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工学硕士学位论文区段煤柱宽度合理留设研究河北工程大学2013年5月 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/摘要煤炭是我国的主要能源，也是重要的化工原料，其在我国的一次性能源结构 中所占比重长期在70%以上，因此，煤炭工业在我国国民经济中占有举足轻重的 作用。我国煤炭资源尽管丰富，但人均占有量相对较少，所以提高煤炭资源回收 率仍是我国煤炭企业必须面对的重要问题之一。区段巷道一般布置在煤层中沿顶板掘进或摸煤层底板掘进，而且要经历两次 采动影响，故巷道的掘进与维护存在着难度大、安全性差、成本高等问题。为了 保护区段巷道，目前主要从巷道布置、支护方式和区段巷道煤柱留设等方面考虑。以上几个方面都在我国各个矿区均有成功的应用经验，如巷道布置上提出了厚煤 层内错式和外错式布置方法，巷道支护提出了二次补强支护，区段间留设窄煤柱 或宽煤柱乃至不留煤柱的沿空掘巷和沿空留巷护巷方式等实用技术。本文以西山煤电集团西曲矿为实例，运用FLAC3D有限差分软件，采用数值模 拟方法，主要针对区段煤柱宽度合理留设、区段巷道布置以及巷道保护方面展开 研究，最后对各种模拟计算结果进行综合分析并与理论研究相结合，提出了合理 的区段煤柱宽度、巷道布置形式及支护参数，从而可以在保证安全生产的前提下 提高采区煤炭资源回收率。关键词：数值模拟；区段煤柱；采区巷道；资源回收率 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/AbstractCoal is the main energy in China,but also an important chemical raw materials,its share in the energy structure in China the proportion of long-term in more than 70%,therefore,play a decisive role in the coal industry plays a role in Chinas economy.Although our country is rich in coal resources,but the per capita amount is relatively small,so one of the important problems to improve the recovery rate of coal resources in China is still coal enterprises must face.The general layout of section roadway in coal seam tunneling along the roof or touch floor of coal seam excavation,and to experience the dynamic effects of two times,there are problems,poor safety,high cost,so the roadway excavation and maintenance.In order to protect the section tunnel,mainly from the support and section roadway coal pillar,roadway layout,consider.The above aspects in our experience has been used successfully as every mining area,roadway layout on the thick coal seam in fault type and fault type layout method,roadway presents two supplement support,segment between the setting of narrow coal pillar width of