本文为了研究采动影响下沿空留巷围岩控制及支护优化方式,以中兴矿沿空留巷工程背景,通过理论分析、巷道变形监测、室内相似模型试验、数值模拟分析等手段对沿空留巷的围岩变形规律、围岩变形机理及控制手段进行了综合研究。首先,通过现场监测数据、理论分析、数值模拟研究采动影响下沿空留巷的变形规律和变形机理,然后根据沿空留巷的变形规律和变形机理,在“强帮强角固底”支护理念的基础上提出两种不同的优化支护方案,通过数值模拟分析优化方案的可行性,最后对动压巷道支护实验系统进行升级改造,使其在可以实现模型顶部振动的基础上同时可以实现模型的整体振动,并进行3种工况不同支护方案的沿空留巷相似模型试验,一方面检验优化方案的支护效果,另一方面进一步说明采动效应中的动压效应对沿空留巷的影响。研究主要得到了以下结论:(1)中兴矿沿空留巷典型巷道变形规律根据不同时期沿空留巷的变形特点,将沿空留巷服务全过程划分为以下几个阶段:开挖及开挖稳定阶段、一次采动超前阶段、一次采动后阶段、二次采动超前阶段。开挖及开挖稳定阶段:巷道开挖完成至一次回采距工作面40m的阶段,这个阶段巷道受采动影响较小,产生的变形主要为弹塑性变形;一次采动超前阶段:一次回采期间工作面前方40m之内的巷道回采阶段,这个阶段巷道变形速率有所上升,但整体变形量仍然较小,变形量占总变形量的6%;一次采动后阶段:工作面后方60m之内的巷道回采阶段,这个阶段巷道变形速率显著增加,变形量为总变形量的35%;二次采动超前阶段:二次采动前l00m之内的巷道回采阶段,其中二次采动前30m~0m为巷道变形最为剧烈的时期,巷道变形量占总变形量的59%。一次采动后阶段与二次采动超前阶段是巷道变形产生的主要时期,产生的变形占巷道使用过程中变形的90%以上;沿空留巷在二次采动期间产生的变形远大于一次采动时期。在一次采动后阶段及二次采动超前阶段,中兴矿沿空留巷出现了顶底板变形与帮部变形的不协调发展,帮部变形远大于顶底板变形。(2)采动影响下沿空留巷围岩变形机理分别从静压效应及动压效应考虑采动影响。静压效应方面,根据监测及数值模拟结果得出煤岩体的加卸载规律。围岩在加载作用下σ1增大,压力超过其抗压能力而发生压剪破坏,随后呈现出峰后特制,应变急剧增大,发生较大扩容,此时的压力转为由深层围岩继续承担;而卸载作用下,材料的破坏机理发生改变,导致卸载破坏的主要原因为主应力差值(σ1-σ3)的增加,加载与卸载作用的反复循环,对煤岩体造成了不可逆的永久破坏。因此,一次与二次回采所导致的压力的变化是沿空留巷围岩变形的本质原因,而伴随采煤工作面推进,顶板的反复回转下沉则是引起压力变化的直接原因。动压效应方面,首先描述动荷载作用下巷道围岩的力学特性及应力波作用下巷道围岩的动力学特性,然后从损伤力学的角度提出了动荷载作用下巷道围岩是否破坏失稳的判据,并提出了考虑动荷载作用下围岩裂纹扩展的临界应力:当巷道表面围岩的应力值大于该临界应力σcr时,裂纹发生扩展。这种扩展具有很大的随机性,近距离平行或共线的裂纹会联合发展,并沿巷道表面分离,同时在内部形成新的自由面,伴随着这种效应的不断循环,使煤壁附近围岩成为层状结构,并向巷道内挤,产生变形。(3)提出基于数值模拟的中兴矿沿空留巷支护优化方案根据沿空留巷围岩的受力特点,基于“强帮强角”及“锚杆锚索协同”支护理念对中兴矿沿空留巷典型巷道提出两种优化支护方案,并通过FLAC3D软件对支护效果进行验证。