專題-跨采大巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其支護(hù)技術(shù)

跨采大巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其支護(hù)技術(shù)摘要：跨煤層底板大巷回采不僅是回收資源的一種有效途徑，更能使被跨采巷道長(zhǎng)期處于開采形成的底版低應(yīng)力區(qū)內(nèi)，顯著減輕巷道圍巖變形，有利于改善巷道維護(hù)狀態(tài)，使巷道保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。但被跨采巷道要依次經(jīng)歷跨采所引起的前支承壓力影響區(qū)、前支承壓力顯現(xiàn)區(qū)、卸壓區(qū)、后支撐壓力區(qū)和壓力重新穩(wěn)定區(qū)，其對(duì)巷道的圍巖整體性具有嚴(yán)重的破壞作用，對(duì)跨采期間巷道的支護(hù)提出新的更高要求。本文總結(jié)了前人對(duì)跨采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、跨采巷道圍巖變形預(yù)測(cè)、跨采巷道圍巖穩(wěn)定性分析及錨注支護(hù)在跨采巷道維護(hù)中的應(yīng)用等問題所做的研究工作，對(duì)跨采大巷的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及其支護(hù)技術(shù)形成了系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞：縱跨；橫跨；礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；圍巖變形；圍巖穩(wěn)定性；錨注支護(hù)1 緒論1.1問題的提出和研究意義最新公布的我國(guó)煤炭工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃1中提出：“煤炭是我國(guó)的主體能源，在一次能源結(jié)構(gòu)中占70%左右。在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，煤炭作為主體能源的地位不會(huì)改變。煤炭工業(yè)是關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈和能源安全的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。”縱觀當(dāng)今世界風(fēng)云，局部地區(qū)的武裝沖突越來(lái)越多的集中于能源問題，可以預(yù)測(cè)，在不遠(yuǎn)的未來(lái)，國(guó)與國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)更多地聚焦于能源的競(jìng)爭(zhēng)與搶奪。能源作為一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力之源，好比一列高速行駛列車的車頭，能源不足必然會(huì)受制于能源供應(yīng)國(guó)的制約，也就不可能成為真正意義上的大國(guó)、強(qiáng)國(guó)。改革開放以來(lái)，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展對(duì)能源的需求量亦與日俱增，增量之大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)生態(tài)環(huán)境所能承受之水平。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2003年我國(guó)原煤產(chǎn)量16.67億t，2004年產(chǎn)量達(dá)到了19.56億t，2005年產(chǎn)量達(dá)到了21.1億t，2006年產(chǎn)量已達(dá)到了23.8億t，2010年原煤產(chǎn)量更高達(dá)32.4億噸，同時(shí)凈進(jìn)口煤炭1.46億噸。與此同時(shí)，我國(guó)煤炭生產(chǎn)與消費(fèi)布局間的矛盾日益加劇。東部地區(qū)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“火車頭”，同時(shí)也是煤炭資源的主要消費(fèi)地區(qū)，而東部煤炭資源卻日漸枯竭，產(chǎn)量萎縮；中部受資源與環(huán)境約束的矛盾加劇，煤炭?jī)粽{(diào)入省增加；資源開發(fā)加速向生態(tài)環(huán)境脆弱的西部轉(zhuǎn)移，不得不過(guò)早動(dòng)用戰(zhàn)略后備資源。北煤南運(yùn)、西煤東調(diào)的壓力增大，煤炭生產(chǎn)和運(yùn)輸成本上升。在這樣的大背景下，東部礦井由于長(zhǎng)期開采，淺部資源日益枯竭，必須轉(zhuǎn)入深部開采。20世紀(jì)50年代，我國(guó)的立井深度平均不到200m，而90年代平均深度已達(dá)600m，相當(dāng)于平均每年以812m的速度向深部延伸。而東部礦井的向下延伸速度更快，平均每年達(dá)1025m。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2010年，開采深度超過(guò)1000米的礦井?dāng)?shù)已達(dá)39對(duì)之多。在國(guó)外主要采煤國(guó)家中，德國(guó)、英國(guó)、波蘭、獨(dú)聯(lián)體等都有深部開采礦井。德國(guó)煤礦礦井的平均采深約為947m，最深達(dá)1713m；英國(guó)煤礦的平均采深為700m，最深達(dá)1000m；波蘭煤礦的平均采深為690m，最深的達(dá)到1300m；獨(dú)聯(lián)體己有許多礦井采深達(dá)12001400m。另外，“對(duì)先前技術(shù)經(jīng)濟(jì)上開采不合理的資源塊段，通過(guò)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步予以回收，最大限度的延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，提高資源采出率”同樣受到學(xué)術(shù)界越來(lái)越多的關(guān)注。對(duì)水平開拓大巷上部的保護(hù)煤柱進(jìn)行跨巷回采，不僅是回收資源的一種有效途徑，更能使被跨采巷道處于開采形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，顯著減輕巷道圍巖變形，有利于改善巷道維護(hù)狀態(tài)，使巷道保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。但是，煤層底板跨采巷道要依次經(jīng)歷前支承壓力影響區(qū)、前支承壓力顯現(xiàn)區(qū)、卸壓區(qū)、后支撐壓力區(qū)和壓力重新穩(wěn)定區(qū)，其對(duì)巷道圍巖整體性的破壞十分嚴(yán)重，以致在一般的支護(hù)條件下，底板大巷經(jīng)歷工作面跨采后，巷道變形程度已嚴(yán)重制約井下的安全生產(chǎn)，要對(duì)大巷進(jìn)行跨采前加固、跨采后二次支護(hù)。總為言之，跨大巷開采的應(yīng)用對(duì)底板巷道的支護(hù)提出了新的更高要求，相配套的支護(hù)技術(shù)必須適應(yīng)跨采巷道的圍巖應(yīng)力特征。根據(jù)圍巖松動(dòng)圈支護(hù)理論2，松動(dòng)圈Lp1.5m的各類巷道圍巖統(tǒng)稱為軟巖，它是各類支護(hù)難度較大的巷道圍巖的總稱，可分為三大類：遇水膨脹型、碎脹型及復(fù)合型軟巖。跨采巷道圍巖通常屬于碎脹型軟巖范疇。這樣跨采巷道的支護(hù)問題可歸納為軟巖巷道的支護(hù)問題中。目前我國(guó)煤炭行業(yè)每年巷道掘進(jìn)量約6000km，軟巖巷道約600km，其中相當(dāng)部分巷道需要返修。