论文部分内容阅读
【摘 要】 本文主要简单介绍了跨采巷道围岩的变形机理及底板巷道破坏变形理论，并简单概述了现在解决跨采巷道问题中存在的问题。
【关键词】 跨采巷道；围岩变形；底板变形
引言：
跨采形式分为横跨和纵跨两种方式，跨采巷道受采动影响的程度主要取决于巷道位置、围岩性质及巷顶与煤层底板的垂直间距。我国对跨采过程中巷道顶与煤层底板的间距一般要求10m以上，但受现场实际情况的制约，有时候不能满足要求。在开采过程中，对动压影响的底板巷道必须采取有效的加固维护措施，以减少巷道变形量，满足矿井通风、运输和行人的要求。
1 跨采巷道围岩围岩变形理论和实践
跨采巷道围岩变形主要发生于工作面推过跨采巷道30～40m阶段，倾斜方向以跨采中段变形较严重；平行跨采方向较垂直跨采方向条件下，巷道围岩变形影响严重，其中顶底板移近量为主要构成，垂直方向跨采过程中，巷道存在围岩变形的相对稳定区；而平行跨采过程中，无相对稳定区，巷道变形量持续上升趋势。巷道围岩不同结构组合及岩性，是反映巷道承受跨采能力的重要指标。
近距离跨采巷道围岩位移受开采引起的整体位移场影响较大，而不单纯取决煤柱上的支承作用。留保护煤柱时，跨采巷道应位于集中应力区的外侧，跨采时工作面应推过足够距离，使跨采巷道靠近采空区应力恢复的下方，并确定合理的岩柱厚度。
跨采巷道围岩，在工作面下方不同垂距时巷道围岩变形机理不同：当垂距小于10m，跨采巷道不仅受铅直应力作用，而且水平应力较大；当垂距大于10m，巷道主要受铅直应力作用，水平应力相对较小。跨采巷道围岩剧烈变形滞后工作面20～30m，反映在跨采巷道两帮的移动上，推进侧的移动要大于反推进侧，并且最先在推进侧的侧帮及其拱顶部出现原支护的喷层脱落。
近距离跨采巷道的变形，主要取决于跨采工作面支承压力作用于跨采巷道围岩上的量值，该量值的大小又取决于超前移动支承压力在煤层底板中的传播规律，其中距离煤层越近，底板岩层中的峰值支承压力越大，随着岩柱厚度的增加，巷道中出现的支承压力峰值距工作面煤壁的距离也随之增加，在底板下方30m位置的岩石岩层中只有30%左右的峰值支承压力传递下来。
跨采巷道围岩变形情况与巷道所处位置密切相关，当巷道位于采空区下方时，巷道总体变形量较大，变形特征以两帮内移为主；当跨采巷道位于停采线下方时，巷道煤柱侧帮部及底板变形较大；当跨采巷道位于煤柱下方时，巷道变形强烈，变形特征呈全断面收缩，底鼓严重。
近距离跨采巷道围岩受开采引起的整体位移场影响较大，而不单纯取决于煤柱上支承压力，留设保护煤柱时，跨采巷道应位于集中应力区的外侧，跨采时工作面应推过足够距离，使跨采巷道靠近采空区应力恢复区的下方，并确定合理的岩柱厚度。
近距离跨采巷道特别是巷道重叠时，上部煤层开采对下部煤层已有巷道影响十分剧烈。跨采巷道围岩长期处于不稳定状态下，在应力扰动下，跨采巷道围岩变形严重围岩应力较大，要特别加强对跨采巷道的支护。
用模糊聚类分析方法对跨采岩巷道进行分类，并对各类巷道的特点，提出相应的支护措施，改善巷道支护状况。在围岩属中等稳定条件下，只受跨采面采动影响的岩巷，其与上部煤层之间较为有利的垂距Z为10m左右，巷道与上部煤柱边缘之间的水平距离应大于垂距Z，受两侧采动影响的岩巷垂距Z一般不应小于20m，巷道与上部煤柱边缘之间的水平距离应与垂距Z相当。
跨采软岩巷道，其作用范围影响显著，滞后煤壁较远，动压滞后影响距大于超前影响距，高峰传播角较小，作用于工作面收作线外侧的巷道变形，明显大于开切眼外侧巷道变形。