coal pillar and or without leaving coal pillar along gob the roadway along goaf roadway and the mode of practical technology.Taking Xishan Coal Group Xiqu mine as an example,using FLAC3D finite difference software,using numerical simulation method,mainly in aspects of section coal pillar width of reasonable design,section roadway layout and roadway protection research,the last of a variety of analogthe calculation results of a comprehensive analysis and theoretical study of the combination of reasonable coal pillar width,roadway layout form and supporting parameters,which can improve the recovery of coal resources of the mining area to ensure safety in production under the premise.Keywords:numerical simulation;section coal pillar;district roadway;recovery rate of resources 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/目录摘要.VAbstract.II第1章绪论.11.1 问题的提出.11.2 国内外研究现状及动态.11.2.1 合理煤柱尺寸国内外研究动态.11.2.2 厚煤层区段巷道布置发展动态.21.2.3 煤巷支护技术发展动态.21.2.4 沿空掘巷窄煤柱稳定性研究现状.21.2.5 综放沿空掘巷围岩控制机理及支护技术研究.41.3 研究目的与意义.71.4 研究内容.71.5 研究方法与技术路线.8第2章 不同宽度区段煤柱巷道围岩受力特征及矿压分析.92.1 不同宽度区段煤柱巷道围岩边界条件.92.1.1 区段煤柱巷道布置方式.92.1.2 关键层理论确定上部边界条件.102.2 不同宽度区段煤柱巷道围岩结构特征.112.2.1 巷道围岩赋存特征.112.2.2 不同区段煤柱巷道围岩结构特征.122.3 回采巷道矿压显现特点.142.3.1 受采动影响巷道的围岩变形.142.4 受采动影响实体煤巷道围岩受力分析.152.4.1 原岩体内掘进巷道引起的围岩应力.152.5 煤体一煤柱巷道围岩受力分析.202.5.1 煤柱中的支撑压力分布特征.202.5.2 煤柱的变形特征.232.6 煤体一小煤柱巷道围岩受力.24ill 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/目录2.6.1煤体一小煤柱巷道围岩变形.242.7本章小结.26第3章区段煤柱宽度留设设计理论.273.1 影响煤柱留设宽度的因素.273.1.1 应力集中系数对煤柱宽度的影响.273.1.2 煤层强度对煤柱宽度的影响.283.1.3 煤厚对煤柱宽度的影响.303.1.4 采深对煤柱宽度的影响.303.2 煤柱宽度确定方法研究.313.2.1 沿空掘巷的最隹位置.313.2.2 煤柱宽度确定方法.313.2.3 煤柱宽度确定方法比较.313.3 煤柱合理宽度的理论计算.323.4.