特別是在一些老礦區(qū)，由于開采深度相對(duì)較大，深部軟巖巷道維護(hù)問題更為突出，成為制約煤炭開采，影響礦井經(jīng)濟(jì)效益的一大難題，同時(shí)也成為許多專家學(xué)者致力研究的領(lǐng)域。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀關(guān)于采場(chǎng)圍巖控制控制的研究3，自上世紀(jì)50年代礦山壓力與巖層控制課程建立以來(lái)，理論研究與工程實(shí)踐兩方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。其發(fā)展主要概括為以下幾個(gè)部分：采場(chǎng)上覆巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及“關(guān)鍵層理論”；“砌體梁”平衡的關(guān)鍵塊研究及“SR”穩(wěn)定；采場(chǎng)支架圍巖關(guān)系研究及整體力學(xué)模型的建立；采場(chǎng)礦山壓力與支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)。關(guān)于巷道圍巖的控制理論，本世紀(jì)初，古典壓力理論4認(rèn)為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力是其上覆巖層的重量H，如海姆、郎金和金尼克理論。這些理論的不同之處在于對(duì)側(cè)壓系數(shù)的計(jì)算。但是隨著開挖深度的增加，古典壓力理論暴露了許多缺陷。此時(shí)產(chǎn)生了塌落拱理論，其代表有太沙基和普氏。塌落拱理論認(rèn)為塌落拱的高度與地下工程跨度及圍巖性質(zhì)有關(guān)，認(rèn)為巷道圍巖具有自承能力。上世紀(jì)50年代以來(lái)人們開始用彈性力學(xué)來(lái)解決巷道支護(hù)問題，其中最著名的有芬那公式和卡斯特納公式。上世紀(jì)60年代，奧地利工程師LVRbacevvncz在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的隧道施工方法，被稱為新奧地利隧道施工方法，簡(jiǎn)稱新奧法（NATM）。1980年奧地利土木工程學(xué)會(huì)地下空間分會(huì)把新奧法定義為：“在巖體或土體中設(shè)置的使地下空間的周圍巖體形成一個(gè)中空筒狀支撐環(huán)結(jié)構(gòu)為目的的設(shè)計(jì)施工方法?！毙聤W法的核心是利用圍巖的自承作用來(lái)支撐隧道，促使圍巖本身變?yōu)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，使圍巖與構(gòu)筑物共同形成為堅(jiān)固的支承環(huán)。其他理論還有日本山地宏和櫻井春夫提出的圍巖支護(hù)的應(yīng)變控制理論和薩拉蒙等人提出的能量支護(hù)理論。我國(guó)軟巖巷道支護(hù)系統(tǒng)研究工作始于1958年。目前在我國(guó)軟巖巷道支護(hù)領(lǐng)域具有代表性的有軸變論、開挖系統(tǒng)控制論、聯(lián)合支護(hù)技術(shù)、錨噴一弧板支護(hù)理論、松動(dòng)圈理論，二次支護(hù)理論等。此外尚有許多相應(yīng)的軟巖支護(hù)技術(shù)出現(xiàn)。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)的普及，數(shù)值計(jì)算方法也得以廣泛應(yīng)用，如有限元法、邊界元法、離散元法等。以上述方法為基礎(chǔ)的計(jì)算軟件大量涌現(xiàn)，如ADNIA、NOLM、SAP、UDEC、FLAC、FINAL、2D一和3D一等。這些軟件在工程模擬和計(jì)算中發(fā)揮著極大的作用。跨大巷開采的核心問題在于掌握跨采引起的巷道圍巖應(yīng)力重新分布特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)圍巖變形規(guī)律，采取科學(xué)的支護(hù)對(duì)策，保障大巷的安全使用。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)深部巷道圍巖變形量的預(yù)測(cè)，都是建立在實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)巷道圍巖變形機(jī)理，總結(jié)出巷道圍巖變形量與圍巖應(yīng)力、圍巖巖性，以及支護(hù)反力之間的經(jīng)驗(yàn)公式，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)服務(wù)。德國(guó)研究表明，巷道頂?shù)装逡平蔏是巷道圍巖應(yīng)力增量P和底板圍巖強(qiáng)度的函數(shù)，即K=13.3/0.5。俄羅斯研究證明，頓巴斯深部靜壓巷道圍巖變形與巷道埋深H、巷道寬度b、巷道高度h、圍巖強(qiáng)度以及支架對(duì)圍巖的反力（包括支架對(duì)頂板反力q頂和對(duì)兩幫的反力q幫）有關(guān)14。國(guó)內(nèi)蔣金泉6-7學(xué)者以南屯煤礦實(shí)際生產(chǎn)中所積累的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，提出了跨采巷道有利于圍巖控制的合理布置參數(shù)，并對(duì)跨采巷道的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行亞分類，實(shí)現(xiàn)跨采巷道錨桿支護(hù)的科學(xué)化、系統(tǒng)化、定量化。但其支護(hù)參數(shù)與今天的支護(hù)設(shè)備間存在嚴(yán)重的脫節(jié)。同時(shí)，錨注支護(hù)作為跨采巷道支護(hù)的一種新途徑，不斷地在各大礦井中得以應(yīng)用，并取得了出色的效果。可以預(yù)料，隨著深部礦井的日益增多，深部軟巖支護(hù)必將持續(xù)吸引更多的專家學(xué)者進(jìn)入研究。1.3研究?jī)?nèi)容（1）跨采巷道卸壓機(jī)理；（2）跨采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、圍巖變形規(guī)律、圍巖應(yīng)力分布特征；（3）跨采巷道圍巖變形預(yù)測(cè)；（4）跨采巷道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其分類，相應(yīng)加固方案的科學(xué)化、系統(tǒng)化、定量化；（5）錨注支護(hù)在跨采巷道支護(hù)中的應(yīng)用。1.4研究方法（1）現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)深部巷道圍巖的表面位移、應(yīng)力狀態(tài)、錨桿受力、采動(dòng)條件、支護(hù)方式等進(jìn)行分析，為理論分析及數(shù)值計(jì)算提供依據(jù)。（2）數(shù)值模擬。用FLAC3D數(shù)值分析軟件，對(duì)深部巷道圍巖的多元應(yīng)力作用效應(yīng)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)和變形破壞規(guī)律等進(jìn)行模擬分析，為深部巷道加固和跨采奠定基礎(chǔ)。（3）理論分析。在上述研究的基礎(chǔ)上，對(duì)跨采巷道的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、圍巖的變形演化規(guī)律、結(jié)構(gòu)效應(yīng)和破壞機(jī)理等進(jìn)行理論分析，給出科學(xué)合理的開采方法及支護(hù)設(shè)計(jì)方法。