动压是造成跨采软岩巷道破坏的主要原因，岩性差、裂隙发育是引起巷道采动期间剧烈变形的内因。锚注联合支护体系能较好地满足跨采动压作用的要求。
围岩性质是影响跨采巷道稳定的主要因素，针对不同的围岩条件，选择不同支护参数，受跨采影响时，巷道围岩变形一般两帮小于顶底板，顶底板变形以底鼓为主，跨采影响巷道需要加强支护时，应在受移动支承压力影响之前完成。
2 底板变形破坏理论
钱鸣高等学者将破断前的老底看作板结构，断裂之后的块状底板简化为“砌体梁”结构，在其中并考虑了断层对底板破裂影响，使用板的极限理论分析求出了不同边界条件下底板破坏极限荷载的形态及最大变形点位置，用“S-R”稳定理论分析了破断后底板块状结构的稳定条件及范围，为治理底板下方巷道提供了新的理论依据。
80年代末期，很多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时，研究了底板的破坏机理。其中代表性人物是C.F.Santos和Z.T.Bieniawski。他们基于改进的Hoek-Brown岩体强度准则，并引入临界能量释放和取决于岩石性质和承受破坏应力前的岩石已破坏程度与岩体指标RMR相关的无量纲参数m和n，分析了底板的承载能力。
煤科总院北京开采所王作宇等提出了底板移动的原位胀裂和零位破坏理论。该理论认为在岩体自重力和下部水压力的联合作用下，使其超前压力压缩段岩体整个结构呈现上部受水平挤压，下半部受水平引张的状态，因而在其中部附近的底面上原岩节理裂隙等不连续面就产生岩体的原位张裂。
陈炎光和陆士良认为煤层采动引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间周围的煤柱上造成应力集中，而且该应力将向底板岩层深部传递，造成布置在底板岩层中的巷道变形急剧增大。
煤科总院北京开采所刘天泉、张金才等用半无限体上一定长度上受均匀竖向载荷的弹性解，结合Coulomb-Mohr强度理论和Griffith强度理论分别求得底板采动影响的最大破坏深度。张金才等还对条采工作面和长壁工作面围岩应力和底板岩体的破坏深度进行了弹、塑性理论分析，得到相应的计算公式。
西安科技大学的石平五教授提出了大倾角煤层走向长壁开采“R-S-F”系统运动学的一般模型，较系统地研究了大倾角煤层底板破坏滑移力学过程、围岩灾变机理及其防治措施，并给出了相应的评价指标与体系。
闫少宏博士把大倾角软岩底板的力学模型抽象为弹性基础上的简支薄板，通过理论和模拟分析得出了大倾角软岩底板破坏滑移的机理，并对底板产生破坏的临界力进行了计算，为大倾角工作面软岩底板的防治打下了基础。
3 结论
随着采矿业的发展，虽然跨采工作面对跨采巷道的影响越来越普遍的出现在各大矿区，但不少采矿工作者的大都专注于采动影响的大小及范围，只有少数人将跨采巷道的底板应力和位移传递与巷道围岩控制理论结合起来研究跨采巷道处于动压状态下的巷道变形破坏机理。当面对纷繁复杂的采动影响，不仅仅是工作面的动压影响，不少采矿工作者大都习惯于用工程类比的方法，依据以往的经验，墨守成规，导致在实践中缺少创新，在花费了大量人力和物力后，收效甚微。
参考文献：
[1]王作宇，刘鸿泉.承压水上开采[M].北京：煤炭工业出版社，1993
[2]刘先贵.东滩矿底板巷道变形规律研究[J].山东矿业学院学报，1993，12（3），231～235
[3]毕善昌.跨采工作面底板应力位移传递规律及巷道围岩控制研究[D].硕士学位论文，安徽理工大学，2010