沿空掘巷的围岩变形破坏特征.353.5 沿空掘巷窄煤柱巷道锚杆支护原理.363.6 沿空掘巷窄煤柱巷道锚杆与围岩相互作用机理.383.7 沿空掘巷窄煤柱巷道围岩控制理论.383.7.1 沿空掘巷窄煤柱巷道支护原理.393.7.2 沿空窄煤柱巷道支护的核心问题.403.8 本章小结.40第4章数值模拟研究.424.1 FLAC3D软件简介.424.1.1 概述.424.1.2 FLAC3D软件的功能.434.1.3 FLAC3D的应用范围.444.1.4 FLAC3D 特点.444.2 计算模型.444.2.1 主要计算参数.444.2.2 荷载.454.2.3 模型的选取.454.3 数值计算的主要内容.454.4 计算结果与分析.464.4.1 塑性区计算结果.464.4.2 位移分布计算结果.48 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/4.4.3 应力分布计算结果.514.4.4 结果分析.544.5本章 小结.55结论.56参考文献.58致谢.61作者简介.62攻读硕士期间发表的论文和科研成果.62v 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第1章绪论1.1 问题的提出据统计，全国煤矿矿井回采率仅在30%左右，与国外矿井回采率最高为85%相比，相差悬殊。矿井开采煤炭损失主要包括工业场地保护煤柱、巷道煤柱、构 造保护煤柱等。目前，留设煤柱保护采准巷道仍是我国许多煤矿采取的主要护巷 方法，国外大多数国家也是如此。煤柱留设对采准巷道的保护起到了关键作用，但同时也损失了大量的煤炭资源。例如采用综放开采时，工作面外的煤炭损失占 采区总损失的61%,而仅区段煤柱的损失量就占到36.7%,而且随区段煤柱宽度的 增大而增加。目前，我国煤矿对于区段间煤柱留设主要有以下几种：一是留设大煤柱，煤 柱宽度在30m以上，这样在两个区段间的煤柱中存在弹性应力核，使上下区段的 采动互不影响，该种方式对煤炭资源浪费较严重；二是留设小煤柱，煤柱宽度在 10-30m之间不等，受地质条件影响，该种方式容易在煤柱中形成叠加应力区，煤 柱遭到破坏，起不到护巷作用，且煤炭损失也较大；三是无煤柱开采，即沿空掘 巷和沿空留巷两种护巷方式，该开采技术目前在国内矿井推苕使用，最大优点是 大幅度提高了采区回采率。1.2 国内外研究现状及动态1.2.1合理煤柱尺寸国内外研究动态国内外关于合理区段煤柱尺寸的研究主要是从理论推导、数值模拟、现场实 测等方面入手，并取得了一些初步成果。国内的一些教科书及专著中基本达成如下共识：即回采或开掘巷道后煤柱边 缘产生应力集中，煤柱边缘形成塑性区，靠近采空区侧和巷道侧塑性区宽度分别 为X。和R,而煤柱中部仍处于弹性状态，形成弹性核，采动后煤柱保持稳定的基 本条件是：“弹性核”宽度不应小于煤柱高度（采高M）的两倍，故煤柱宽度 BX0+2M+R国外也有很多种煤柱设计方法，大都是基于煤矿房柱式开采方形煤柱现场实 测及实验室测试的基础上提出的经验公式，应川于回采巷道煤柱的较少，总的来 说煤柱强度与煤柱宽度、高度及实验室的试样强度有关，煤柱的合理尺寸则与煤1 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/柱强度以及煤柱载荷有关。1.2.2厚煤层区段巷道布置发展动态美国、澳大利亚等世界主要产煤国家，其采煤方法以短壁式开采于60年代 初引进到了美国，并在Western和Illinois煤田进行了多年应用，开采煤层厚度在 1.14.0m,并取得了优于房柱式开采的成绩。为了追求最大采出率，美国十分注 重煤柱尺寸的合理性。同时通过研究分析指出了煤柱的强度受煤柱尺寸、内部结 构、围压以及动态荷载的控制。澳大利亚为了防治地表下沉和破坏生态环境，他 们也采用留煤柱支撑顶板，与美国不同的是，他们主要运用的是条带开采中留设 煤柱。这更需要研究采宽和煤柱之间的比例关系和煤柱的宽度问题。美国、澳大利亚等先进产煤国家在上山和区段平巷布置中均采用无岩巷全煤 巷多巷布置，其中上山一般由68条煤巷组成，平巷一般由35条煤巷组成，各煤巷间留设810m的煤柱。这种布置的最大优点是可以不掘或少掘岩巷，并能 充分发挥其煤巷快速掘进和锚杆支护的优势，提高采区的安全可靠性。我国煤矿巷道布置在70年代以前学习前苏联的经验，曾主要采用双巷布置留煤 柱护巷系统，但由于当时的巷道支护技术落后，留煤柱护巷困难。80年代在厚煤 层分层开采中提出了内错式和外错式布置区段巷道，取得了较好的现场实施效果。另外在厚煤层综采和综放开采时，将区段巷道沿煤层顶板或底板布置，但是工作 面丢三角煤较多，推广效果一般。