采动波扰邻空煤巷稳定原理与控制技术

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的科学问题

1.4 研究内容及方法

2 煤岩材料承载变形本质力学行为

2.1 煤岩材料基础力学试验方法

2.2 煤岩材料变形数值试验方法

2.3 煤岩材料破裂数值试验方法

2.4 煤岩工程体稳定性评价方法

2.5 本章小结

3 煤岩结构面承载损伤的行为特征

3.1 煤岩结构面相似物理模型

3.2 煤岩结构面单轴抗压特性

3.3 煤岩结构面-维冲击特性

3.4 受冲煤岩结构面损伤特性

3.5 本章小结

4 煤岩结构面扰动应力波透射规律

4.1 应力波透射煤岩结构面试验方法

4.2 应力波透射煤岩结构面数值试验

4.3 应力波透射煤岩结构面数值修正

4.4 应力波透射煤岩结构面理论解析

4.5 本章小结

5 采动波扰邻空煤巷变形控制机理

5.1 采动煤岩动静应力场时空演化规律

5.2 动静载叠加作用邻空煤巷变形特征

5.3 动静载叠加作用邻空煤巷破坏机理

5.4 动静载叠加作用邻空煤巷稳定控制

5.5 本章小结

6 采动邻空煤巷围岩控制工程试验

6.1 双巷掘进工程试验

6.2 沿空掘巷工程试验

6.3 迎采掘巷工程试验

6.4 沿空留巷工程试验

6.5 本章小结

7 主要结论

参考文献

1绪论

1.1研究背景及意义

低碳新能源开采是世界能源战略转型兼顾环境友好发展的新方向,涉及天然气、页岩气、煤层气、可燃冰、地热等资源「1,受制于资源赋存状态、现有技术水平和能源消费结构,低碳新能源的开采仍处于技术攻关和工业性试验的初期阶段，无法满足人们日常生产生活的需求。作为能源和工业原料,煤炭正由粗放、污染、低效利用向精细、环保、高效利用转变,清洁高效和分质分级利用技术的发展给煤炭资源的应用带来了新机遇[]。随着开采强度(深度)的增加以及开采技术(方法)的进步，决定开挖空间围岩承载能力的应力场、位移场、裂隙场以及渗流场将发生显著变化,因此,预测不断受扰变化的邻空煤巷围岩承载能力是进行煤矿重大灾害防控、保障煤炭绿色智能开采、提升国家能源安全的关键,尤其对于邻空煤巷快速掘进开挖卸荷诱发的围岩承载弱化问题,其特征参数(弹性区、塑性区、破裂区)的量化表征是该类邻空煤巷快速掘进的前提和基础。

采动覆岩运动会产生侧向支承应力、超前支承应力及动载应力,使局部煤岩层处于动静载叠加承载震动状态[3],该震动以应力波的形式向周围煤岩体辐射，衰减后作用于邻空煤巷围岩,应力平衡遭受动载波扰，邻空煤巷从静力加卸载诱发的累积应变状态过渡到瞬时高应变率状态,随着静载应力的增加，该邻空煤巷受同样动载波扰产生的动力灾害逐渐凸显，承载弱化特征参数重新分布,局部发生动态破裂，诱发不同等级、不同类别的矿山压力显现[。典型的结果为迫使邻空煤巷承受高动静载叠加作用，出现动态劈裂、离层冒顶、冲击地压等工程动力灾害。这类动力灾害是危害人员生命、损坏机电设备以及制约安全生产的主要影响因素。因此,揭示动载波扰邻空煤巷动态变形机理是指导工作面回采邻空煤巷围岩稳定控制、解决该类岩体工程动力灾害的有效途径之一。

邻空煤巷围岩将经历煤巷快速掘进卸荷扰动和工作面高效回采动载波扰两个阶段,主要服务于双巷掘进、沿空掘巷、迎采掘巷、沿空留巷等工作面回采巷道56。其稳定性不仅受制于动力荷载的扰动作用，还面临其动态变形与支护体抵抗动态变形的耦合作用,而广泛应用的锚杆支护对该类动态变形控制停留在传统的离层限制及位移限制，忽略了邻空煤巷围岩分层动态破裂诱发的局部层裂垮冒作用,确定的锚杆支护参数也还处于工程试验阶段,很难定量表征具体工程地质条件下邻空煤巷围岩的锚杆支护参数,往往造成“盲目尝试、边掘边修、出力不出工”的窘境，影响煤巷快速掘进,造成现代化高产高效矿井采掘接替紧张的局面。因此,确定采动波扰邻空煤巷动态变形控制机理是表征该类巷道围岩锚杆支护参数、评价该类工程是否安全稳定的基础，具有良好的工程实践意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1采动邻空煤巷附加应力形成机理

