1、目 錄1 選題背景及意義12 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀22.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀22.1.1 國(guó)外沿空掘巷研究綜述22.1.2 國(guó)外對(duì)煤柱的研究綜述22.1.3 國(guó)外巷道圍巖控制研究綜述32.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀42.2.1 國(guó)內(nèi)沿空掘巷研究綜述42.2.2 國(guó)內(nèi)對(duì)煤柱的研究綜述52.2.3 沿空巷道圍巖控制理論研究綜述62.2.4 沿空巷道圍巖控制技術(shù)研究綜述72.3 目前留小煤柱沿空巷道研究存在的問題93 論文的研究?jī)?nèi)容94 論文創(chuàng)新之處105 論文的時(shí)間進(jìn)度安排10參考文獻(xiàn)121 選題背景及意義能源是支撐人類文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ),是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展不可或缺的基本條件。煤炭是我國(guó)的主要能源，在一次能源的生產(chǎn)及消費(fèi)

2、結(jié)構(gòu)中分別占 76%和 69%，遠(yuǎn)高于國(guó)際能源25%的消費(fèi)水平。2012年煤炭產(chǎn)量達(dá)到 36.6 億噸，2013年全國(guó)煤炭產(chǎn)量36.8億噸，同比增長(zhǎng)0.8%1-2。煤炭開采技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展為促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。目前，我國(guó)煤礦開采和巷道圍巖控制技術(shù)基礎(chǔ)理論研究已取得了很大進(jìn)展，但采區(qū)回收率低的問題一直沒有得到很好的解決。部分礦區(qū)仍然采用傳統(tǒng)寬煤柱護(hù)巷方式，這不利于提高采區(qū)回收率；而且有些煤礦采用寬煤柱護(hù)巷時(shí)巷道變形量大，造成巷道維護(hù)困難，支護(hù)成本高，不利于礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的提高。為提高采區(qū)回收率，確定合理窄煤柱參數(shù)是國(guó)內(nèi)外開展沿空掘巷無煤柱護(hù)巷技術(shù)311研究的方向之一。 沿空

3、掘巷分為三類，即保留部分老巷沿空掘巷、完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷。從提高采區(qū)回收率和減少上區(qū)段采空區(qū)對(duì)本工作面影響角度來看，與其它兩種沿空掘巷類型相比，留窄煤柱沿空掘巷的優(yōu)點(diǎn)主要是提高了采區(qū)回收率，可以防止竄矸、漏風(fēng)、殘煤自燃等不利因素。而且在工作面回采時(shí)，沿著背離采空區(qū)方向的實(shí)體煤中，留設(shè)的小煤柱正好處于應(yīng)力降低區(qū)，可以改善回采巷道的受力狀況，使煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布亦趨于穩(wěn)定合理化。與沿空留巷相比，沿空掘巷僅受一次采動(dòng)影響，沿空掘巷應(yīng)力環(huán)境和維護(hù)條件優(yōu)于沿空留巷1217，所以留小煤柱的沿空掘巷在目前以及未來的井工煤礦開采中都具有很大的應(yīng)用。留小煤柱沿空巷道有著很好地應(yīng)用前景，處于煤礦井下開采

4、的巷道，特別是現(xiàn)在煤礦在不斷向深部發(fā)展，巷道的維護(hù)將會(huì)更加困難，研究留小煤柱的沿空掘巷的巷道的穩(wěn)定性具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者就留小煤柱沿空掘巷中小煤柱的合理尺寸、小煤柱的塑性區(qū)寬度以及巷道的支護(hù)問題做了大量的研究，但是對(duì)影響巷道穩(wěn)定性因素的整體關(guān)系，包括巷道寬度、巷道高度、小煤柱寬度、基本頂?shù)钠茢辔恢弥g的關(guān)系沒有進(jìn)行深入的研究，所以通過研究留小煤柱沿空掘巷的穩(wěn)定性關(guān)系對(duì)巷道的控制有一定的實(shí)用意義。2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀留小煤柱沿空掘巷是在上區(qū)段工作面回采穩(wěn)定以后，沿采空區(qū)留設(shè)小煤柱掘進(jìn)用于下一區(qū)段的巷道，留設(shè)的小煤柱可以防止竄矸、漏風(fēng)、殘煤自燃等不利因素。從小煤柱沿空掘巷開始應(yīng)用與工程