1.2.3煤巷支护技术发展动态国内外矿山巷道支护技术总的来讲经历了从木支架向刚性金属支架、可缩性 金属支架，到锚杆支护发展的过程，形成了包括各种料石砧、混凝土砧、喷射混 凝土、梁网及桁架锚杆、锚索、锚注、高强度混凝土弧板支架等多种支护形式，其中u型可缩性支架和锚杆被公认为是井下支护技术上的两次重大突破。支护形式也由单一的锚杆支护逐渐发展出有多种组合形式，如：钢拱架支护，U型钢支护，喷射混凝土支护，锚杆支护，喷锚支护，锚网支护，锚喷网支护和网 壳支护，全锚索支护等。1.2.4沿空掘巷窄煤柱稳定性研究现状长期以来，留煤柱护巷方式一直是我国煤矿井工开采的主要方式。我国先后 在开滦、阳泉、平顶山等矿区的三、四十个工作面进行了沿倾斜方向煤体残余支 撑压力的现场观测，取得了大量的观测结果。丰城矿物局坪湖煤矿，在煤层厚度2 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2.4m、倾角200的煤体中观测到沿倾斜方向距煤体边缘3m范围内的煤体应力较小，应力峰值区大约位于1222m范围内，支撑压力影响的峰值位置距煤体边缘12m。同时发现，支撑压力峰值随着时间变化向煤体内部转移。淮北杨庄矿的观测结果,从煤体边缘至煤体内部7m处为塑性区，其中03.5m为松弛区；煤体内7m以外 为弹性区，其中711m为弹性应力升高区，11m以外逐步恢复到原始应力区。从国内外研究发展趋势总体来看，留设煤柱护巷的方式受各种条件限制，主 要有两种趋势，一种为宽煤柱方式，目的是为了避开压力峰值，减少对巷道的破 坏；另一种为窄煤柱或无煤柱留巷方式，两者在不同条件下都有比较广泛的应用，研究与发展水平也各具特色。与中厚煤层和厚煤层分层开采一样，综放工作面采放以后，在其相邻的煤体（柱）上和一定范围的冒落区内将形成增压区、减压区、免压区。当右边工作而采 放后，由于煤层采放厚度大，冒落肝石和剩余浮煤难以充满采空区，老顶下沉并 在采空区边缘发生断裂，煤体上的顶板弯曲并以一定角度向采空区倾斜，侧向支 撑压力向煤体内转移。在顶板弯曲下沉、支撑压力转移过程中，边缘煤体被破坏,形成一定厚度的破碎区，同时，在煤体边缘一定范围内（一般。7m）内形成应力 降低区，为沿空掘巷创造了有力条件。国内外采用多种手段从不同角度研究应力分布和变形与破坏状态是分析煤柱 稳定性的重要依据。国内外在这方面做过许多现场观测、试验研究和理论研究。前苏联乌日洛夫矿观测了距采空区不同距离内开掘的巷道变形。结果表明，采空区边界附近煤体的支撑压力明显影响范围约为10m,位于支撑压力最大影响 带（46m）内的巷道产生失稳和较大变形。南非尔岗煤田通过对煤体边缘残余支撑 压力的观测，得出最大支撑压力作用在煤体边缘10m处。我国早在上个世纪70年代，为配合推广无煤柱护巷技术，先后在开滦、阳泉、平顶山等矿区的三、四十个工作面进行了沿倾斜方向煤体残余支撑压力的现场观 测，取得了大量的观测结果。1985年，西安科技大学吴绍倩教授在对采场及沿空煤柱矿压规律进行了深入 研究，结合实际矿井观测结果，系统的提出了无煤柱开采技术，并将该技术在实 际矿井进行了应用和推广。通过现场观测结果，对于煤体边缘的力学状态可以分为：卸载松散区、塑性 强化区、弹性变形区、原始应力区。在具体的采矿与地质条件下，有些因素影响采空区边缘煤体应力分布和力学 特征。文献根据国内15个矿区24个矿井27个工作面的观测统计分析，得出主 要影响因素有，煤体硬度、直接顶岩性、煤层倾角、煤层采高及开采深度，并得 出卸载带宽度、塑性带宽度Lp和影响带宽度匕的计算公式。3 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/上世纪7080年代，国内许多院校和研究院所利用相似材料模拟，进行了有 关煤体边缘应力分布的实验研究。西安科技大学通过相似材料模拟实验，验证了 采深采高、倾角和直接顶等力学参数对沿倾斜支撑压力的影响，并得出最大应力 集中系数K关系式 重庆大学采用立体相似模拟，得出煤体边缘支撑压力的近似 关系，认为支撑压力峰值距煤体边缘35m,峰值压力集中系数约为1.5,支撑压 力影响范围为25m左右。理论研究方面，国内许多学者借助弹性力学建立煤体边缘的力学平衡方程，经过必要的简化和假设，以及利用某种强度准则（如摩尔-库伦强度准则）确定塑性 区宽度，并获得煤体边缘弹性应力区、塑性应力区应力分布的解析表达式。