定，臥龍湖煤礦103工作面風巷里段頂板賦存特征為無直接頂；機巷直接頂為平均厚度達13.47 m的泥巖，由于垮落帶高度為采高的3~5倍，垮落帶高度為7.56~12.6 m，因此臥龍湖煤礦103工作面機巷頂板垮落后能充滿采空區(qū)，根據(jù)頂板賦存結(jié)構(gòu)可以判定，頂板賦存特征為厚層直接頂。 4 沿空留巷適用條件 沿空留巷圍巖穩(wěn)定是在地應(yīng)力和采動支承壓力的共同作用下，巷道圍巖結(jié)構(gòu)（強度）與巷道支護體互相作用，最終達到力學平衡的結(jié)果。因此，沿空留巷圍巖穩(wěn)定性是由應(yīng)力環(huán)境（地應(yīng)力和采動支承壓力、圍巖結(jié)構(gòu)、巷道支護體三者組成的一個力學系統(tǒng)的平衡狀態(tài)決定的。深部礦井開采過程中，很多礦區(qū)進行了沿空留巷工程試驗，既有成功的經(jīng)驗，也有失敗的教訓。大量的案例證明：在深部礦井開采中，并不是所有的礦井地質(zhì)與采動條件都適合于沿空留巷，也就是說:沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用是有條件的。其中， 1. 應(yīng)力是由煤 埋藏深度和構(gòu)造運動決定的； 2. 采動支承壓力是由覆巖結(jié)構(gòu) 工作面采動參數(shù)決定的； 3. 圍巖結(jié)構(gòu)是由煤 所 的 位 其沉積環(huán)境決定的； 4. 而巷道支護體的形 和強度是由目前的技術(shù)水平?jīng)Q定的。 沿空留巷成功的關(guān)鍵技術(shù)之一是留巷的穩(wěn)定性，即在地應(yīng)力和采動引起的動態(tài)支承壓力的作用下，所留巷道的圍巖（包括頂板、底板、一側(cè)煤體和一側(cè)巷旁充填體）基本保持穩(wěn)定，總體變形量有限且在允許的范圍內(nèi)，巷道形狀和斷面積滿足工作面通風、運輸和行人的基本要求。因此， ①對沿空留巷的圍巖穩(wěn)定性進行分類； ②確定適宜進行沿空留巷的 質(zhì)條件； ③研究 種（幾種）適應(yīng)沿空留巷覆巖運動特點的留巷工 ； 是保證在全 范圍內(nèi)推廣沿空留巷成功的必要途徑。沿空留巷圍巖結(jié)構(gòu)的重要特點是： （1）巷道頂板、 板和 側(cè)煤體經(jīng)歷了本工作面采動形成的動態(tài)支承壓力影 ，整體強度降低； （2）沿本工作面?zhèn)鹊南飵蜑槿斯こ涮铙w。 因此，應(yīng)在研究不同 應(yīng)力場和采動支承壓力場動態(tài)耦合規(guī)律的基礎(chǔ)上，分別對巷道頂板、 板、煤體和巷旁充填體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行分析， 圍巖變形量為控制指標，對沿空留巷的整體穩(wěn)定性進行評價和分類。 在深部礦井，由于地應(yīng)力高，圍巖強度呈現(xiàn)“高應(yīng)力軟巖”特征，區(qū)段平巷在第一個工作面超前支承壓力的作用下往往會產(chǎn)生很大的變形甚至破壞。在第一個工作面后方側(cè)向老頂巖梁回轉(zhuǎn)下沉過程中，在老頂巖梁及直接頂巖層的共同作用下，沿空留巷承受的壓力急劇增大，留巷變形劇烈，表現(xiàn)為底板鼓起和充填體被壓壞等現(xiàn)象，不能滿足下一個工作面回采時的通風、設(shè)備運輸及行人的要求。因此，提出了“預(yù)留變形巷旁充填沿空留巷技術(shù)”。該技術(shù)的核心思想是： ① 據(jù)沿空留巷變形量預(yù)計結(jié)果，設(shè)計巷旁充填體的高度為巷道原 高度與預(yù)計的巷旁充填體的最大變形量之差； h:巷道高度；hr:風囊高度；hc: 充填高度 ②采用柔性恒阻讓壓風囊安裝在充填體上部，阻 采空區(qū)的瓦斯。