5、實(shí)踐，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者就對(duì)其進(jìn)行了一系列的研究，包括小煤柱留設(shè)的合理寬度確定、小煤柱的塑性區(qū)寬度、直接頂破斷方式對(duì)煤柱的影響、小煤柱的支護(hù)方式等等。下面分別介紹國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這幾方面的研究情況。2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀2.1.1 國(guó)外沿空掘巷研究綜述上世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián) C·r·阿威爾辛等認(rèn)為18，在沒有巖層破壞的狀態(tài)中上覆巖層幾近于塑性移動(dòng)過程，介質(zhì)為塑性介質(zhì)；到60年代，波蘭 salustowicz 等人在測(cè)定不同深度重力加速度的大小時(shí)，發(fā)現(xiàn)地殼的外部在相對(duì)于其內(nèi)部發(fā)生蠕變；70年代初，巖土工作者建立并驗(yàn)證適于描述長(zhǎng)期荷載作用下巖石行為的流變模型，并對(duì)巖石流變特性進(jìn)行研究。對(duì)巖

6、體水平移動(dòng)和變形進(jìn)一步分析，文獻(xiàn)指出，考慮時(shí)間因素的影響，從開始回采到巖移過程完全停止，在巖體變形范圍內(nèi)，由于礦產(chǎn)采出和采出空間的收縮，不斷發(fā)生靜力平衡的破壞，覆巖拉伸和壓縮區(qū)的輪廓時(shí)刻在變化，各點(diǎn)的變形也在增大或減小。 1996 年我國(guó)煤炭工業(yè)部與澳大利亞 SCT 巖層控制技術(shù)公司研究認(rèn)為19：在煤體距采空區(qū)13 m的巖層中存在一組裂隙，留窄煤柱沿空掘巷時(shí)巷道處于裂隙區(qū)內(nèi)，受采動(dòng)影響后不能保證巷道安全，認(rèn)為煤柱寬度應(yīng)大于15m，故澳大利亞一般不采用沿空掘巷。2.1.2 國(guó)外對(duì)煤柱的研究綜述美國(guó)和澳大利亞作為在世界上主要的高效產(chǎn)煤大國(guó)20-22，在高效產(chǎn)煤方面的研究成果大大推進(jìn)了全世界礦產(chǎn)資源

7、的高效機(jī)械化開采進(jìn)程，也是最早開始對(duì)煤柱寬度的合理設(shè)計(jì)的研究，并取得了不俗的研究成果,在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的實(shí)施推廣。早在20世紀(jì)60年代初期,美國(guó)的煤炭開釆方法已經(jīng)開始釆用長(zhǎng)壁布置回釆工作面，毅然摒棄了傳統(tǒng)短壁布置工作面的開采方法，經(jīng)過多年大面積煤田的工業(yè)性試驗(yàn)，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,在煤炭資源開釆技術(shù)上得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，增大了礦井的開采深度以及工作面釆高，尤其是對(duì)于中厚煤層的開釆，效果更加明顯,有力的檢釋了長(zhǎng)壁開采的優(yōu)點(diǎn)。在美國(guó)和澳大利亞，這些國(guó)家在煤礦開采技術(shù)方面比較先進(jìn)，引進(jìn)了或者研發(fā)出高效環(huán)保經(jīng)濟(jì)礦產(chǎn)資源生產(chǎn)技術(shù)，他們的礦井生產(chǎn)系統(tǒng)巷道布置有一個(gè)共同點(diǎn)就是礦井生產(chǎn)巷道基本上布置于

8、煤層中，很少有巷道布置于巖層中，推廣無巖巷全煤巷掘進(jìn)模式。階段上山和平巷生產(chǎn)系統(tǒng)一般是在煤層中掘進(jìn)數(shù)條巷道，煤柱留設(shè)在各煤巷之間，煤柱寬度一般在10m左右，煤柱形狀大多呈矩形或條帶狀，由煤柱來維護(hù)巷道圍巖的基本穩(wěn)定,再輔以支護(hù)設(shè)施。留設(shè)煤柱護(hù)巷的方法在很大程度上降低了生產(chǎn)系統(tǒng)建立初期的掘巷困難程度，加快了生產(chǎn)系統(tǒng)的快速形成，減少了人力和物力的投資，節(jié)省了時(shí)間，并且，留設(shè)煤柱結(jié)合煤層中的巷道進(jìn)行合理的錨桿支護(hù)既保證了生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠安全性，又能體現(xiàn)出支護(hù)與圍巖相互作用的原理，充分的發(fā)揮了圍巖自我承載的作用。在煤柱寬度設(shè)計(jì)方面23，國(guó)外學(xué)者也較早的開始了研宄。通過計(jì)算煤柱強(qiáng)度來反算煤柱合理寬度，早在