2 利用跨采進(jìn)行巷道卸壓的機(jī)理2.1沿工作面推進(jìn)方向圍巖應(yīng)力變化規(guī)律在采用單一長(zhǎng)壁垮落采煤法的采煤工作面8，沿工作面推進(jìn)方向，工作面煤壁前方及采空區(qū)兩側(cè)的煤體或煤柱內(nèi)，將出現(xiàn)應(yīng)力增高區(qū)。工作面后方將出現(xiàn)一定范圍的應(yīng)力降低區(qū)。采空區(qū)周圍的煤體（柱）在高應(yīng)力作用下，邊緣會(huì)出現(xiàn)一定寬度的破碎帶和塑性變形區(qū)。塑性區(qū)靠采空區(qū)一側(cè)，應(yīng)力下降，低于原巖應(yīng)力H，形成應(yīng)力降低區(qū)；塑性區(qū)靠煤體一側(cè)應(yīng)力按指數(shù)曲線增長(zhǎng)到KH（K為應(yīng)力增高系數(shù)）。K值在回采工作面附近較大，若為一側(cè)采動(dòng)煤體，K的最大值一般為2.53.0；若為兩側(cè)均受采動(dòng)影響的煤柱，寬度又不太大時(shí)（3040m以內(nèi)），則煤柱上的應(yīng)力應(yīng)趨于均勻分布，在回采工作面附近的K值一般為45。在采空區(qū)后方，隨著與回采工作面的距離不斷增加，煤柱上的支承應(yīng)力及其影響范圍將逐漸減小，大約在回采工作面后方100m以外，煤柱上的應(yīng)力趨于穩(wěn)定。這時(shí)，煤體一側(cè)采動(dòng)時(shí)的K值為1.5左右，兩側(cè)采動(dòng)時(shí)為3左右。煤體（柱）邊緣應(yīng)力降低區(qū)的寬度隨著開采深度H、煤層采高M(jìn)和應(yīng)力增高系數(shù)K的增大而增加，當(dāng)H、M和K值一定時(shí)，則隨著煤體內(nèi)摩擦角與粘聚力c的降低而增大。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)力降低區(qū)寬度的變化范圍為27m，一般為35m。應(yīng)力降低區(qū)寬度的變化對(duì)選擇煤柱寬度、巷道布置及維護(hù)有很大影響。如果巷道位于采煤工作面附近煤體中的應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)，將因承受很高的支承應(yīng)力而難以維護(hù)；若巷道位于煤體邊緣的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)或位于采煤工作面后方較遠(yuǎn)處的應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，因受到的壓力較小比較容易維護(hù)。2.2沿工作面傾斜方向圍巖應(yīng)力變化規(guī)律在沿工作面傾斜方向8，采空區(qū)周圍的應(yīng)力分布如圖1所示。煤層開采后在煤層底板中亦形成一定范圍的應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)。應(yīng)力增高區(qū)的邊界從煤體（柱）邊緣向采空區(qū)方向呈一定角度延伸；而在采空區(qū)下方角以外的巖層中則形成低于原巖應(yīng)力的應(yīng)力降低區(qū)。而且愈靠近采空區(qū)邊緣的底板處，應(yīng)力值愈小。圖1沿工作面傾斜方向的圍巖應(yīng)力分布示意圖底板中應(yīng)力增高區(qū)和應(yīng)力降低區(qū)的形狀和邊界，受許多因素影響。例如底板巖層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和物理力學(xué)性質(zhì)，煤體（柱）的變形特征，煤柱的寬度，巖層的傾角，載荷分布強(qiáng)度和不對(duì)稱性等等。位于煤層底板中的巷道，若處于應(yīng)力增高區(qū)內(nèi)，將承受較大的集中應(yīng)力而遭到破壞；若巷道處于應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，則易于維護(hù)。2.3跨采大巷的合理位置關(guān)系根據(jù)采空區(qū)下方底板巖層中應(yīng)力分布的特征8，為了有利于煤層底板中巷道的維護(hù)，可在巷道上方的煤層中布置采煤工作面進(jìn)行跨采，或者在掘巷前進(jìn)行預(yù)采，然后待采空區(qū)內(nèi)巖層跨落穩(wěn)定后再在底板的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)掘進(jìn)巷道。被跨采巷道的維護(hù)狀況主要取決于它與上方跨采工作面煤體（柱）邊緣的相對(duì)位置，即取決于圖1中參數(shù)z、x和角等值的大小。z為被跨采巷道與上部回層間的法線距離，x為被跨采巷道與上部回采煤層煤柱邊緣的水平間距，為底板巖石應(yīng)力升高區(qū)的擴(kuò)展影響角。z值的確定主要取決于跨采工作面前支承壓力的大小及底板圍巖的性質(zhì)，x值（或值）的確定主要取決于側(cè)向支撐壓力的大小及其在底板巖石中的擴(kuò)展影響。根據(jù)我國(guó)一些礦區(qū)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于一般的煤系巖層，最小的z值通常選為812m，圍巖較松軟時(shí)為1520m。值根據(jù)煤層傾角和底板巖性不同，介于2555之間，一般緩斜煤層中=2545，中斜煤層中=3555。當(dāng)?shù)装鍘r石較堅(jiān)硬時(shí)，支承壓力在底板巖石中的傳遞深度比較小，同時(shí)圍巖的抗變形能力也較強(qiáng)，這時(shí)z和值都較小。所以被跨采巷道應(yīng)盡可能布置在堅(jiān)硬穩(wěn)定的底板巖石中，以利于巷道維護(hù)。只要合理的選擇跨采參數(shù)z和x值，一般情況下利用跨采卸壓均可使底板巖巷（或煤巷）在跨采期間不產(chǎn)生過(guò)大的附加變形，在跨采后變形速度迅速衰減，并趨于較小的穩(wěn)定值，從而使巷道處于較好的維護(hù)狀態(tài)和長(zhǎng)期保持其穩(wěn)定。3 跨采大巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律按跨采工作面與被跨采巷道的空間相對(duì)位置不同8，跨采方式分為兩大類：跨巷回采與跨越回采?？缦锘夭墒侵腹ぷ髅嫱七M(jìn)方向與被夸巷道平行的跨采方式，這時(shí)采煤工作面始終在下面的巷道上進(jìn)行回采（亦稱縱跨），例如走向長(zhǎng)壁工作面跨大巷、跨區(qū)段巖石集中平巷回采，或傾斜長(zhǎng)壁工作面跨巖石（煤層）集中斜巷回采等。跨越回采是指回采工作面推進(jìn)方向與被跨巷道垂直的跨采方式（亦稱橫跨），例如走向長(zhǎng)壁工作面跨上山、或傾斜長(zhǎng)壁工作面跨中間平巷、跨大巷回采等。3.1深部巷道在多元應(yīng)力場(chǎng)中的圍巖穩(wěn)定性分析3.1.1數(shù)值計(jì)算模型的建立以汶南煤礦650m水平西大巷及總回風(fēng)巷為基本條件建立9。受斷層構(gòu)造的影響，巷道地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性變化大，主要為粉砂巖、紅層、細(xì)砂巖。巷道支護(hù)形式一般為噴錨噴、錨網(wǎng)噴支護(hù)，圍巖較差的塊段加二次網(wǎng)，單層錨桿間距為1000mm1000mm，錨桿型號(hào)為22、L=2200mm的全螺紋鋼等強(qiáng)錨桿，噴層厚150mm。以西大巷所處的粉砂巖段的實(shí)際巖層柱狀建立計(jì)算模型。分別對(duì)應(yīng)三種應(yīng)力狀態(tài)：自重型原巖應(yīng)力場(chǎng)，zz=H=23.6MPa。xx=u/（1u）H=8.26MPa；構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，zz=H=23.6MPa，最大水平應(yīng)力為1.3H=30.7MPa；有采動(dòng)影響的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，zz=H+0.5H=35.4MPa，xx=34.8MPa。