風囊的高度等于充填體預(yù)留的高度。在老頂巖梁回轉(zhuǎn)下沉過程中，風囊在保持 定阻力的情況下可 隨著老頂巖梁 起壓縮變形， 此保證巷旁充填體不被壓壞。 ③當柔性風囊壓縮到接近不可壓縮的程度時， 時回撤出來； ④采用單體 壓支護配合鉸接頂梁加強支護并對直接頂進行（或人工爆破）切頂，對老頂進行讓壓 定變形； ⑤后期 據(jù)巷道圍巖變形情況對巷道 板進行起（臥）擴修。 4.1 沿空留巷變形分析 Ⅰ.在煤體內(nèi)開掘巷道后，破壞了原始應(yīng)力狀態(tài)，巷道圍巖出現(xiàn)應(yīng)力集中，在圍巖塑性破壞發(fā)展過程中，巷道周邊發(fā)生顯著移近。隨著掘進時間延長，圍巖移近速度將逐漸降低。 Ⅱ.掘巷引起的應(yīng)力重新分布趨向穩(wěn)定后，由于煤層一般具有流變性質(zhì)，巷道圍巖仍保持一定變形速度。 Ⅲ.在上區(qū)段工作面超前支承壓力作用下，圍巖塑性區(qū)進一步擴大，圍巖變形增長較快。 Ⅳ.在工作面后方巖梁 裂前彎曲下沉 巖梁 裂后顯 運動過程中，基本頂巖梁運動迫使巷道頂板 速下沉，將造成很大的下沉量。 Ⅴ.在基本頂觸矸后，隨著采空區(qū)矸石壓實，巷道圍巖移近速度逐漸趨于穩(wěn)定。 Ⅵ.回采引起的頂板活動和應(yīng)力分布趨向穩(wěn)定后，巷道圍巖保持一定的流變速度。 Ⅶ.受下區(qū)段工作面回采影響時，由于支承壓力疊加使煤柱塑性區(qū)顯著增大，引起巷道 圍巖變形。 留巷在整個服務(wù)期間的圍巖變形量為： u=u0+u1+u3+u4+u5，mm 4.2 巷旁充填體變形量預(yù)計 沿空留巷的圍巖變形 要是由巖梁彎曲沉降和顯 運動引起的，正確預(yù)計這部分變形量即可對留巷的全部變形量作出大概預(yù)計。 由于沿空留巷巷道要經(jīng)歷覆巖運動發(fā)展到穩(wěn)定的全過程，巷旁充填體不可能對基本頂巖梁的運動加 制，只能 制直接頂運動，因而巷道頂板下沉量由基本頂運動的位態(tài)決定 。 通過實 確定基本頂巖梁運動特征參數(shù)，特別是端部裂 位置和采空區(qū) 矸 位置，即可對留巷的 要變形量作出預(yù)計。 得 如 （為巖石碎脹系數(shù)），則上式為巖梁彎曲下沉和顯著作運動過程中的巷道變形量，即： 式中：C——充填帶中線與巖梁端部裂斷線間的水平距離，m L——巖梁懸跨度（端部裂斷線到觸矸點間的水平距離），m mz——直接頂厚度，m KA——巖石碎脹系數(shù)，1.30～1.35 Kc ——矸石壓實后的殘余碎脹系數(shù)，1.00～1.05 同理，壓實矸石過程中的巷道變形u3為： 受頂板活動影 造成的總變形量U23： 4.3 采空區(qū)充填支護技術(shù) 4.3.1巷旁充填技術(shù) 巷旁充填材料包括高水材料、石膏、采空區(qū)矸石、高性能混凝土、高壓磚、預(yù)制砼塊。本文主要介紹高水材料、采空區(qū)矸石和高性能混凝土。 4.3.1.1高水材料充填 高水材料用于采空區(qū)充填有著工藝簡單、凝結(jié)速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。 為減小開采引起的地表建、構(gòu)筑物的變形，采礦工程的采空區(qū)一般需要支護或充填，傳統(tǒng)的充填材料主要有兩類：一是以硅酸鹽水泥摻加水玻璃等的充填料，但該類材料的使用壽命短(通常僅可用2~3 a)，且存在作業(yè)固化時間長，材料浪費等缺點；二是以高分子為主的充填材料，近年來，科研人員已研制出高水速凝固材料(簡稱高水材料)，它是一種價格低廉，使用方便，并具有一定力學性能的可泵性支護材料，高水材料可替代木材、鋼材使用，充填工藝簡單，凝結(jié)速度快，可減少固化劑的用量。 高水材料填充技術(shù)作為一種新方法，已在某些礦區(qū)開展了試驗性研究。 