模拟结果证明,采用“强帮强角”及“锚杆锚索协同”支护理念的优化方案2通过对帮部及角部的强化,以及采用锚杆锚索同排布置,协同支护的方式,在巷道整个服务期间,围岩受力更为合理,帮部及顶底板塑性区都有不同程度的减小,帮部变形量在一次回采期间及二次回采期间相比原方案减小了68%和61%,顶底板变形在一次回采期间及二次回采期间相比原方案减小了 37%和62%。证明“强帮强角”及“锚杆锚索协同”可以有效抑制巷道帮部变形,提高对顶板的支撑作用,达到强帮护顶的支护效果。(4)设计了动静载组合作用下沿空留巷相似模型试验。完成了动压巷道支护试验系统进行升级改造,使原本只能完成静态加载和模型顶部动态加载的试验系统具备模型整体动态加载的功能。顶部油缸与底部油缸相互配合,互不干扰,从而模拟巷道顶板活动引起的振动荷载以及采空区及远处地层活动产生的应力波传播到巷道断面所产生的动态荷载。将沿空留巷这一复杂的三维、动静载组合受力问题转化为二维平面应变问题,根据沿空留巷围岩应力变化规律,静荷载采用如下分段函数进行加载:动荷载则由地震力学中振动能量的表达公式计算出试验的加载参数,最终确定试验振幅为0.5mm,振动频率为10Hz。这种加载方法的设计思路为以后动静载组合作用下的相似模型试验提供了参考依据。(5)动静载组合作用下沿空留巷相似模型试验结果分析。3种工况下的4组试验结果表明,普通巷道的破坏是由于巷道帮部围岩应力集中,帮部浅层围岩首先破坏,承载能力降低,同时顶板发生整体下沉(如顶板支护强度严重不足则会发生冒顶);沿空留巷的破坏则主要来自于二次回采超前阶段巷道围岩应力急剧升高,帮部浅层围岩首先发生破坏而导致顶板整体下沉。通过两种支护方案的比对,证明了采用“强帮强角”支护理念的优化支护方案能够有效的将帮部围岩应力传递至深层围岩,从而降低帮部围岩应力集中程度,保护帮部不受破坏的同时对巷道顶板起到了良好的支承作用,减少了顶板下沉量,抑制了巷道大变形,达到良好的支护效果。而两组优化支护方案的对照试验则说明了采动效应中的静压效应,即超前支承压力、侧向支承压力等围岩应力的升高,是巷道发生大变形破坏的主要因素;而动压效应,即振动作用则起到辅助作用,会加速巷道浅部围岩的裂隙发育从而降低围岩强度,是巷道发生大变形破坏的次要因素。论文在以下几个方面具有创新性:(1)将采动效应分为静压效应与动压效应分别考虑,静压效应方面认为沿空留巷围岩每次卸载过程使主应力差值增加引起围岩破坏,多次加卸载造成累积破坏;动压效应方面从损伤力学的角度提出了动荷载作用下巷道围岩是否破坏失稳的判据,并提出了考虑动荷载作用下围岩裂纹扩展的临界应力。(2)针对中兴矿沿空留巷的典型巷道进行了支护优化模拟研究,发现采用“强帮强角”及“锚杆锚索协同”支护理念的优化方案通过对帮部及角部的强化,以及采用锚杆锚索同排布置,协同支护的方式,在巷道整个服务期间,围岩受力更为合理,帮部及顶底板塑性区都有不同程度的减小,帮部变形量在一次回采期间及二次回采期间相比原方案减小了 68%和61%,顶底板变形在一次回采期间及二次回采期间相比原方案减小了 37%和62%。(3)在现有试验条件基础上,对动压巷道支护实验系统进行升级改造,使试验系统可以同时完成顶部静态加载、顶部动态加载、整体动态振动的功能,且顶部振动与整体振动相对独立,互不干扰。(4)利用改进后的动压巷道支护实验系统,针对动静载组合作用下的沿空留巷进行了相似模型试验,分析了沿空留巷围岩变形机理,验证了“强帮强角”及“锚杆锚索协同”支护方案的支护效果,并利用超声波测试技术,从损伤角度分析了沿空留巷在振动荷载下的动态响应。