共建模型3個(gè)，模型高度和寬度、長(zhǎng)度均為100m，并對(duì)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。3.1.2巷道圍巖變形特征與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系巷道圍巖在三種應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的變形計(jì)算結(jié)果為：巷道圍巖周邊變形形態(tài)基本相似，而變形量數(shù)值不同，且頂、底、幫各結(jié)構(gòu)部位變形量的相對(duì)關(guān)系與應(yīng)力場(chǎng)特征有著密切聯(lián)系。三種應(yīng)力狀態(tài)下的巷道圍巖變形值見表1。表1多元應(yīng)力作用下巷道圍巖變形量應(yīng)力狀態(tài)兩幫移近量/mm底鼓量/mm頂板下沉量/mm自重型原巖應(yīng)力場(chǎng)26.416198.7構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)166173106.8有采動(dòng)影響的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)176231149.8構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中巷道圍巖變形與自重型原巖應(yīng)力場(chǎng)中巷道圍巖變形相比，巷道兩幫變形量大幅度增加，頂?shù)装遄冃瘟烤兴黾?，且變形增加主要表現(xiàn)為兩幫移近量的增加。這說(shuō)明水平構(gòu)造應(yīng)力主要導(dǎo)致巷道兩幫移近量的急劇增加，對(duì)頂?shù)装逡平康挠绊戄^小。在有采動(dòng)影響的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，巷道變形量較構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中的巷道變形有明顯增加，其中頂板下沉量與底瞰量增加幅度相當(dāng)，約為50%，且均大于兩幫變形值。圍巖變形中底鼓量最大。因此，在采動(dòng)應(yīng)力作用下，底板將產(chǎn)生滑移塑性破壞，造成嚴(yán)重底鼓，底板加固不容忽視。3.1.3巷道圍巖塑性破壞區(qū)發(fā)育形態(tài)與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系巷道在三種應(yīng)力狀態(tài)下的破壞區(qū)范圍見表2。表2三種應(yīng)力狀態(tài)下巷道破壞區(qū)范圍應(yīng)力狀態(tài)破壞區(qū)范圍/m兩幫底板頂板最大值最大支部位自重型原巖應(yīng)力場(chǎng)1.202.081.002.08拱基與基角構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)1.382.311.062.31底板中部有采動(dòng)影響的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)2.043.751.753.75底板中部經(jīng)分析可以看出，當(dāng)巷道處于自重型原巖應(yīng)力場(chǎng)中時(shí)，破壞區(qū)最大位置分布在拱基、兩基角和較軟弱巖層處；而當(dāng)巷道處于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和有采動(dòng)影響的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中時(shí)，巷道破壞區(qū)的最大位置將轉(zhuǎn)移至底板中部。巷道破壞區(qū)大小受巷道所處巖層的強(qiáng)度影響，一般來(lái)說(shuō)，巖層強(qiáng)度越大時(shí)，巷道圍巖破壞區(qū)越小。3.1.4巷道圍巖應(yīng)力分布特征與應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系巷道圍巖在三種應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力分布特征如圖2圖4所示。從水平應(yīng)力示意圖可以看出，無(wú)論巷道處于何種應(yīng)力狀態(tài)，巷道頂板、深部底板和兩基角處均處于應(yīng)力集中狀態(tài)，而兩幫和底板淺部巖層則由于發(fā)生塑性破壞而處于卸壓狀態(tài)。在自重型原巖應(yīng)力場(chǎng)中，巷道各部位的水平應(yīng)力分布雖有差異，但不十分明顯，應(yīng)力集中和卸壓程度都比較緩和，只有兩基角處有較突出的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在底板淺部巖層甚至還因?yàn)橄蛏蠌澢霈F(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)。在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，巷道頂板、深部底板和兩基角處水平應(yīng)力集中程度急劇增加，且應(yīng)力集中范圍加大，并向巷道圍巖深部擴(kuò)展。兩幫和淺部底板因塑性區(qū)擴(kuò)大，卸壓區(qū)范圍變得更大，卸壓程度明顯。在有采動(dòng)影響的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，巷道頂板、淺部底板和兩基角處的水平應(yīng)力集中程度相對(duì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中時(shí)有所增加，且應(yīng)力集中范圍由增大的趨勢(shì)，兩幫應(yīng)力集中區(qū)繼續(xù)向深部轉(zhuǎn)移。底板卸壓范圍也在增加，卸壓程度較明顯。a.水平應(yīng)力b.垂直應(yīng)力圖2自重型原巖應(yīng)力場(chǎng)中巷道圍巖的應(yīng)力分布a.水平應(yīng)力b.垂直應(yīng)力圖3構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中巷道圍巖的應(yīng)力分布a.水平應(yīng)力b.垂直應(yīng)力圖4有采動(dòng)影響的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中巷道圍巖的應(yīng)力分布從垂直應(yīng)力示意圖可以看出，在三種應(yīng)力作用狀態(tài)下，巷道兩幫和兩基角始終處于應(yīng)力集中狀態(tài)，而頂板和底板應(yīng)力始終較小，且底板應(yīng)力水平小于頂板，甚至在底板中還出現(xiàn)了較小的拉應(yīng)力。在自重型原巖應(yīng)力場(chǎng)中，巷道頂、底板處于卸壓狀態(tài)，但卸壓范圍較小，且底板低應(yīng)力范圍大于頂板。兩幫和基角處于高度應(yīng)力集中狀態(tài)，且范圍較大。在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，巷道頂、底板淺部圍巖地應(yīng)力范圍明顯增大，卸壓程度增強(qiáng)，兩幫和兩基角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象有所增加，應(yīng)力集中范圍也大幅度增加。在有采動(dòng)影響的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中時(shí)相比較，巷道頂、底板卸壓程度有所降低，卸壓范圍小，但大于自重型原巖應(yīng)力場(chǎng)中的卸壓范圍，兩幫壓力集中程度和集中范圍卻明顯增大，兩基角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象介于其他兩種應(yīng)力狀態(tài)之間。