與傳統(tǒng)的充填材料比較，該材料具有以下優(yōu)點：a. 漿材顆粒細，滲透性能好；b. 主、配料單獨加水攪拌而成的漿液24 h 不凝結(jié)，相同水灰比的主、配料漿1：1 混合使用，混合漿液凝結(jié)時間十幾秒至幾小時隨意可調(diào)；c. 混合漿液凝結(jié)時基本不析水，結(jié)石強度高，抗?jié)B性好，微膨脹，不龜裂及凝結(jié)后受擾動甚至破壞后具有再結(jié)膠性能；d. 價格低，又特 別適合高水灰比情況下使用，所以成本較低。 高水速凝固化充填材料是由中國礦業(yè)大學北京研究生部研制成功并獲國家專利的一種新型膠凝材料, 它由甲乙兩種粉末狀材料組成。其中甲料的主要成分是硫酸鋁鹽水泥熟料和石灰, 乙料為硬石膏和石灰石, 使用時甲乙料按配制。該材料可用于采空區(qū)填漏、井下防滅火、錨噴支護、道路搶修等。近幾年在冶金礦山充填采礦中逐漸得到推廣應(yīng)用。高水速凝固化充填材料與水泥等膠結(jié)材料相比, 其主要特點是調(diào)配的漿液在很大的水固比條件下（體積含水率達85%~95%）， 可以實現(xiàn)5~30min的快速凝固、硬化, 最終形成一種強度達2~5MPa的固態(tài)結(jié)晶體。加人充填骨料后, 注人充填體, 可以形成人工承重石。所形成的固化體具有較高的長時強度, 在含水、潮濕環(huán)境下能夠保持其性能的穩(wěn)定, 不會發(fā)生逆變?？稍?~68%的濃度范圍內(nèi), 根據(jù)需要任意調(diào)節(jié)充填骨料濃度, 一般不大于73%。高水材料含量一般在6%~10%范圍內(nèi)調(diào)節(jié), 高水材料含量越多, 充填體強度越高, 反之則越低。 在加人尾礦、廢石、河砂等充填骨料條件下, 甲乙兩種材料的漿液在混合前可保持24h不凝固、不結(jié)底、不堵管。充填料漿懸浮性能強, 可泵性能較好。 通過泵送或自流到采場的充填漿液, 不需脫水, 在5~30min開始初凝, 凝結(jié)速度快。材料充填后, 充填體不干縮, 具有微膨脹性, 能夠?qū)崿F(xiàn)完全接頂。 利用高水材料進行膠結(jié)充填采礦, 在一定意義上實現(xiàn)了膠結(jié)充填采礦法的變革。利用這種材料形成的充填體, 具有明顯的優(yōu)點一是其強度較高。特別是充填后膠凝早, 發(fā)展速度快, 能夠快速承受采礦后上覆頂板的壓力。二是其穩(wěn)定性好, 長時間強度不衰減, 不脫水。三是充填后具有微量膨脹特性, 有利于充填體的完全接頂, 減少頂板下沉量。四是充填在較高含水條件下進行, 無排水, 不需多余的排水設(shè)備, 工藝簡單。五是充填材料的管路輸送性能好, 管路磨損小。六是采充交替周期短, 有利于提高勞動組織和勞動生產(chǎn)率。七是材料無毒、無害、無污染。 充填骨料的選擇是確保充填質(zhì)量好壞的關(guān)鍵, 其材料應(yīng)具有抗壓強度高, 可輸送性好, 材料來源廣, 價格低等特點。根據(jù)煤礦特點, 可選用采礦研石廢渣或研石破碎后的碎片、河砂、電廠粉煤灰等作為充填骨料, 顆粒直徑一般為0.037~0.100mm.。 4.3.1.2采空區(qū)矸石充填 一種用于煤礦井下的矸石充填采空區(qū)的方法，在回采工作面外設(shè)矸石倉，將井下掘進矸石或地面矸石轉(zhuǎn)運到矸石倉，用破碎機破碎，由回采面上巷運矸皮帶機運至回采面上端?；夭擅嬗贸涮钪Ъ芑蛴泻筇搅旱闹Ъ苤ёo。當支架為自移式時，在支架后探梁上吊掛小皮帶機，并隨支架前移。當支架為非自移式時，小皮帶機設(shè)置在后探梁下的底板上，用移溜裝置前移。在小皮帶機上設(shè)置自移式卸矸小車，將小皮帶機由回采面上端轉(zhuǎn)運至采空區(qū)一側(cè)的矸石卸至采空區(qū)。