采动邻空煤巷围岩附加应力的主要来源是采场覆岩承载结构的运动6。上覆岩层的承载结构决定了巷道围岩所承载的动载强度，从而影响邻空煤巷围岩的稳定性。国内外学者提出了很多理论和假说,其中较成熟的理论代表主要有“悬臂梁”假说、“压力拱”假说、“铰接岩块”假说、“砌体梁”理论“传递岩梁”理论和“关键层”理论等[]。这些假说和理论在一定的历史时期内对现场起到了重要的指导作用,又在实践中不断得到修正、优化和改进并逐步发展至今，在越来越多的生产实践中不断得到验证、优化和完善。“悬臂梁”假说将采空区顶板看作悬臂梁结构,其一端固定在岩体中,另一端处于自由状态，当悬臂梁长度达到一定程度时，顶板便会发生断裂，从而引起周期来压[8。“压力拱”假说认为,工作面开采后会在工作面上覆岩层形成一个拱形结构，两个支撑点分别是工作面一侧煤体和采空区内垮落的矸石[]。“铰接岩块”假说认为,工作面开采后上覆岩层会形成垮落带和移动带两部分，,移动带岩块之间属于铰接结构[10]。“砌体梁”理论给出了采场上覆坚硬岩层周期断裂诱发的力学扰动及结构形态[1]。“传递岩梁”理论给出了岩层移动和采动支承压力的关系，认为支承压力具有内外应力场[12]。“关键层”理论认为坚硬顶板会由弹性地基梁(板)转变为砌体梁,转变的过程即为采动支承应力演化的过程[13]。

采动覆岩运动对邻空煤巷围岩的支承应力作用多集中于邻空煤巷围岩对破断稳定承载结构的支撑作用[1422],采空区覆岩未垮落岩层的部分重量会经断裂后稳定的承载结构向下方传递。分离岩块力学模型会考虑直接顶岩层的重量，但忽略了顶板岩层的稳定性和其自身的承载能力,适用于求解基本顶和直接顶较为坚硬、完整的薄煤层和中厚煤层邻空煤巷围岩支承压力。顶板倾斜力学模型考虑了直接顶和基本顶的共同作用，通过调节顶板倾斜度来计算邻空煤巷围抵抗动态变形的耦合作用,而广泛应用的锚杆支护对该类动态变形控制停留在传统的离层限制及位移限制，忽略了邻空煤巷围岩分层动态破裂诱发的局部层裂垮冒作用，确定的锚杆支护参数也还处于工程试验阶段，很难定量表征具体工程地质条件下邻空煤巷围岩的锚杆支护参数,往往造成“盲目尝试、边掘边修、出力不出工”的窘境，影响煤巷快速掘进,造成现代化高产高效矿井采掘接替紧张的局面。因此，确定采动波扰邻空煤巷动态变形控制机理是表征该类巷道围岩锚杆支护参数、评价该类工程是否安全稳定的基础，具有良好的工程实践意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1采动邻空煤巷附加应力形成机理

采动邻空煤巷围岩附加应力的主要来源是采场覆岩承载结构的运动[]。上覆岩层的承载结构决定了巷道围岩所承载的动载强度，从而影响邻空煤巷围岩的稳定性。国内外学者提出了很多理论和假说,其中较成熟的理论代表主要有“悬臂梁”假说、“压力拱”假说、“铰接岩块”假说、“砌体梁”理论、“传递岩梁”理论和“关键层”理论等[]。这些假说和理论在一定的历史时期内对现场起到了重要的指导作用,又在实践中不断得到修正、优化和改进并逐步发展至今,在越来越多的生产实践中不断得到验证、优化和完善。“悬臂梁”假说将采空区顶板看作悬臂梁结构,其一端固定在岩体中,另一端处于自由状态，当悬臂梁长度达到一定程度时,顶板便会发生断裂，从而引起周期来压[8。“压力拱”假说认为，工作面开采后会在工作面上覆岩层形成一个拱形结构,两个支撑点分别是工作面一侧煤体和采空区内垮落的矸石[]。“铰接岩块”假说认为,工作面开采后上覆岩层会形成垮落带和移动带两部分，移动带岩块之间属于铰接结构[10]。“砌体梁”理论给出了采场上覆坚硬岩层周期断裂诱发的力学扰动及结构形态[1]。“传递岩梁”理论给出了岩层移动和采动支承压力的关系，认为支承压力具有内外应力场12]。“关键层”理论认为坚硬顶板会由弹性地基梁(板)转变为砌体梁,转变的过程即为采动支承应力演化的过程[13]。

本书以紧紧围绕采动邻空煤巷围岩稳定控制科学问题，采用理论分析、力学解析、物理模拟、数值计算、原位监测、现场试验等研究方法，按照材料承载行为→界面承载损伤→应力分布规律→巷道变形规律→巷道破坏机理→巷道稳控技术→工程示范的研究思路。