3.1.5小結(jié)通過(guò)對(duì)巷道圍巖在多元應(yīng)力作用下的數(shù)值模擬計(jì)算，可以得出如下結(jié)論：（1）巷道底板不論在何種應(yīng)力條件下，其變形和發(fā)生塑性破壞的程度都比較高。導(dǎo)致這一結(jié)果的最主要原因是巷道底板的直線形狀和較大的水平應(yīng)力。深部礦井中，巷道圍巖應(yīng)力水平高，在高應(yīng)力作用下，底板極易發(fā)生底鼓。必要時(shí)應(yīng)該適當(dāng)進(jìn)行支護(hù)，如采用反底拱、底板打錨桿、底板注漿等，以提高底板抵抗變形的能力。當(dāng)采深較大，又存在水平構(gòu)造應(yīng)力時(shí)，底鼓逐漸不易控制，此時(shí)應(yīng)從根本上解決底板受力狀態(tài)，即改直線型底板為反拱形并進(jìn)行支護(hù)。但該過(guò)程宜在掘進(jìn)一段時(shí)間稍有底鼓后起底進(jìn)行，此時(shí)水平應(yīng)力已釋放一部分，易于達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定。（2）水平構(gòu)造應(yīng)力能造成巷道兩幫移近量和底鼓量急劇增加，但對(duì)頂板下沉量影響較小。在較大的水平構(gòu)造應(yīng)力作用下，巷道兩幫被迫向巷道空間移動(dòng)，造成頂板和底板中水平壓應(yīng)力集中，在肩窩和底角處可能發(fā)生剪切及滑移破壞。因此在存在水平構(gòu)造應(yīng)力的條件下，應(yīng)通過(guò)加大錨桿長(zhǎng)度和密度及敷設(shè)剛帶等措施控制兩幫移近，同時(shí)布置基角錨桿，增加幫與底的聯(lián)系，提高巷道整體性。（3）巷道應(yīng)力集中區(qū)及塑性區(qū)發(fā)育部位并不一定是變形最大的部位，但對(duì)圍巖變形部位產(chǎn)生間接的影響。例如，在基角處一般容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力水平較高，從圍巖位移場(chǎng)矢量圖可以看出，此位置的巖體有向巷道底板中部運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，而底板中部的巖體則被擠壓后向上運(yùn)動(dòng)。經(jīng)模擬，在巷道基角處，以一定角度（4560）打錨桿可以有效地抵制巖體的這種變形，從而減小底鼓。3.2工程實(shí)例文獻(xiàn)10-11認(rèn)為，當(dāng)巷道受到跨采時(shí)，在橫跨條件下巷道受到的頂壓比縱跨條件下高22.25%，橫跨條件下承受的橫向壓力也比縱跨條件下大。對(duì)14條縱跨巷道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，只有3條巷道發(fā)生了較大范圍的冒頂，而橫跨的12條巷道有8條巷道發(fā)生了較嚴(yán)重的冒頂，其中5條巷道的冒頂是全冒。國(guó)內(nèi)霍振奇4學(xué)者對(duì)邢臺(tái)煤礦7601綜采工作面進(jìn)行了“近距離”跨巷開采的試驗(yàn)研究。敘述如下。3.2.1跨采概況7601綜采工作面長(zhǎng)約120m，平均煤厚6.3m，煤層最大傾角為9，采用走向長(zhǎng)壁傾斜分層采煤法，分層采高一般為2.83.0m，跨采巷道為一條與煤層傾斜方向相一致的采區(qū)中間軌道上山回風(fēng)石門，其圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，局部地段易風(fēng)化破碎，巖石單向抗壓強(qiáng)度一般為3070MPa，跨采間距在工作面回風(fēng)巷處為24m，往運(yùn)輸巷方向逐漸變小，運(yùn)輸巷處最小為3m；在跨采巷道內(nèi)，跨采間距小于8m處采用料石砌漩支護(hù)（由于跨采前用U型鋼支架對(duì)其進(jìn)行了加固，所以實(shí)際上應(yīng)該說(shuō)是砌碹與U型鋼支架的聯(lián)合支護(hù)），間距大于8m處采用U型鋼支架支護(hù)。3.2.2礦壓顯現(xiàn)規(guī)律圖5顯示了跨采巷道頂?shù)装逡平俣萔的變化規(guī)律，并表明V與巷道至工作面見的水平距離L關(guān)系密切?？绮上锏赖牡V壓顯現(xiàn)規(guī)律與回采工作面前后方的壓力分布規(guī)律基本一致，因此，將V隨L的變化特征分為：不受采動(dòng)影響區(qū)（E），前支承壓力影響區(qū)（D），前支承壓力顯現(xiàn)區(qū)（B）、卸壓區(qū)和后支撐壓力區(qū)（S）和壓力重新穩(wěn)定區(qū)（H）?？绮上锏赖V壓顯現(xiàn)規(guī)律敘述如下：（1）當(dāng)巷道與工作面之間的水平超前距離L前大于6070m時(shí)，巷道圍巖處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，V值甚小而難以測(cè)得，故可認(rèn)為不受采動(dòng)影響區(qū)約在工作面前方6070m以外。（2）在L前小于6070m而大于2030m的范圍內(nèi)，巷道圍巖開始運(yùn)動(dòng)，V值緩慢升高，此即前支承壓力影響區(qū)。（3）當(dāng)L前小于2030m以后，巷道圍巖劇烈運(yùn)動(dòng)，V值大幅度升高，并在一定的位置上出現(xiàn)峰值和亞峰值，此即前支承壓力顯現(xiàn)區(qū)。由表3可知，前支承壓力顯現(xiàn)區(qū)超前工作面的距離B一般為2030m，頂分層平均為22.1m，底分層平均為25.7m；壓力峰值超前工作面的距離a一般為4.57.5m，頂分層平均為6.4m，底分層平均為5.2m。亞峰值超前工作面的距離a1一般為1018m，頂分層平均為14.8m，底分層平均為13.8m。（4）當(dāng)工作面跨過(guò)巷道之后，V的變化規(guī)律具有四大特點(diǎn)：急劇下降、并最終趨于穩(wěn)定；穩(wěn)定前夕略有升高；當(dāng)巷道與工作面之間的水平滯后距離L后小于某一數(shù)值C時(shí)（頂分層跨采時(shí)C值一般為15m左右，底分層跨采時(shí)C值大致為5m），跨采間距較小處的V值為負(fù)數(shù)，即巷道頂板巖層不是下沉而是上升，我們稱之為“逆降”現(xiàn)象。最大累計(jì)逆降量頂分層跨采時(shí)為8.5mm，底分層跨采時(shí)為10mm，逆降持續(xù)時(shí)間大致為46天。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，這種“逆降”現(xiàn)象并非連續(xù)出現(xiàn)，而是和下沉相互交替的，但總的趨勢(shì)是“逆降”?？绮砷g距較大時(shí)無(wú)“逆降”現(xiàn)象，只是V的下降幅度很大。當(dāng)L后大于C值后，V值又稍有增大，并在一定范圍內(nèi)（大致為2030m）保持一個(gè)較大的數(shù)值。圖5跨采巷道V與L的關(guān)系曲線（典型示意圖）表3前支承壓力顯現(xiàn)區(qū)超前工作面的距離統(tǒng)計(jì)表第一階段測(cè)點(diǎn)ABCDE平均B/m18.519.525.024.023.022.1a/m7.57.07.05.55.06.4a1/m13.513.018.014.8第二階段測(cè)點(diǎn)1234567平均B/m20.026.830.024.028.027.423.525.7a/m4.35.14.94.56.56.05.05.2a1/m15.516.014.515.512.512.010.513.83.2.3跨采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的分析（1）在前支承壓力顯現(xiàn)區(qū)內(nèi)，跨采巷道頂?shù)装謇塾?jì)移近量約占其總數(shù)的40%60%。因此，應(yīng)盡量加快該階段工作面的推進(jìn)速度，以縮短采動(dòng)支承壓力對(duì)巷道的作用時(shí)間。（2）在前支承壓力顯現(xiàn)區(qū)內(nèi)，巷道頂?shù)装逡平俣扔袃蓚€(gè)高峰值峰值和亞峰值。