9、20世紀(jì)初期美國(guó)學(xué)者Danieis和Moore在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行煤巖試塊受力試驗(yàn)后給出結(jié)論：煤巖試塊的尺寸并不是越大越好，反而是試塊尺寸越大，其強(qiáng)度卻越小，試塊寬度不變時(shí)，高度越大其強(qiáng)度也越小，這也就是學(xué)者Bunting所說的煤巖試塊的“尺寸效應(yīng)”與“形狀效應(yīng)”；到20世紀(jì)中葉，學(xué)者Gaddy等人通過在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試煤巖試塊的強(qiáng)度來給出相應(yīng)的煤柱強(qiáng)度，得出了試塊強(qiáng)度隨其尺寸的增加而減小的規(guī)律；20世紀(jì)60年代，計(jì)對(duì)南非的礦區(qū)，科學(xué)家Salamon等人總結(jié)出了煤柱強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式，不過僅在南非的礦區(qū)適用；接著，格羅布拉爾在1970年提出了煤柱內(nèi)核區(qū)強(qiáng)度不等理論由于其煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式相對(duì)較復(fù)雜，需要賦值的參數(shù)

10、較多，降低了其實(shí)用性,但這在煤柱研究方面是一個(gè)突破；隨后Wilson在格羅布拉爾理論的基礎(chǔ)上提出了他自己的觀點(diǎn),即兩區(qū)約束理論，并伴有5點(diǎn)重要的假設(shè)，給出了有核區(qū)和無核區(qū)煤柱強(qiáng)度的計(jì)算公式，這也是迄今最為成熟的理論，得到了廣泛的應(yīng)用。2.1.3 國(guó)外巷道圍巖控制研究綜述20 世紀(jì)60年代奧地利工程師Rabcewicz24-26提出了新奧法（NATM）：充分利用圍巖的自承能力和開挖面的空間約束作用，采用以錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段,及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行加固，約束圍巖的松弛和變形，并通過對(duì)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控、測(cè)量來指導(dǎo)地下工程的設(shè)計(jì)與施工。Salamon(1970)27提出能量支護(hù)理論的，其認(rèn)為支

11、護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用、共同變形,在圍巖變形過程中，釋放一部分能量，支護(hù)結(jié)構(gòu)將吸收一部分能量，但總的能量沒有變化。2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀2.2.1 國(guó)內(nèi)沿空掘巷研究綜述 20 世紀(jì) 50 年代我國(guó)己有個(gè)別礦井自發(fā)地應(yīng)用沿空掘巷技術(shù)；70 年代沿空掘巷術(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，取得了有益的結(jié)論，提出了沿空掘巷的理論依據(jù)，并把沿空掘巷的類型分為三類，即保留部分老巷沿空掘巷、完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷。 對(duì)于綜放回采巷道上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過對(duì)綜放工作

12、面及平巷礦壓觀測(cè)分析及相似材料模擬實(shí)驗(yàn)做了大量深入研究，并取得了豐富的研究成果。 太原煤科院對(duì)放頂煤采場(chǎng)煤體支承壓力分布規(guī)律的研究認(rèn)為：厚煤層放頂煤開采過程中，采場(chǎng)周圍應(yīng)力重新分布，在采空區(qū)兩側(cè)的煤體邊緣處首先進(jìn)入塑性狀態(tài)，及至破壞，并逐步向煤體深部擴(kuò)展直至彈性應(yīng)力區(qū)邊界，這部分煤體應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)。并且此放頂煤極限平衡區(qū)寬度較大，卸載寬度也大，很適合留窄煤柱沿空巷道布置在煤體卸載帶內(nèi)，使巷道容易維護(hù)。 侯朝炯教授、李學(xué)華教授28提出了綜放沿空掘巷上覆巖體“大小結(jié)構(gòu)”觀點(diǎn)，認(rèn)為綜放沿空掘巷上覆巖體大結(jié)構(gòu)在掘巷及本工作面回采期間均不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，但大結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)引起大變形，綜放沿空掘巷的穩(wěn)定性