这些 研究普遍存在忽略剪应力等问题，国内有学者对此进行了修正，推出基于极限平 衡理论的煤体边缘塑性区内应力、塑性区宽度的关系式s可。考虑综放开采条件和 倾角因素的影响，谢广祥等也应用弹塑性极限平衡理论，分析得出综放面倾向煤 柱支撑压力峰值位置的计算式及分布规律。刘洋在总结大量煤柱研究的基础上研究了煤柱强度和变形规律，煤柱破坏过 程以及合理的煤柱宽度留设方法。李庆忠对综放面小煤柱护巷进行了分析，研究 了综放条件下的窄煤柱的变形破坏机理。1.2.5综放沿空掘巷围岩控制机理及支护技术研究1.2.5.1锚杆支护原理及技术研究综放工作面上、下两巷的支护形式和维护状况直接关系到综放工作面产量、效率、效益、采出率的提高和安全状况的改善。我国过去两巷长期使用金属支架,由于金属支架属于被动支护，支护阻力一般偏低，造成巷道维护困难，安全状况 恶化，特别是回采工作面上、下端头和超前支护复杂，严重影响了回采工作面的 推进速度，影响了综放生产能力的发挥。近期，我国高强度、超高强度树脂锚固 锚杆支护系统和小孔径锚索的试验成功，开创了综放实体煤巷道支护技术的新局 ffio国内高地应力巷道一般采用二次支护理论，即巷道支护分两次进行，一次支 护在保持巷道稳定的前提下，允许围岩有一定的变形以释放压力；隔一定的时间 后实施二次支护，保持巷道的长期稳定。但是，这种理论目前已遇到了极大地挑 战，在深部动压影响区、构造应力带、软岩破碎带等地点，采用二次支护后仍出 现变形破坏等问题，甚至需要三次、四次支护，巷道周而复始地发生破坏，围岩 变形长期得不到有效控制。有关考虑深部巷道围岩变形的流变性、扩容性和冲击 性，分析深部巷道锚杆支护的作用，提出的高预应力、强力锚杆支护理论得到普 4 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/遍应用,25、其要点：(1)深部巷道围岩变形主要包括两部分：一是结构面离层、滑动、裂隙张开及 新裂纹产生等扩容变形，属于不连续变形；二是岩石的弹性变形、峰值强度之前 的塑性变形、锚固区整体变形，属于连续变形。由于结构面强度一般比较低，因 此掘巷以后，不连续变形先于连续变形。合理的深部巷道支护形式是大幅度提高 支护系统初期支护刚度与强度，有效控制围岩不连续变形术，保持围岩的完整性,同时支护系统应具有足够的延伸率，允许深部巷道围岩有较大的连续变形，使高 应力得以释放。(2)锚杆支护主用作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、裂隙张开、新裂纹 产生等扩容变形与破坏，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切 破坏的出现，最大限度地保持锚固区围岩的完整性，减小锚固区围岩强度的降低,使围岩成为承载的主体。在锚固体内形成刚度较大的预应力承载结构，阻止锚固 区外岩层产生离层，同时改善围岩深部的应力分布状态。(3)锚杆预应力及预应力的扩散对支护效果起着决定性作用。根据深部巷道条 件确定合理的预应力，并使预应力实现有效扩散是支护设计的关键。单根锚杆预 应力的作用范围是很有限的，必须通过托板、钢带和金属网等构件将锚杆预应力 扩散到离锚杆更远的围岩中。特别是对于巷道表面，即使施加很小的支护力，也 会明显抑制围岩的变形与破坏，保持顶板的完整。护表构件在预应力支护系统中 发挥极其重要的作用。(4)锚杆支护系统存在临界支护刚度，即使锚固区不产生明显离层和拉应力区 所需要支护系统提供的刚度。支护系统刚度小于临界支护刚度，围岩将长期处于 变形与不稳定状态；相反，支护系统的刚度达到或超过临界支护刚度，围岩变形 得到有效抑制，巷道处于长期稳定状态。支护刚度的关键影响因素是锚杆预应力，因此，存在锚杆临界预应力值。当锚杆预应力达到一定数值后，可以有效控制围 岩变形与离层，而且锚杆受力变化不大。(5)锚杆支护对深部巷道围岩的弹性变形、峰值强度之前的塑性变形、锚固区 整体变形等连续变形控制作用不明显，要求支护系统应具有足够的延伸率，使围 岩的连续变形得以释放。同时，为适应深部巷道围岩的冲击变形，要求锚杆有较 高的冲击韧性。