由此可以推論，工作面前支承壓力具有“雙峰值”特性。關(guān)于“雙峰”的形成機(jī)理，目前還沒有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。某些研究者認(rèn)為，工作面上覆巖層內(nèi)的老頂巖梁超前煤壁斷裂是形成前支承壓力“雙峰值”的重要原因：工作面上覆巖層內(nèi)的老頂巖梁超前煤壁斷裂之后，應(yīng)力場(chǎng)以斷裂線為界分為兩部分，一部分是在斷裂線與煤壁之間由已斷裂巖梁的自重所決定的“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”；另一部分是在斷裂線以外由上覆巖層的整體重量所決定的“外應(yīng)力場(chǎng)”。內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)在各自的作用范圍內(nèi)均有一個(gè)峰值，導(dǎo)致前支承壓力具有“雙峰值”特性。但是，現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)的結(jié)果與之有些出入，主要表現(xiàn)為：按上述觀點(diǎn)計(jì)算，老頂巖梁的斷裂位置應(yīng)在工作面煤壁前方1012m處，我們認(rèn)為這是不可能的，因?yàn)?601綜采工作面的周期來(lái)壓步距平均只有10m；既然“雙峰值”的出現(xiàn)是老頂巖梁超前煤壁斷裂的結(jié)果，那么底分層的“雙峰值”就無(wú)法解釋，然而底分層的“雙峰值”現(xiàn)象比頂分層更明顯。觀測(cè)和研究的結(jié)果表明，工作面上覆巖層（包括地表）的變形和移動(dòng)起始于煤壁前方，呈漏斗狀。由于各巖層厚度和力學(xué)性質(zhì)的差異，所以其變形和移動(dòng)不可能是完全一致的，從而就會(huì)產(chǎn)生超前煤壁的“離層”。我們認(rèn)為，這種存在于工作面上覆巖層內(nèi)的超前煤壁的“離層”則是形成前支承壓力“雙峰值”的主要原因。由于超前“離層”的存在，導(dǎo)致了巖層壓力轉(zhuǎn)移方式的改變，結(jié)果在煤壁附近和“離層”的尖端附近引起了壓力的高度集中，從而就會(huì)在兩個(gè)不同的層位上形成支承壓力。因此，兩個(gè)支承壓力經(jīng)傳遞和迭加而形成的工作面前支承壓力必然具有“雙峰值”特性。（4）“逆降”現(xiàn)象是跨采巷道的一種殊的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，盡管并不多見，但其確實(shí)存在。山東煤研所于1984年在龍口礦區(qū)北皂煤礦也曾觀測(cè)到過(guò)這種現(xiàn)象。當(dāng)跨采巷道進(jìn)入工作面卸壓區(qū)之后，跨采間距較小處的巷道圍巖（含支護(hù)體）基本上已全部破壞，故可將其視為一個(gè)“拱形塊體結(jié)構(gòu)”。此時(shí)，由于垂直壓力大幅度降低，而水平壓力的變化較小，所以這個(gè)“拱形塊體結(jié)構(gòu)”的拱頂就會(huì)在較大的水平壓力作用下被迫上移，從而產(chǎn)生了“逆降”現(xiàn)象。關(guān)于“逆降”現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，還有人解釋為巷道圍巖（含支護(hù)體）具有彈性?？磥?lái)在這方面還有待今后進(jìn)一步研究。（5）從跨采巷道的最終變形結(jié)果（見表4）可以看出，跨采巷道的變形以垂直變形為主，水平變形甚微。但應(yīng)當(dāng)說(shuō)明，當(dāng)跨采巷道進(jìn)入工作面卸壓區(qū)之后，水平變形會(huì)突然增大，所以在跨采巷道進(jìn)入工作面卸壓區(qū)之前應(yīng)采取措施控制其水平變形。表4跨采巷道最終變形結(jié)果統(tǒng)計(jì)表巷道參數(shù)高度/m寬度/m面積/m2設(shè)計(jì)剩余變化率/%設(shè)計(jì)剩余變化率/%設(shè)計(jì)剩余變化率/%U鋼支護(hù)3.02.5515.04.23.965.610.508.5318.8砌碹支護(hù)3.02.758.33.23.13.18.267.3411.1（6）后支承壓力滯后工作面的距離S在頂分層為83108m，平均為96m，其分布特點(diǎn)是工作面的上部和下部較大，而中部較小；底分層為5056.5m，平均為52.5m，約是頂分層的1/2，其分布特點(diǎn)是工作面各部位都基本相同。這表明，底分層頂板系膠結(jié)再生巖層，自然軟化，完整性差，二次冒落后壓實(shí)時(shí)間大大縮短。該現(xiàn)象在孫村礦也有出現(xiàn)12，當(dāng)?shù)谝婚_采層開采后，第二、三層繼續(xù)開采對(duì)下覆巷道的影響明顯減弱。3.3縱跨底板巷道圍巖變形規(guī)律圖6為根據(jù)大量觀測(cè)結(jié)果總結(jié)出的底板巷道受采動(dòng)影響的圍巖變形規(guī)律13。由順槽到工作面中部，超前支承壓力及其作用下的底板圍巖變形逐增大；頂?shù)装搴蛢蓭鸵平俣确謩e在工作面前方和煤壁下方達(dá)到高峰，前者是工作面前方底板垂直應(yīng)力集中所致，后者是煤壁下方層面滑移和水平應(yīng)力微集中所致。雖然工作面后方底板處于卸壓狀態(tài)，但巷道受超前壓力作用后圍巖穩(wěn)定性降低，底板應(yīng)力的增加會(huì)促使圍巖破壞有所發(fā)展，因而工作面后方巷道圍巖仍以一定的速度移近。尤其是跨采后處于采空區(qū)壓力峰下方時(shí)，移近速度會(huì)更大；但若跨采后處于順槽和采空區(qū)壓力峰中部附近，則將一直處于高度卸壓狀態(tài)下，圍巖變形趨于穩(wěn)定。處于工作面兩側(cè)煤體下方的底板巷道或上山的對(duì)應(yīng)部分，不僅受到工作面后方側(cè)向支承壓力的長(zhǎng)期作用，更嚴(yán)重的是將會(huì)受到相鄰工作面回采時(shí)疊加支承壓力的雙重作用，使維護(hù)更加困難。圖6縱跨作用下底板巷道圍巖變形3.4橫跨底板巷道圍巖變形規(guī)律工作面橫跨底板巖巷回采主要有：走向長(zhǎng)壁工作面跨上山、傾斜長(zhǎng)壁工作面跨中間平巷、跨大巷回采等幾種情況，其礦壓顯現(xiàn)規(guī)律均相似，其中走向長(zhǎng)壁工作面跨上山回采最為典型，以下以走向長(zhǎng)壁工作面跨上山回采為例，對(duì)橫跨底板巖巷回采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行敘述?？绮蓵r(shí)在采空區(qū)邊緣保留的煤柱對(duì)被跨越巷道的變形有明顯影響8。是否保留區(qū)段煤柱以及跨越上山回采的順序不同，對(duì)上山巷道的壓力分布及變形特征影響較大。常見的有以下三種情況：（1）上山一側(cè)的采煤工作面，在另一側(cè)的采煤工作面距上山較遠(yuǎn)時(shí)就跨越上山，區(qū)段間保留煤柱；（2）跨采方法同上，但下區(qū)段工作面回采時(shí)將與上區(qū)段間的煤柱回收干凈；（3）一側(cè)工作面先采至上山煤柱處停采，然后另一側(cè)工作面再跨越采過(guò)上山，并留區(qū)段煤柱。圖7跨越回采時(shí)上山圍巖變形以上3種回采順序，被跨采上山圍巖變形曲線分別如圖7中曲線1、2和3所示。兩翼工作面均不跨越上山，保留較寬的上山煤柱時(shí)，圍巖變形如圖7中曲線4所示。這時(shí)圍巖變形量不大，但隨著煤柱寬度的減小，圍巖變形量將迅速增大。從圖7中可以看出，如果區(qū)段煤柱不回收，則位于區(qū)段煤柱下方及附近區(qū)域的上山圍巖變形量將顯著增大，要比回收區(qū)段煤柱時(shí)高2倍以上。因此，在被跨越巷道的上方應(yīng)盡可能回收干凈，不留煤柱。