13、取決于小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因而合理的錨桿支護(hù)技術(shù)是巷道支護(hù)成功的關(guān)鍵，這為窄煤柱支護(hù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 張東升教授29-30采用相似材料模擬和數(shù)值模擬方法對(duì)綜放沿空巷道上覆基本頂破斷位置與形狀、不同支護(hù)方式對(duì)頂板活動(dòng)的影響、巷旁充填技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了研究，得到了采用錨桿（索）網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)有利于綜放煤巷穩(wěn)定的結(jié)論，為沿空掘巷窄煤柱護(hù)巷研究方法提供了借鑒。 柏建彪教授5,31通過建立沿空掘巷基本頂弧形三角結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，對(duì)弧形三角結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行力學(xué)分析，揭示了弧形三角結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原理及對(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穩(wěn)定條件，為窄煤柱沿空掘巷圍巖穩(wěn)定控制提供了可靠的理論依據(jù)。 王紅勝博士3

14、2-35建立沿空巷道窄幫圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，提出了沿空巷道上覆基本頂4 種斷裂結(jié)構(gòu)形式，推導(dǎo)了窄幫載荷計(jì)算公式，系統(tǒng)分析了基本頂斷裂產(chǎn)生的動(dòng)載效應(yīng)對(duì)窄幫穩(wěn)定性的影響，得出了窄幫應(yīng)力與應(yīng)變變化規(guī)律。2.2.2 國(guó)內(nèi)對(duì)煤柱的研究綜述鄭西貴副教授36研究了不同寬護(hù)巷煤柱沿空掘巷掘采全過程的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，分析了煤柱寬度對(duì)沿空掘巷煤柱和實(shí)體幫應(yīng)力演化的影響。提出確定沿空掘巷合理煤柱寬度時(shí)，不僅需考慮掘巷擾動(dòng)影響，還應(yīng)將本工作面的超前采動(dòng)影響作為一個(gè)重要影響因素。高明仕教授等37-39通過理論分析和數(shù)值模擬等方法，應(yīng)用FLAC軟件模擬綜放沿空掘巷留設(shè)不同寬度煤柱時(shí)圍巖位移量的大小，并結(jié)合“軟”、“中硬偏軟

15、”兩個(gè)具有代表性的煤巷進(jìn)行的工業(yè)性試驗(yàn)，進(jìn)一步總結(jié)出這類煤層綜放沿空掘巷要留設(shè)的最佳煤柱寬度及特殊的支護(hù)手段，對(duì)這類巷道的錨桿支護(hù)技術(shù)有極大的參考價(jià)值。劉增輝博士等40針對(duì)掘巷滯后時(shí)間、沿空掘巷圍巖經(jīng)歷掘巷和回采兩次擾動(dòng)的影響，采用理論分析、數(shù)值模擬和工程實(shí)踐研究了沿空掘巷的開挖巷道和回采過程窄煤柱對(duì)圍巖的控制作用，研究結(jié)果表明開挖巷道最佳時(shí)間和煤柱寬度的選擇是沿空掘巷在掘進(jìn)和回采期間控制圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵，沿空掘巷實(shí)體煤幫加固，延緩圍巖小結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞；合理選擇加固煤柱的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)提高煤柱承載能力和維護(hù)其穩(wěn)定至關(guān)重要。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，近幾年許多學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法對(duì)沿空掘巷進(jìn)行了研究，

16、柏建彪教授、楊峰博士等41-45對(duì)煤礦采空區(qū)上下傾斜方向上煤層上方的支承壓力分布狀態(tài)，采動(dòng)壓力影響下相同錨桿支護(hù)方式的不同寬度煤柱沿空掘巷的圍巖變形狀況，不同寬度煤柱在煤巖體中的應(yīng)力分布、位移場(chǎng)變化、塑性破壞及錨桿受力情況以及綜放沿空掘巷圍巖變形及窄煤柱的穩(wěn)定性與煤柱寬度、煤層力學(xué)性質(zhì)及錨桿支護(hù)強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了模擬。Yang Jiping46研究了孤島工作面沿空掘巷中窄煤柱的破壞規(guī)律以及穩(wěn)定性控制技術(shù)，結(jié)果表明：實(shí)體煤側(cè)和窄煤柱側(cè)巷道頂板支撐條件差異很大，并且提出了對(duì)圍巖支護(hù)的不對(duì)稱控制技術(shù)。Kegong Fan47研究了動(dòng)態(tài)壓力下薄煤層沿空巷道的非協(xié)調(diào)變形控制，提出沿空留巷頂板橫向結(jié)構(gòu)在