(6)锚索的作用主要有两方面，其一是将锚杆支护形成的预应力承载结构与深 部围岩相连，提高预应力承载结构的稳定性，同时充分调动深部围岩的承载能力，使更大范围内的岩体共同承载；其二是锚索施加较大的预紧力，给围岩提供压应 力，与锚杆形成的压应力区组合成骨架网状结构，主动支护围岩，保持其完整性。(7)深部巷道应采用高预应力、强力锚杆组合支护，同时要求支护系统有足够的5 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/延伸量与冲击韧性。应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二次支 护和巷道维修。1.2.5.2综放沿空掘巷工程实践研究杨建辉等人加以峰峰矿区万年矿碎裂结构岩体顶板巷道为例，分析了巷道顶 板和两帮的破坏形式及其破坏原因。利用锚杆、锚索联合支护技术解决了巷道支 护稳定。杨淑华等人国在现场观测和动力学分析的基础上，研究了综放采场支架荷载 有时比分层开采大而有时小的力学机理，提出了综放采场的两种典型顶板结构以 及它们的静力和动力学特征，对综放支架的设计和选型有实际的指导意义。康红普国在分析深部高地应力巷道围岩变形与破坏特征并指出了目前锚杆支 护存在问题的基础上，提出了高预应力、强力支护理论与锚杆支护设计准则；通 过井下实测数据，分析深部矿井地应力分布特征，介绍了强力锚杆支护系统，包 括强力锚杆，强力钢带及强力锚索，完成了井下试验，井下试验表明，高预应力、强力锚杆支护系统能有效控制深部巷道强烈变形，保持围岩稳定。杨同敏加等人通过对潞安矿务局王庄矿4320综放面留5m窄煤柱的锚网支护 实践分析认为：掘进影响期巷道围岩变形量小，累计变形量顶底为38.06mm,两 帮为32.46mm,最大变形速度顶底为5.3mm/d,两帮为1.61mm/d,掘进50m后趋 于稳定；回采期间巷道两帮的变形量和变形速度均大于顶底，两帮相对变形量 为758.7mm,最大变形速度为77.1mm/d；顶底相对变形量为473.45mm,最大变 形速度为58mm/d。且顶煤下沉量大于底鼓量，占顶底移近量的77.3%；煤柱帮的 变形量大于实体煤帮的变形量，占两帮移近量的60%以上；巷道受采动影响的 范围较大，其中两帮为90100m,顶底为6070m。但巷道受采动国J烈影响范围 较小，顶底约为2025m,两帮约为3040m。陈学伟阿等人通过对鲍店煤矿1306综放窄煤柱沿空掘巷的矿压显现特征进行 研究后认为：工作面超前支撑压力影响范围大，一般为120160m,国J烈影响 为5060m；巷道变形量也大；巷道矿压显现表现出明显的周期性。一般为20m 左右；综放窄煤柱沿空掘巷的合理煤柱宽度为。4m,此时煤柱中应力值很小，巷道两帮及顶底板移近量都较小，当煤柱宽度在412m时，煤柱及实体煤中应力 较大，巷道变形量也增大，巷道留设大煤柱的合理尺寸为煤柱宽度大于16m,从 力学的观点看，在现有技术中锚杆加注浆是综放窄煤柱沿空掘巷的最隹支护方式。甘肃省靖远矿区的大水头煤矿、魏家地煤矿、红会一矿和红会四矿都采用了 综放开采沿空掘巷，谢俊文阿等人通过靖煤公司大水头煤矿中104工作面实际观 测，总结了沿空巷道及工作面在不同时期的矿压显现规律，分析了矿压显现机理 6 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/及各类影响因素，得出结论认为：(1)在高瓦斯松软破碎煤层条件下，留设57m护巷小煤柱是较为适宜的，使 煤柱体及巷道可靠地处于上区段采动支撑压力的相对降低带内，便于巷道锚网支 护施工及各类灾害的防治。若只从矿压角度考虑，7m的煤柱可进一步减小为4 5m,这样会使巷道的受力状况更隹。(2)上区段相邻巷道的支护方式对沿空巷道的后期维护管理有极其重要的作 用，上区段若采用锚网支护等主动支护手段，沿空巷道的变形收缩明显小于钢棚 支架等其它支护条件。(3)沿空巷道在回采时受到纵、横向支撑压力的迭加作用，因而在回采时的巷 道压力远大于掘进施工时期。(4)在沿空送巷条件下，远离采场的采空区上方仍存在砌体梁结构的基本顶。这种结构在失稳之前，能有效保护采场；随着工作面推进，当达到足够大的跨度 后，顶板将失稳回转，导致沿空巷道出现强烈的来压显现特征。(5)沿空送巷施工时既要重视两帮支护的作用，更应重视巷道底角及肩部的锚 杆支护作用，提高支护强度。