本發(fā)明除具有一般充填所共有的減少地表下沉，有效地處理礦井矸石，減少矸石山的占地面積和污染等優(yōu)點外，還具有系統(tǒng)、設(shè)備、技術(shù)簡單，投資少，成本低的特點。 一、矸石充填意義： 1. 煤矸石不升井，減少運輸費用，減少地面占地和環(huán)境污染。 2. 煤矸石充填采空區(qū)實現(xiàn)以矸換煤，可以減少地表下沉，使對土地和建筑物的破壞降到最低，減少賠償費用。 3. 煤矸石充填采空區(qū)，減少對頂?shù)装迤茐模瑥亩鴾p少頂?shù)装逅挠砍?，降低回采工作面水患威脅、提高回采效率、提高煤質(zhì)和降低排水費用。 4. 煤矸石充填采空區(qū)，將采空區(qū)底板覆蓋上密實的充填體，減少瓦斯涌出，保證回采快速、安全。 5. 煤矸石充填采空區(qū)，將靠近留巷段的采空區(qū)充實，可以保證充填留巷效果，降低留巷費用。從而實現(xiàn)無煤柱開采，提高煤炭資源回收率，減少巷道掘進量，緩解采掘接續(xù)緊張。 6. 更有利于分儲分運效能的發(fā)揮，有利于單軌吊系統(tǒng)的運行和徹底消滅井下地軌。 7. 成熟、高效的充填技術(shù)可為受水害威脅的后組煤開采打下堅實的基礎(chǔ)。 二、煤矸石充填方式的選擇： （一）泵送膏體充填方式： 1. 國外膏體充填： 膏體充填技術(shù)在國外金屬礦山已經(jīng)有20多年的發(fā)展歷史。世界上首次膏體充填試驗是1979年在德國格倫德鉛鋅礦進行的。試驗成功以后，膏體充填技術(shù)在澳大利亞、奧地利、加拿大、英國、摩洛哥、葡萄牙、俄羅斯、南非、美國等國家的金屬礦山得到了推廣應(yīng)用。 2. 國內(nèi)膏體充填： （1）“八五”、“九五”期間，甘肅金川有色金屬公司與北京有色冶金設(shè)計研究總院合作，利用國家重點科技攻關(guān)項目“全尾砂膏體泵送充填工藝及其設(shè)備研究”，在金川二礦區(qū)建成了我國第一條主要利用洗選尾砂、棒磨砂和粉煤灰的膏體充填工藝系統(tǒng)，其中，水泥漿獨立泵送，在井下離充填點20-30m處與集料膏體漿液混合，與水泥漿混合后的膏體充填料漿重量濃度為82%，水泥用量平均280kg/m3，充填體最終抗壓強度大于4MPa。該套膏體充填工藝系統(tǒng)采用德國施維英公司生產(chǎn)的KSP-140HDR礦用充填泵，泵送壓力13MPa，充填能力100m3/h，利用自制的雙軸連續(xù)攪拌機制漿，由美國霍尼韋爾公司生產(chǎn)的TDC-3000型工業(yè)集散控制系統(tǒng)實現(xiàn)了計算機控制。該項成果2000年獲得了國家科技進步二等獎，并在銅綠山礦得到推廣應(yīng)用。 （2）河北金牛能源邢東礦自2001年11月投產(chǎn)以來就致力于矸石充填項目研究，與中國礦業(yè)大學合作，經(jīng)過33個月的探索試驗，最終形成了完備的井下矸石充填系統(tǒng)——把礦井生產(chǎn)中產(chǎn)生的矸石，填到井下那些不能開采的建筑物永久煤柱里，不但實現(xiàn)矸石不升井，避免占用土地和環(huán)境污染，而且還可以把常規(guī)方法不可能采出的煤炭資源采出，提高資源開發(fā)率。 （3）山東新汶礦業(yè)集團孫村煤礦地表煤矸石充填系統(tǒng)正式生產(chǎn)開工典禮于2006年9月15日上午舉行。?中國恩菲電氣系統(tǒng)部和礦機專業(yè)承擔該項目充填工藝的主體設(shè)計、電力、儀表、控制系統(tǒng)等設(shè)計工作，并承包了該項目的全部配電設(shè)備、控制系統(tǒng)設(shè)備、自動化儀表的集成工作。在短短一個月的時間內(nèi)，完成了現(xiàn)場調(diào)試工作，并順利投入生產(chǎn)。該項目采用孫村煤礦生產(chǎn)的廢棄物煤矸石為骨料，配合粉煤灰和水泥為添加物，充填能力80-100 m3/h，礦漿濃度為72%。