[4]何希林.大采深复杂围岩双大巷跨采技术研究[D].硕士学位论文，山东科技大学，2005
【关键词】 跨采巷道；围岩变形；底板变形
引言：
跨采形式分为横跨和纵跨两种方式，跨采巷道受采动影响的程度主要取决于巷道位置、围岩性质及巷顶与煤层底板的垂直间距。我国对跨采过程中巷道顶与煤层底板的间距一般要求10m以上，但受现场实际情况的制约，有时候不能满足要求。在开采过程中，对动压影响的底板巷道必须采取有效的加固维护措施，以减少巷道变形量，满足矿井通风、运输和行人的要求。
1 跨采巷道围岩围岩变形理论和实践
跨采巷道围岩变形主要发生于工作面推过跨采巷道30～40m阶段，倾斜方向以跨采中段变形较严重；平行跨采方向较垂直跨采方向条件下，巷道围岩变形影响严重，其中顶底板移近量为主要构成，垂直方向跨采过程中，巷道存在围岩变形的相对稳定区；而平行跨采过程中，无相对稳定区，巷道变形量持续上升趋势。巷道围岩不同结构组合及岩性，是反映巷道承受跨采能力的重要指标。
近距离跨采巷道围岩位移受开采引起的整体位移场影响较大，而不单纯取决煤柱上的支承作用。留保护煤柱时，跨采巷道应位于集中应力区的外侧，跨采时工作面应推过足够距离，使跨采巷道靠近采空区应力恢复的下方，并确定合理的岩柱厚度。
跨采巷道围岩，在工作面下方不同垂距时巷道围岩变形机理不同：当垂距小于10m，跨采巷道不仅受铅直应力作用，而且水平应力较大；当垂距大于10m，巷道主要受铅直应力作用，水平应力相对较小。跨采巷道围岩剧烈变形滞后工作面20～30m，反映在跨采巷道两帮的移动上，推进侧的移动要大于反推进侧，并且最先在推进侧的侧帮及其拱顶部出现原支护的喷层脱落。
近距离跨采巷道的变形，主要取决于跨采工作面支承压力作用于跨采巷道围岩上的量值，该量值的大小又取决于超前移动支承压力在煤层底板中的传播规律，其中距离煤层越近，底板岩层中的峰值支承压力越大，随着岩柱厚度的增加，巷道中出现的支承压力峰值距工作面煤壁的距离也随之增加，在底板下方30m位置的岩石岩层中只有30%左右的峰值支承压力传递下来。
跨采巷道围岩变形情况与巷道所处位置密切相关，当巷道位于采空区下方时，巷道总体变形量较大，变形特征以两帮内移为主；当跨采巷道位于停采线下方时，巷道煤柱侧帮部及底板变形较大；当跨采巷道位于煤柱下方时，巷道变形强烈，变形特征呈全断面收缩，底鼓严重。
近距离跨采巷道围岩受开采引起的整体位移场影响较大，而不单纯取决于煤柱上支承压力，留设保护煤柱时，跨采巷道应位于集中应力区的外侧，跨采时工作面应推过足够距离，使跨采巷道靠近采空区应力恢复区的下方，并确定合理的岩柱厚度。
近距离跨采巷道特别是巷道重叠时，上部煤层开采对下部煤层已有巷道影响十分剧烈。跨采巷道围岩长期处于不稳定状态下，在应力扰动下，跨采巷道围岩变形严重围岩应力较大，要特别加强对跨采巷道的支护。
用模糊聚类分析方法对跨采岩巷道进行分类，并对各类巷道的特点，提出相应的支护措施，改善巷道支护状况。在围岩属中等稳定条件下，只受跨采面采动影响的岩巷，其与上部煤层之间较为有利的垂距Z为10m左右，巷道与上部煤柱边缘之间的水平距离应大于垂距Z，受两侧采动影响的岩巷垂距Z一般不应小于20m，巷道与上部煤柱边缘之间的水平距离应与垂距Z相当。
跨采软岩巷道，其作用范围影响显著，滞后煤壁较远，动压滞后影响距大于超前影响距，高峰传播角较小，作用于工作面收作线外侧的巷道变形，明显大于开切眼外侧巷道变形。