窄煤柱综放开采技术在我国经过二十多年的发展，取得了一定的成功，目前 的研究多集中在采场上覆岩(煤)层的活动规律，如关键层理论和砌体梁理论的提 出和优化，而对综放开采巷道上方煤层的支撑压力分布规律及矿压显现规律等的 系统研究较少，理论还不够成熟。随着煤矿开采深度逐年增加，深井综放面沿空 掘巷窄煤柱受力和破坏规律较复杂，窄煤柱的稳定是沿空巷道围岩稳定性控制的 关键，它给沿空巷道的支护带来了新的问题。因此有必要对其进行系统的研究。1.3 研究目的与意义区段煤柱的留设一直是我国煤矿研究的热点问题之一，包括煤柱自身的稳定 性、巷道的稳定性以及二者间的关联性。解决好区段煤柱留设可以保证工作面安 全生产、大幅度提高煤炭采出率、加快企业科技进步，所以开展区段煤柱合理留 设技术研究项目经济和社会效益显著。1.4 研究内容(1)调研国内外区段煤柱宽度确定的理论依据、巷道布置方式、巷道支护形式 及相关参数，并分析各自的适用条件。(2)针对沿顶和摸底两种巷道的布置形式，模拟研究留设不同宽度煤柱时区段 7 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/巷道的稳定性，初步提出适合西山煤电集团实际的合理区段巷道煤柱尺寸；采用 数学、弹塑性力学等手段，理论分析研究影响煤柱宽度留设的因素，以期获得煤 柱宽度与各个因素之间的理论关系。(3)结合现场工业性试验，分析研究留设大煤柱和小煤柱开采时巷道围岩变形 破坏规律，观测分析巷道在掘进期间、采动期间的矿压显现特征。(4)根据现场矿压观测结合理论研究成果，分析掘巷期间和回采期间，巷道沿 走向和倾向布置时煤柱内部应力分布规律，确定应力集中位置及大小，确定合理 的煤柱宽度。(5)在确定了煤柱宽度和布置形式的条件下，确定和优化煤巷支护参数，保证 巷道回采期间正常使用。1.5 研究方法与技术路线本文以研究煤柱合理留设为目的，以西山煤电集团西曲矿为实例，建立 FLAC3D有限差分模型并进行数值模拟计算。通过对计算结果与实际数据地分析,得到既有一定理论价值又有显著实际意义的结论，具体研究技术路线如图1-1所/J o1-1技术路线Fig.1-1 Technical rout8 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第2章 不同宽度区段煤柱巷道围岩受力特征及矿压分析2.1 不同宽度区段煤柱巷道围岩边界条件2.1.1 区段煤柱巷道布置方式区段回采巷道在整个服务期内要受到掘进、回采及时间等因素的影响，且不 同阶段两帮煤体所处的几何及力学状态也不尽相同。根据区段回采的准备系统，按照巷道与采空区的相对位置关系，区段巷道可分为三种布置方式，根据这三种 布置方式将水平煤层区段巷道的两帮边界条件划分为以下三种类型，见图2-1 o（1）煤体-煤体巷道：位于未经采动的煤体内，巷道两侧均为煤体，称为煤体-煤体巷道（图2-laI）o薄煤层、中厚煤层和厚煤层上分层区的区段运输巷一般都 属于这种布置方式。（2）煤体-煤柱巷道：巷道一侧为煤体，另一侧为保护煤柱，如保护煤柱一侧的 采面已经完全采完且采动影响已稳定后，掘进的巷道称为煤体-煤柱（采动稳定）巷 道（图2-laII）；如与保护煤柱一侧的采面区段巷道同时掘出，或在保护煤柱一侧 的采面回采过程中，掘进的巷道称为煤体-煤柱（正采动）巷道（图2-laIII）o（3）煤体-采空区（或小煤柱）巷道：巷道一侧为煤体另一侧为采空区，如果采空 区一侧采动影响稳定后，沿采空区边缘掘进的巷道称为煤体-采空区（或小煤柱）巷 道，即岩空掘进巷道（图2-lbIV）；如果通过加强支护或采用其它有效方法，将相 邻区段巷道保留下来，供本区段工作面回采时使用的巷道，称为煤体-无煤柱（沿 空留巷）巷道（图2-lbV）o其中后两种巷道可统称为一侧已采空的巷道。煤柱护巷9 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/（b）无煤柱护巷图2-1区段巷道布置方式 Fig.2-1 Layout of the section roadway2.1.2 关键层理论确定上部边界条件钱鸣高院士创立的岩层控制中的关键层理论及砌体梁理论为合理确定回采巷 道围岩环境特征及其边界条件、正确认识围岩结构特征、深刻揭示回采巷道围岩 大变形特征的产生机理、准确把握支护一围岩共同作用规律以及确定合理的围岩 控制原则等提供了重要的理论依据。