該項目的實施既可以解決煤矸石占地和排放廢氣的環(huán)保問題，也可以利用充填物作為支撐，替換井下保留的煤柱，是一個環(huán)保和經(jīng)濟效益雙贏的項目。該項目在國內(nèi)煤炭行業(yè)是第一家將充填工藝用于工業(yè)化生產(chǎn)的煤礦，也是中國恩菲在煤炭行業(yè)承擔的第一個充填項目。 （4）山東華恒礦業(yè)有限公司自2007年11月份開始調(diào)研泵送矸石充填系統(tǒng)，首先與泰安海天工程機械有限公司合作研發(fā)矸石回填泵，在地面做工業(yè)性試驗，取得成功。2008年7月確定了泵送矸石充填設(shè)備配套及布置方案，在十三層工作面經(jīng)過一個月的充填試驗，達到預(yù)期效果，每小時平均充矸能力50m3。208年9月份華恒礦業(yè)公司第二套充填系統(tǒng)應(yīng)用，實現(xiàn)了矸石不升井。 （二）機械輸送、原生矸石充填方式 新汶礦區(qū)應(yīng)用比較廣泛的其它充填方式為機械輸送方式，一般采用皮帶機（需施工專用巷道）、溜子運輸矸石，利用拋矸皮帶將矸石拋擲于采空區(qū)，或綜采支架后方懸吊溜子將矸石卸至采空區(qū)。 （三） 膏體充填技術(shù)相對于機械充填技術(shù)的優(yōu)缺點： （1）優(yōu)點：與機械充填相比，系統(tǒng)簡單、不需獨立的充填運輸巷道，占用人員少、勞動強度低、占用設(shè)備少，充矸能力大。 （2）缺點：技術(shù)要求比較嚴格，工藝復(fù)雜，管道輸送時常常因為大摩擦損失或高管道壓力引起管道堵塞等。 三、煤矸石充填技術(shù)方案： 一種矸石充填采空區(qū)的方法：①在回采工作面外部設(shè)置矸石倉，將井下產(chǎn)生的矸石轉(zhuǎn)運到矸石倉，在矸石倉出口處安裝破碎機，將矸石破碎成小塊，或者將地面經(jīng)破碎的矸石轉(zhuǎn)運到矸石倉；②在回采工作面上巷安裝運矸皮帶機，將經(jīng)破碎的矸石，由矸石倉下運至回采工作面上端；③在回采工作面采用充填支架支護，或者使工作面支架后部有足夠長的后探梁，在回采工作面采空區(qū)一側(cè)、后探梁之下預(yù)留輸送及填矸空間；④在所說的回采工作面采空區(qū)一側(cè)、后探梁之下，設(shè)置小皮帶機；當支架為自移式支架時，小皮帶機吊掛在支架的后探梁上，隨支架的前移而前移；當支架為非自移式支架時，小皮帶機設(shè)置在支架的后探梁之下的底板上，小皮帶機的底部帶滑橇，用移溜裝置前移小皮帶機；由小皮帶機將運至回采面上端的矸石，轉(zhuǎn)運到回采面采空區(qū)一側(cè)；⑤在小皮帶機上設(shè)置自移式卸矸小車，用卸矸小車將小皮帶機上的矸石卸至采空區(qū)。 4.3.1.3高性能混凝土充填 （一）定義 高性能混凝土（High performance concrete,簡稱HPC）是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土。它以耐久性作為設(shè)計的主要指標，針對不同用途要求，對下列性能重點予以保證:耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。為此，高性能混凝土在配置上的特點是采用低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，且必須摻加足夠數(shù)量的礦物細摻料和高效外加劑。 1950年5月美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）和美國混凝土協(xié)會（ACI）首次提出高性能混凝土的概念。但是到目前為止，各國對高性能混凝土提出的要求和涵義完全不同。 　　美國的工程技術(shù)人員認為：高性能混凝土是