17、經(jīng)歷相鄰工作面開采后會(huì)引起很大的調(diào)整。因此，應(yīng)該更多的注意沿空巷道窄煤柱的變形和破壞特征。Yuan Zhang48研究了不穩(wěn)定上覆巖層沿空留巷煤柱的穩(wěn)定性及耦合支護(hù)控制技術(shù)，結(jié)果表明上覆不穩(wěn)定巖層下進(jìn)行沿空留巷，支撐結(jié)構(gòu)基本無法保持煤柱的穩(wěn)定性，留巷側(cè)煤柱的變形很大，進(jìn)而提出一種基于三位一體的耦合支護(hù)技術(shù)來控制窄煤柱的穩(wěn)定性。2.2.3 沿空巷道圍巖控制理論研究綜述國(guó)內(nèi)外學(xué)者在巷道圍巖控制理論研究方面進(jìn)行了大量研究，提出了眾多控制圍巖變形破壞的理論，如自然平衡拱理論、能量支護(hù)理論、應(yīng)力控制理論、軸變論、圍巖松動(dòng)圈理論、耦合支護(hù)、聯(lián)合支護(hù)及錨桿圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論等相關(guān)理論。自然平衡拱理論49認(rèn)為在

18、松散介質(zhì)中開掘巷道，巷道上方將形成一個(gè)拋物線形的自然平衡拱，自然平衡拱高度與井巷工程跨度及圍巖性質(zhì)密切有關(guān)，提出了巷道圍巖具有自承載能力。圍巖弱化法、卸壓法50-51是通過一定的技術(shù)手段將某些部分圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)改變，從而改善圍巖內(nèi)的應(yīng)力及能量分布。人為降低支承壓力區(qū)圍巖的承載能力，使支承壓力逐漸向圍巖深部轉(zhuǎn)移，以此來提高圍巖穩(wěn)定性的一種方法。陳宗基院士52通過大量工程實(shí)踐為總結(jié)出了巖性轉(zhuǎn)化理論：同樣的礦物成分、結(jié)構(gòu)形態(tài),在不同工程環(huán)境工程條件下，將會(huì)產(chǎn)生不同應(yīng)力應(yīng)變，并形成不同的本構(gòu)關(guān)系。強(qiáng)調(diào)巖體是非均質(zhì)、非連續(xù)的介質(zhì)，巖體在工程條件下形成的本構(gòu)關(guān)系并非是簡(jiǎn)單的彈塑、彈黏塑變形理論的特征。

19、于學(xué)馥教授等53提出了“軸變論”理論，認(rèn)為巷道坍落后可以自行穩(wěn)定，可以用彈性理論來進(jìn)行分析。圍巖破壞是由于應(yīng)力超過巖體極限強(qiáng)度，坍落是改變巷道軸比而導(dǎo)致應(yīng)力重分布，應(yīng)力重分布的特點(diǎn)是高應(yīng)力下降，低應(yīng)力上升，并向無拉力和均勻分布發(fā)展，直到穩(wěn)定為止。應(yīng)力均勻分布的軸比是巷道最穩(wěn)定的軸比，形狀為橢圓形。董方庭教授等54以研究開巷后的圍巖狀態(tài)為出發(fā)點(diǎn)，通過理論分析和大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，提出了巷道圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論，在煤礦巷道支護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。何滿潮教授55-56等人運(yùn)用工程地質(zhì)學(xué)和現(xiàn)代大變形力學(xué)相結(jié)合的方法，提出了軟巖工程力學(xué)耦合支護(hù)理論，軟巖巷道圍巖由于塑性大變形從而產(chǎn)生變形不協(xié)調(diào)部位，通過耦合支護(hù)的方

20、法而使其變形協(xié)調(diào)，達(dá)到限制圍巖產(chǎn)生有害的變形損傷破壞，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化、荷載均勻化,使巷道穩(wěn)定的目的。鄭雨天、朱效嘉教授等57-61提出了“錨噴弧板”聯(lián)合支護(hù)的理論，該理論是對(duì)聯(lián)合支護(hù)理論的發(fā)展。其認(rèn)為總是強(qiáng)調(diào)卸壓是不行的，對(duì)于巷道支護(hù)，一味的追求提高支護(hù)剛度是不行的，要先柔后剛，先抗后讓、柔讓適度，卸壓到了一定程度，要進(jìn)行強(qiáng)制抵抗，采用高標(biāo)號(hào)、高強(qiáng)度鋼筋混凝土弧板作為先柔后剛的剛性支護(hù)形式，堅(jiān)決限制和頂住圍巖向中空位移。2.2.4 沿空巷道圍巖控制技術(shù)研究綜述目前對(duì)于高地壓、大變形采動(dòng)巷道，主要有2種支護(hù)思路62-63。（1）二次支護(hù)二次支護(hù)52-54認(rèn)為：對(duì)于高地壓、大變形巷道，一次支護(hù)不能