动压是造成跨采软岩巷道破坏的主要原因，岩性差、裂隙发育是引起巷道采动期间剧烈变形的内因。锚注联合支护体系能较好地满足跨采动压作用的要求。
围岩性质是影响跨采巷道稳定的主要因素，针对不同的围岩条件，选择不同支护参数，受跨采影响时，巷道围岩变形一般两帮小于顶底板，顶底板变形以底鼓为主，跨采影响巷道需要加强支护时，应在受移动支承压力影响之前完成。
2 底板变形破坏理论
钱鸣高等学者将破断前的老底看作板结构，断裂之后的块状底板简化为“砌体梁”结构，在其中并考虑了断层对底板破裂影响，使用板的极限理论分析求出了不同边界条件下底板破坏极限荷载的形态及最大变形点位置，用“S-R”稳定理论分析了破断后底板块状结构的稳定条件及范围，为治理底板下方巷道提供了新的理论依据。
80年代末期，很多国家的岩石力学工作者在研究矿柱的稳定性时，研究了底板的破坏机理。其中代表性人物是C.F.Santos和Z.T.Bieniawski。他们基于改进的Hoek-Brown岩体强度准则，并引入临界能量释放和取决于岩石性质和承受破坏应力前的岩石已破坏程度与岩体指标RMR相关的无量纲参数m和n，分析了底板的承载能力。
煤科总院北京开采所王作宇等提出了底板移动的原位胀裂和零位破坏理论。该理论认为在岩体自重力和下部水压力的联合作用下，使其超前压力压缩段岩体整个结构呈现上部受水平挤压，下半部受水平引张的状态，因而在其中部附近的底面上原岩节理裂隙等不连续面就产生岩体的原位张裂。
陈炎光和陆士良认为煤层采动引起回采空间周围岩层应力重新分布，不仅在回采空间周围的煤柱上造成应力集中，而且该应力将向底板岩层深部传递，造成布置在底板岩层中的巷道变形急剧增大。
煤科总院北京开采所刘天泉、张金才等用半无限体上一定长度上受均匀竖向载荷的弹性解，结合Coulomb-Mohr强度理论和Griffith强度理论分别求得底板采动影响的最大破坏深度。张金才等还对条采工作面和长壁工作面围岩应力和底板岩体的破坏深度进行了弹、塑性理论分析，得到相应的计算公式。
西安科技大学的石平五教授提出了大倾角煤层走向长壁开采“R-S-F”系统运动学的一般模型，较系统地研究了大倾角煤层底板破坏滑移力学过程、围岩灾变机理及其防治措施，并给出了相应的评价指标与体系。
闫少宏博士把大倾角软岩底板的力学模型抽象为弹性基础上的简支薄板，通过理论和模拟分析得出了大倾角软岩底板破坏滑移的机理，并对底板产生破坏的临界力进行了计算，为大倾角工作面软岩底板的防治打下了基础。
3 结论
随着采矿业的发展，虽然跨采工作面对跨采巷道的影响越来越普遍的出现在各大矿区，但不少采矿工作者的大都专注于采动影响的大小及范围，只有少数人将跨采巷道的底板应力和位移传递与巷道围岩控制理论结合起来研究跨采巷道处于动压状态下的巷道变形破坏机理。当面对纷繁复杂的采动影响，不仅仅是工作面的动压影响，不少采矿工作者大都习惯于用工程类比的方法，依据以往的经验，墨守成规，导致在实践中缺少创新，在花费了大量人力和物力后，收效甚微。
参考文献：
[1]王作宇，刘鸿泉.承压水上开采[M].北京：煤炭工业出版社，1993
[2]刘先贵.东滩矿底板巷道变形规律研究[J].山东矿业学院学报，1993，12（3），231～235
[3]毕善昌.跨采工作面底板应力位移传递规律及巷道围岩控制研究[D].硕士学位论文，安徽理工大学，2010
[4]何希林.大采深复杂围岩双大巷跨采技术研究[D].硕士学位论文，山东科技大学，2005