為使跨越開采取得較好的卸壓效果，使巷道在上部回采工作面跨采期間維護(hù)良好，并在跨采后長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）跨采的一翼，必須在另一翼的回采工作面還遠(yuǎn)離被夸巷道時(shí)，就先行跨越過(guò)巷道，超前時(shí)間宜在3個(gè)月以上，以免巷道受到兩側(cè)采動(dòng)影響，實(shí)踐表明，被夸巷道受兩側(cè)采動(dòng)影響時(shí)，變形量要比只受一側(cè)采動(dòng)影響時(shí)至少大4倍以上；（2）被跨巷道上方盡量做到完全回采，不留任何形式的煤柱；（3）將被跨巷道布置在較穩(wěn)定的巖層內(nèi)，且z值一般應(yīng)大于8m；（4）跨采工作面跨過(guò)巷道后的停采線位置與巷道間的水平距離一般應(yīng)在2030m以上，并在停采后拆除工作面的所有支架，使頂板充分冒落并進(jìn)行封閉，最好再進(jìn)行防火灌漿處理。目前我國(guó)煤礦底板巷道廣泛采用錨噴支護(hù)方式。在一定的條件下，跨采容易引起局部噴層脫落，影響支護(hù)效果和圍巖穩(wěn)定性。工作面跨采時(shí)，底板應(yīng)力和巷道圍巖應(yīng)力時(shí)按一定的規(guī)律變化的，跨采時(shí)間也證明，這種破壞也是按一定規(guī)律進(jìn)行的。雖然表5中跨采巷道的圍巖性質(zhì)、法向距離及斷面形狀不同，但噴層脫落主要發(fā)生在返推進(jìn)方向的側(cè)幫及其拱部（或頂部），如圖8所示13。工作面跨采時(shí)，底板巖層中最大主應(yīng)力1及其與煤層法線的夾角的變化情況表明，圍巖主應(yīng)力方向隨工作面的逼近逐漸回轉(zhuǎn)，工作面前方8m以遠(yuǎn)值較小，巷道兩幫及其拱部受載基本對(duì)稱。但工作面煤壁下方附近值達(dá)到2050，在此應(yīng)力狀態(tài)下，巷道圍巖反推進(jìn)方向側(cè)的巷幫及拱部出現(xiàn)了上述破壞現(xiàn)象。巷道距煤層的法向距離越小，值變化越大，這種破壞特征也愈明顯。為提高支護(hù)下效果和圍巖穩(wěn)定性，對(duì)巷道上述容易破壞的部位應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。具體措施包括，增加反推進(jìn)方向的巷幫及其拱部的錨桿密度和噴層厚度等。工作面推進(jìn)到底板巷道上方時(shí)，巷道一側(cè)的圍巖破裂也是造成工作面煤壁下方兩幫移近速度較高的原因之一。由于在平行工作面和垂直工作面的底板巷道受跨采作用時(shí)，兩幫移近速度均在煤壁下方達(dá)到高峰，因而層面滑移才是兩幫移近速度增大的主要原因。圖8巷道圍巖破壞與圍巖應(yīng)力狀態(tài)表5受跨采作用的底板巷道噴層脫落情況局礦巷道跨采面法向距里/m圍巖性質(zhì)斷面支護(hù)方式噴層脫落情況兗州火藥庫(kù)回風(fēng)上山230829.6黑色泥巖直墻半圓拱形錨噴主要發(fā)生在反推進(jìn)方向的側(cè)幫及其拱部興隆莊5303聯(lián)絡(luò)石門530318.5粉砂巖、細(xì)砂巖、局部泥巖兗州八采區(qū)皮帶下山860519.2兩幫為煤體，頂?shù)诪檎惩翈r冒落面積：反推進(jìn)方向側(cè)的幫及其拱部17.46%，另一側(cè)幫及拱部11.22%唐村八采區(qū)軌道下山15.3兩幫煤體，頂為石灰?guī)r，底為粘土巖梯形冒落面積：反推進(jìn)方向的側(cè)幫8.28%，另一側(cè)幫0.67%，頂部8.46%綜上所述，采用跨采方式進(jìn)行卸壓開采，可使被跨越巷道處于開采形成的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，可顯著減輕巷道圍巖變形，有利于改善巷道維護(hù)狀態(tài)，使巷道保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。同時(shí)，跨越開采還可使回采工作面連續(xù)長(zhǎng)距離推進(jìn)，減少工作面搬遷次數(shù)，簡(jiǎn)化巷道布置及生產(chǎn)系統(tǒng)，提高勞動(dòng)效率，使采煤生產(chǎn)向簡(jiǎn)化、集中、無(wú)煤柱方向發(fā)展。近年來(lái)跨采方式在我國(guó)煤礦中又有了新的發(fā)展8。例如，阜新、兗州等礦區(qū)采用跨越多組上山的連續(xù)回采方式，沿走向每隔500800m左右布置一組上（下）山，然后回采工作面連續(xù)跨越多組上（下）山進(jìn)行回采，極大地增加了回采工作面的連續(xù)推進(jìn)距離。又如銅川礦務(wù)局王石凹礦采用的跨越多組石門連續(xù)回采方式，以及晉城礦務(wù)局鳳凰山礦采用的傾斜長(zhǎng)壁工作面跨越多組中間平巷的連續(xù)回采方式，不僅取得了較好的巷道維護(hù)效果，而且有利于實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化開采，取得了顯著地經(jīng)濟(jì)效益。4 跨采時(shí)底板巷道圍巖變形預(yù)測(cè)底板巷道跨采以前需要進(jìn)行加固，以保證跨采后巷道的正常使用，這就需要對(duì)跨采期間巷道的變形量進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)巷道變形量的大小采取相應(yīng)的加固措施。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)深部巷道圍巖變形量的預(yù)測(cè)，都是建立在實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)巷道圍巖變形機(jī)理，總結(jié)出巷道圍巖變形量與圍巖應(yīng)力、圍巖巖性，以及支護(hù)反力之間的經(jīng)驗(yàn)公式，為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)服務(wù)5。德國(guó)研究表明，移動(dòng)支承壓力作用下，巷道頂?shù)装逡平蔏是巷道圍巖應(yīng)力增量P和底板圍巖強(qiáng)度的函數(shù)，即K=13.3/0.5。俄羅斯研究證明，頓巴斯深部靜壓巷道圍巖變形與巷道埋深H、巷道寬度b、巷道高度h、圍巖強(qiáng)度以及支架對(duì)圍巖的反力（包括支架對(duì)頂板反力q頂和對(duì)兩幫的反力q幫）有關(guān)，巷道頂板位移U頂和巷道兩幫位移U幫可用下式表示14。U頂=0.1bexp10H-300002q頂-1U幫=0.07hexp100.85H-1.5300002q幫-14.1工作面前方移動(dòng)支承壓力特征從開切眼開始直到老頂初次來(lái)壓以后，工作面前方移動(dòng)支承壓力影響區(qū)范圍L和最大應(yīng)力集中系數(shù)Km將達(dá)到最大值，兩者主要與工作面采深、煤厚，以及頂板巖層的性質(zhì)有關(guān)。德國(guó)魯爾礦區(qū)陽(yáng)光煤礦，采深850m，煤厚1.6m，煤層頂板為整體砂巖，利用液壓應(yīng)力計(jì)測(cè)定開采引起工作面前方移動(dòng)支承壓力增量P與距工作面距離的關(guān)系，結(jié)果顯示15：以應(yīng)力增量大于原巖應(yīng)力的5%計(jì)算，工作面前方移動(dòng)支承壓力影響區(qū)范圍約為85m，最大應(yīng)力集中系數(shù)Km為2.88。同樣通過(guò)平面應(yīng)變相似材料模擬試驗(yàn)16，利用應(yīng)力傳感器測(cè)定300m采深條件下，煤層開采引起的移動(dòng)支承壓力與圍巖巖性之間具有下列關(guān)系：同一采深、巖層厚度和巖層強(qiáng)度條件下，由于模型煤層及直接頂強(qiáng)度大于模型，出現(xiàn)了工作面前方移動(dòng)支承壓力最大應(yīng)力集中系數(shù)Km不同，模型為2.792.95，而模型為1.651.85，兩者平均相差1.12。所以隨著圍巖強(qiáng)度的提高，工作面前方移動(dòng)支承壓力最大應(yīng)力集中系數(shù)增大；隨著采深的增大，移動(dòng)支承壓力影響區(qū)范圍增加?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，移動(dòng)支承壓力影響區(qū)范圍約為工作面采深的0.1倍。