21、有效控制圍巖變形，巷道支護(hù)應(yīng)分二次進(jìn)行。一次支護(hù)在保持巷道圍巖穩(wěn)定的前提下，允許圍巖有一定的變形以釋放壓力；隔一定的時(shí)間后實(shí)施二次支護(hù)，保持巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。（2）高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力一次支護(hù)強(qiáng)力一次支護(hù)62-63的實(shí)質(zhì)是大幅度提高支護(hù)系統(tǒng)的初期支護(hù)剛度與強(qiáng)度，有效控制圍巖變形，保持圍巖的完整性，減小煤巖體強(qiáng)度的降低。采用高預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)力支護(hù)，盡量一次支護(hù)就能滿足生產(chǎn)要求，避免二次支護(hù)和巷道維修。針對(duì)動(dòng)壓巷道變形量大，變形形式復(fù)雜的特點(diǎn)，人們采用了多種支護(hù)方式，有棚式支架支護(hù)、砌碹支護(hù)、錨桿錨索支護(hù)、噴漿支護(hù)、注漿加固、圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)以及聯(lián)合支護(hù)方式64。（1）棚式支架支護(hù)（被動(dòng)支護(hù)）棚式支護(hù)是巷道支護(hù)

22、中最早的被動(dòng)支護(hù)形式，它是通過提供被動(dòng)的徑向支護(hù)阻力，其直接作用于巷道圍巖表面，來平衡圍巖變形壓力，從而約束圍巖變形。國(guó)內(nèi)外一般用礦用工字鋼（剛性）和 U 型鋼（可縮）作為金屬支架材料。聯(lián)邦德國(guó)在所有巷道中普遍采用 U 型鋼支護(hù)、成果顯著，金屬支架在我國(guó)多使用在采準(zhǔn)巷道和圍巖破碎、變形量較大的巷道，如受采動(dòng)影響的巷道、軟巖巷道、深井巷道等。造成棚式支架承載能力不能充分發(fā)揮的因素很多，主要有：支架的選項(xiàng)和結(jié)構(gòu)不合理、型鋼的加工成型質(zhì)量低劣和施工質(zhì)量不好等。但最主要的因素是棚式支架連接支架構(gòu)件質(zhì)量低劣和沒有實(shí)施支架壁后充填。巷道掘進(jìn)和支護(hù)工藝不可避免地在支架與已破碎圍巖之間形成不同尺寸的空隙，使得

23、巷道不能均勻的受載荷壓力作用，導(dǎo)致支架受力條件惡化，其實(shí)際承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值。壁后充填使巷道支架由集中、偏心載荷的不均勻承載轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虺休d，支架與壁后充填層共同組成組合拱作用。壁后充填不僅改善支架受力狀況、大幅度提高支架的承載能力和阻力，還有隔水、防止風(fēng)化和煤層自燃等功能。（2）錨桿錨索支護(hù)（主動(dòng)支護(hù)）錨桿支護(hù)最早在歐美國(guó)家使用，經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到推廣。2009 年，煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范（MT/T1104-2009）65發(fā)布，標(biāo)志著我國(guó)煤巷錨桿支護(hù)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。錨桿支護(hù)于上世紀(jì) 60 年代引入國(guó)內(nèi)，經(jīng)過煤礦科研工作者多年的研究和實(shí)踐，形成了有中國(guó)特色

24、的巷道錨桿支護(hù)成套技術(shù)體系66，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高剛度、高可靠性與低支護(hù)密度的“三高一低”的現(xiàn)代錨桿支護(hù)新理念67-68。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，錨桿支護(hù)是巷道經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)技術(shù)。與棚式支護(hù)相比，錨桿支護(hù)顯著提高了巷道支護(hù)效果，降低了巷道支護(hù)成本，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。更重要的是錨桿支護(hù)大大簡(jiǎn)化了采煤工作面端頭支護(hù)和超前支護(hù)工藝，改善了作業(yè)環(huán)境，保證了安全生產(chǎn)，為采煤工作面的快速推進(jìn)創(chuàng)造了良好條件。20 世紀(jì) 80 年代以后，隨著巷道圍巖控制技術(shù)的快速發(fā)展，圍巖不僅被看做傳遞和產(chǎn)生載荷的介質(zhì)，同時(shí)也是與各種在其內(nèi)部或外部支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)物構(gòu)成統(tǒng)一的、相互作用的共同承載體。圍巖注漿加固技術(shù)69-74針