关键层理论指出，在煤系岩层中，由于成岩时间和成岩矿物成分等不同，使 各岩层的厚度及力学性质等方面存在着不同程度的差别。其中一些较为坚硬的大 厚度岩层一关键层在采、掘引起的岩层变形和破坏过程中起着主要的控制作用。它们以某种力学结构（板或简化梁等）形式支撑上部岩体的压力，且破裂后所形成 的结构形式（如砌体梁等）直接影响着采场矿压显现和岩层移动特征。依据采场岩层控制中的砌体梁理论，老顶岩层破断后将形成砌体梁结构，该 结构由煤壁一支架一采空区已冒落肝石支撑。运用关键层理论分析可知，破断岩 块上的载荷可近似为岩块自重以及关键层之间相应区域较软弱岩层的重量之和。回采巷道尤其是一侧已采空的回采巷道其支撑压力分布规律及围岩结构与采 场情况极为相似，因此，依据关键层理论及砌体梁理论，将老顶（关键层1）作为何 采巷道围岩的上部边界，边界上的载荷分两种情况确定：对于实体煤层中的巷道,上部边界上的载荷可近似为原岩应力；对于一侧已采空、老顶已断裂并形成砌体 梁结构的巷道，上部边界上的载荷可近似为砌体梁自重以及关键层1与关键层2 之间相应区域较弱岩层的重量之和。实体煤层中的巷道边界条件可确定为：距离两帮煤壁35倍巷宽处为左、右 边界，水平方向的边界条件为零位移约束；煤层下层面为底边界，铅垂方向的边 界条件为零位移约束；老顶上层面为上边界，边界条件为法向均布挤压载荷，载 荷大小近似等于原岩应力。10 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2.2 不同宽度区段煤柱巷道围岩结构特征2.2.1巷道围岩赋存特征围岩结构特征决定着回采巷道的矿压显现特征，而围岩的赋存特征即几何、力学特征决定着围岩的结构特征。回采巷道不同层位的围岩力学特征，如极限强度、变形模量等相差很大，但 随着应力状态的不同所表现出的强度特征及变形状态的宏观变化规律具有很强的 一致性。依据库伦-摩尔强度大于单轴抗压强度和格里菲斯强度理论不难得出以下 结论：回采巷道围岩的三轴抗压强度大于单轴抗压强度，单轴抗压强度大于纯剪 强度，压剪强度大于纯剪强度，纯剪强度大于抗拉强度，即受力状态的不同，将 使围岩表现出不同的强度特征。因此，控制围岩巷道所处的应力状态，使其较高 的抗压强度得以充分发挥，是岩体工程稳定性控制的关键之一。图2-2煤系岩层覆存特征Fig.2-2 The coal rock stratum existence character在煤系岩层中，由于成岩时间和成岩矿物成分等的不同，使各岩层在几何特 征及力学特征等方面存在着不同程度的差别，如图2-2所示。同时，由于采动影响 使各岩层所处的支撑状态（悬露状态及受约束状态等）不同，从而使何采巷道不同位 置的围岩处于不同的应力状态，并表现出不同的力学行为效应。煤层直接顶板通 常为泥岩、泥质页岩、砂质页岩及砂岩等，分层厚度小，强度及刚度低，在采动 影响下易发生破碎，一旦悬露则易发生不规则冒落：老顶岩层通常为砂岩、石灰 岩等，一般具有厚度大、强度及刚度高等特征，在采动影响下不易破碎成小尺度 块体，而是破断为较大尺寸的块体，悬露之后可能形成砌体梁式的平衡结构，结 构失稳后则呈现为规则垮落状态。煤层的强度及刚度通常都较低，在采动影响下11 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/易发生压裂破坏、压剪破坏以及混合型破坏，从而在煤体表面区域形成破碎区。可见，由于自身几何力学特征的差异以及采动后所形成的约束条件的不同，回采 巷道不同部位的围岩将呈现出不同的变形、破坏状态，从而形成复杂的围岩结构 特征形式。因此，为了正确掌握回采巷道的矿压特征，应系统分析围岩的结构特 征。2.2.2不同区段煤柱巷道围岩结构特征2.2.2.1煤体一煤体巷道巷道两帮均为未采动煤层时，由于岩层中被开挖的部分很小，故被扰动的巷 道围岩范围也较小。围岩矿压特征主要受掘进影响及采动的超前影响，这两种影 响在围岩中产生的力学效应均可近似认为具有对称性。通常，围岩的破坏区域也 具有对称性，且一般不会波及到老顶岩层。2.2.2.2 一侧已采空的巷道围岩结构特征由于采空区边界区域所对应的顶板岩层的岩性及支撑条件的不同，在因悬