25、對(duì)圍巖破壞和強(qiáng)度弱化原理采用分階段加固的方法，改善弱面力學(xué)性能，形成承載結(jié)構(gòu)、充分發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，漿液封閉裂隙改善賦存環(huán)境，阻止水氣浸入內(nèi)部巖體、防止水害和風(fēng)化。目前煤礦巷道圍巖注漿加固技術(shù)主要應(yīng)用于兩種情況：一種主要用于原始工程地質(zhì)條件惡劣時(shí)，目的是為施工創(chuàng)造條件；第二種為滯后注漿方式，目的是控制圍巖變形。將錨桿支護(hù)與注漿加固技術(shù)有機(jī)結(jié)合，開發(fā)出多種形式的注漿錨桿、注漿錨索及鉆錨注一體化錨桿75-78，為破碎煤巖體等復(fù)雜困難條件提供了有效的支護(hù)手段。（3）圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移技術(shù)國(guó)內(nèi)外從控制圍巖應(yīng)力角度出發(fā)取得了一定的成果，主要的技術(shù)途徑有：將巷道布置在開采后形成的低壓區(qū)；人為采取主動(dòng)卸壓措施，將

26、巷道附近的高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到圍巖深部以保護(hù)巷道穩(wěn)定，如巷內(nèi)卸壓79-81、巷外卸壓82和跨采卸壓83等。（4）聯(lián)合支護(hù)技術(shù)對(duì)于復(fù)雜困難巷道，如深部、高應(yīng)力、軟巖巷道等，單獨(dú)使用一種支護(hù)方式很難控制巷道圍巖的變形破壞，往往采用多種支護(hù)方式聯(lián)合支護(hù)的形式。聯(lián)合支護(hù)技術(shù)最初僅為各類支護(hù)體的簡(jiǎn)單疊加，當(dāng)隨著聯(lián)合支護(hù)理論研究的不斷深入，逐漸由簡(jiǎn)單的支護(hù)方式疊加，改進(jìn)為多種支護(hù)方式的聯(lián)合、耦合，且在軟巖巷道工程實(shí)踐中進(jìn)行了大量應(yīng)用84。目前，聯(lián)合支護(hù)技術(shù)既有各種主動(dòng)支護(hù)方式聯(lián)合，如錨桿+錨索、錨桿+錨注，也有主被動(dòng)方式的聯(lián)合，如碹體+錨桿（索）、金屬支架+錨桿（索）、金屬支架+錨注等。針對(duì)采動(dòng)巷道圍巖的變形破壞

27、特點(diǎn)，已形成以錨桿支護(hù)體系為主，以錨索和注漿動(dòng)態(tài)迭加，輔助架棚和卸壓等技術(shù)為輔的深部巷道圍巖支護(hù)技術(shù)，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)破碎軟弱結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部位進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)的方法。2.3 目前留小煤柱沿空巷道研究存在的問題綜上所述，我們可以了解到，目前針對(duì)小煤柱沿空留巷的研究?jī)?nèi)容主要集中在研究小煤柱的合理寬度、小煤柱的塑性區(qū)寬度確定、巷道的合理位置、小煤柱沿空巷道的合理支護(hù)，而且在工程實(shí)踐中沒有很好的研究成果來指導(dǎo)工程，大部分采用的是工程類比法，沒有充分考慮留小煤柱沿空巷道影響其穩(wěn)定性的因素之間的整體關(guān)系，其中包括巷道的寬度、巷道的高度、小煤柱的寬度、基本頂破斷位置等因素，這些因素之間彼此存在著相互制約的影響關(guān)系，但是

28、目前并沒有有關(guān)學(xué)者進(jìn)行研究。3 論文的研究?jī)?nèi)容根據(jù)以上分析，擬采用理論分析、數(shù)值模擬、工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)留小煤柱沿空巷道的穩(wěn)定性因素進(jìn)行分析，具體如下：理論分析主要采用材料力學(xué)的方法，分別建立基本頂在小煤柱外側(cè)、實(shí)體煤內(nèi)側(cè)、巷道上方不同破斷位置的力學(xué)模型，同時(shí)建立煤幫的層裂板結(jié)構(gòu)模型85，通過力學(xué)分析，建立幫部受力發(fā)生撓曲變形的臨界載荷（無支護(hù)狀態(tài)下），進(jìn)而分析出不同巷道寬度、巷道高度、小煤柱寬度情況下保持巷道穩(wěn)定的尺寸關(guān)系。數(shù)值模擬主要是建立留小煤柱沿空巷道的模型，通過模擬不同巷道寬度、巷道高度、小煤柱寬度、基本頂破斷位置下幫部的破壞形態(tài)，從中可以得出在無支護(hù)條件下安全的巷道尺寸，為了

29、滿足生產(chǎn)需求，需要加大巷道寬度或者增加巷道高度，就必須采用一定的支護(hù)，進(jìn)而提出支護(hù)措施。根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果，通過JAVA語言在Eclipse平臺(tái)下編寫通用軟件“留小煤柱沿空巷道穩(wěn)定性分析系統(tǒng)”，軟件采用圖形用戶界面設(shè)計(jì)，系統(tǒng)集成了對(duì)留小煤柱沿空巷道的穩(wěn)定性分析理論以及數(shù)值模擬的大量參數(shù)集合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小煤柱沿空巷道的穩(wěn)定性分析的智能化，避免了繁瑣的計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)工人的經(jīng)驗(yàn)不足帶來的安全隱患。工業(yè)性試驗(yàn)擬以兗州東灘礦留小煤柱沿空巷道作為工程背景，檢驗(yàn)所得的研究成果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際是否相符以及存在問題并適當(dāng)改進(jìn)。4 論文創(chuàng)新之處在總結(jié)國(guó)內(nèi)許多學(xué)者的研究?jī)?nèi)容之后，根據(jù)自己論文研究?jī)?nèi)容及方法，預(yù)計(jì)論

30、文有如下創(chuàng)新之處：（1）研究了巷道寬度、巷道高度、小煤柱寬度、基本頂破斷位置之間的相互關(guān)系對(duì)小煤柱沿空巷道的穩(wěn)定性影響；（2）分析小煤柱側(cè)、實(shí)體煤側(cè)幫部的滑移失穩(wěn)對(duì)巷道寬度、小煤柱寬度以及在實(shí)體煤內(nèi)側(cè)的破斷位置的敏感程度；（3）基于理論分析與數(shù)值模擬結(jié)果，編寫分析軟件“留小煤柱沿空巷道穩(wěn)定性分析系統(tǒng)”，使留小煤柱沿空掘巷的穩(wěn)定性分析更加高效并且準(zhǔn)確性得到較大提高；（4）提出了留小煤柱沿空巷道的安全尺寸。5 論文的時(shí)間進(jìn)度安排2014年3月-4月：查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，確定選題內(nèi)容，完成選題報(bào)告； 2014年5月-7月：進(jìn)行理論分析，搜集留小煤柱沿空巷道的研究資料，分析層裂板模型，分別建立基本頂在小

31、煤柱外側(cè)、實(shí)體煤內(nèi)側(cè)破斷位置的力學(xué)模型；推倒出實(shí)體煤側(cè)和小煤柱側(cè)的支撐力與巷道幫部發(fā)生撓曲變形的臨界應(yīng)力之間的關(guān)系；2014年8月-9月：數(shù)值模擬，通過模擬兩種破斷形態(tài)下不同埋深、小煤柱寬度、基本頂破斷位置、懸臂長(zhǎng)度、煤體的完整性程度對(duì)巷道寬高的影響； 2014年10月：編寫“留小煤柱沿空巷道穩(wěn)定性分析系統(tǒng)”軟件；2014年12月-2015年1月：進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)和礦壓觀測(cè)，結(jié)合試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)及論文撰寫； 2015年2月-3月：論文修改，論文裝訂、送審及準(zhǔn)備答辯。參考文獻(xiàn)1 崔選民.中國(guó)能源.發(fā)展報(bào)告M.北京：社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社，2006.3 靳鐘銘.放頂煤開采理論與技術(shù)M.北京：煤

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33、與頂板管理，2003，20(3).“原位”沿空掘巷探討J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(2).11 余偉健，朱川曲.沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性可控因素的敏感度及穩(wěn)定性分析J. 12 陸士良.巖巷的礦壓顯現(xiàn)與合理位置M.北京：煤炭工業(yè)出版社，1982.13 劉聽成.沿空掘巷小煤柱淺析M.煤炭科學(xué)技術(shù)，1981，No2.14 蔣金泉.采場(chǎng)圍巖應(yīng)力與運(yùn)動(dòng)M.北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.15 李棲鳳，無煤柱開采,M.北京：煤炭工業(yè)出版社，1986.16 孫恒虎，趙炳利.沿空留巷理論與實(shí)踐M.北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.17 于學(xué)馥，鄭穎人.地下工程圍巖穩(wěn)定性分析M.煤炭工業(yè)出版社，1983.18

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