4.2圍巖變形預(yù)測(cè)工作面前方移動(dòng)支承壓力在底板的傳播，引起底板巖層處于應(yīng)力升高區(qū)，位于該區(qū)內(nèi)的底板巷道，隨著工作面的推進(jìn)，巷道依次處于原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)、卸壓區(qū)、卸壓穩(wěn)定區(qū)。根據(jù)彈性力學(xué)理論可知，移動(dòng)支承壓力在底板引起的最大應(yīng)力集中系數(shù)K是移動(dòng)支承壓力影響區(qū)范圍L、最大應(yīng)力集中系數(shù)Km，以及底板巷道距煤層底板垂距Z的函數(shù)，即K=f（L，Km，Z），隨著L、Km的增大，Z值的減小，K值單調(diào)增加。在支護(hù)方式一定的條件下，影響巷道圍巖變形的主要因素是圍巖應(yīng)力和圍巖巖性。大量的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，巷道圍巖應(yīng)力和圍巖巖性對(duì)比關(guān)系的不同，反映圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)不同，具體表現(xiàn)在圍巖變形速度、變形量的不同。由于跨采時(shí)在移動(dòng)支承壓力作用下，底板巷道變形速度、變形量較大，其值遠(yuǎn)大于靜壓巷道，但移動(dòng)支承壓力對(duì)底板巷道作用的時(shí)間相對(duì)較短，通常僅12個(gè)月。從工程實(shí)用的角度出發(fā)，可用圍巖有效載荷系數(shù)C來(lái)反映不同采深、不同巖性的底板巷道，跨采期間巷道圍巖變形量大小，即：C=KH/其中，K回采在底板巷道圍巖引起的最大應(yīng)力集中系數(shù)；上覆巖層平均容重，MN/m3；H巷道埋深，m；巷道圍巖單向抗壓強(qiáng)度，MPa。4.3工程應(yīng)用實(shí)例新汶礦區(qū)孫村煤礦地面標(biāo)高+175m。400m水平和600m水平大巷采用錨噴支護(hù)，大巷跨采前采用錨噴網(wǎng)支護(hù)進(jìn)行加固。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)這兩個(gè)水平的移動(dòng)支承壓力影響區(qū)范圍，運(yùn)用彈性力學(xué)原理17，可繪出不同水平的移動(dòng)支承壓力底板應(yīng)力場(chǎng)。依據(jù)底板大巷距上方煤層的垂距Z，可得出跨采期間，移動(dòng)支承壓力在底板引起的最大應(yīng)力集中系數(shù)K。結(jié)合觀測(cè)站巷道圍巖的強(qiáng)度、巷道埋深H，通過(guò)計(jì)算回歸出，跨采期間底板巷道頂?shù)滓平縐與圍巖有效載荷系數(shù)之間的關(guān)系，二者之間具有下列函數(shù)關(guān)系：U=368（C0.439）0.5新汶礦區(qū)潘西煤礦350m水平西大巷，埋深580m，為礦井前組煤集中運(yùn)輸大巷，錨噴支護(hù)。大巷位于4煤底板1017m垂距的砂巖層中，巖石普氏系數(shù)f=56。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，可得到350m水平移動(dòng)支承壓力底板應(yīng)力場(chǎng)，依據(jù)大巷距煤層底板的垂距Z=1017m，得到跨采時(shí)運(yùn)輸大巷圍巖的最大應(yīng)力集中系數(shù)K=2.42，所以跨采引起底板運(yùn)輸大巷頂?shù)装逡平康念A(yù)測(cè)值為138160 m，而實(shí)測(cè)值為50145mm，因此預(yù)測(cè)值與巷道圍巖變形量的上限接近，滿足工程的要求，從而證明該預(yù)測(cè)方法具有一定的實(shí)用價(jià)值。5 跨采底板巷道的優(yōu)化設(shè)計(jì)跨采是目前我國(guó)煤礦底板巷道布置的主要方式，前述部分已證實(shí)，巷道巖性、法向距離、巷道與跨采面的相對(duì)關(guān)系等決定著跨采巷道的礦山壓力、圍巖變形與穩(wěn)定性。因此，科學(xué)合理地進(jìn)行跨采設(shè)計(jì)是進(jìn)行安全生產(chǎn)、取得經(jīng)濟(jì)效益的根本保證?？绱笙锘夭杉夹g(shù)以及跨采大巷的支護(hù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，如今已在全國(guó)范圍內(nèi)被廣泛采用，并逐步走向成熟。但是，如何實(shí)現(xiàn)煤層底板巖巷布置的科學(xué)化、系統(tǒng)化、定量化；特別是對(duì)于新設(shè)計(jì)的礦井，在初步設(shè)計(jì)階段如何布置水平開拓大巷，以有利于其上方煤層的回采，對(duì)于各礦井的實(shí)際生產(chǎn)具有很好的指導(dǎo)意義。蔣金泉6教授以南屯煤礦實(shí)際生產(chǎn)中所積累的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，提出了跨采巷道的合理布置參數(shù)。5.1跨采巷道合理層位與法向距離底板法向位置的巖性、法向距離不同，受跨采作用的礦山壓力及巷道圍巖穩(wěn)定性也不同。根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，跨采應(yīng)力和巷道圍巖變形均隨法向距離Z的logZ而變化，而跨采巷道圍巖穩(wěn)定性由巷道應(yīng)力環(huán)境KH與圍巖強(qiáng)度c之比決定，即：C=KH/c由底板應(yīng)力衰減規(guī)律K=2.9810.886logZ得C=（2.9810.886logZ）H/c利用上式和工作面底板柱狀圖，可以對(duì)各層位及法向距離布置的跨采巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，以確定合理層位及法向距離。并對(duì)南屯煤礦幾個(gè)典型采區(qū)跨采巷道層位布置進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了合理選擇方案，見表6、表7。表61304工作面跨采巷道合理層位選擇巖性厚度/m法向距里Z/mc/MPaC選擇順序中細(xì)砂巖9.3838.10.3361細(xì)、粉砂巖互層5.11228.10.4172泥巖7.51621.50.5103注：采深H=246m表76310工作面跨采巷道合理層位選擇巖性厚度/m法向距里Z/mc/MPaC選擇順序粉砂巖1.1028.1細(xì)、中砂巖互層5.81638.10.5212細(xì)砂巖5.97938.10.4801粉砂巖12.0715258.10.5804200.54034煤層0.252615.00.9435黏土層1.4014.6注：采深H=360m由以上結(jié)果可見，巷道穩(wěn)定性由其圍巖強(qiáng)度和法向距離兩個(gè)主要因素共同決定，但選擇巷道層位并非法向距離越大越好。其選擇原則是：首先選擇在巖層比較穩(wěn)定、強(qiáng)度較高的層位中；其次是考慮法向距離的大小。在跨采巷道層位選擇設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用上述公式計(jì)算出底板不同層位的巷道穩(wěn)定狀況C，以此確定選擇順序，再結(jié)合巷道系統(tǒng)的空間需要來(lái)科學(xué)確定層位。在采深300m左右時(shí)，跨采巷道穩(wěn)定狀況隨圍巖單向抗壓強(qiáng)度c和法向距離Z的變化見表8。由此可見，當(dāng)巷道圍巖強(qiáng)度較低（c30MPa）時(shí)，對(duì)巷道穩(wěn)定性影響極大，此時(shí)巷道一定要布置在巖層強(qiáng)度相對(duì)較高的巖層中；當(dāng)法向距離小于20m時(shí)，法向距離對(duì)巷道穩(wěn)定性也有較為明顯的影響，此時(shí)選擇巷道層位時(shí)應(yīng)盡量增大法向距離，但巖性是首選因素；當(dāng)法向距離達(dá)到20m以上時(shí)，增加法向距離對(duì)巷道的穩(wěn)定性影響較小。表8跨采巷道穩(wěn)定性與圍巖強(qiáng)度和法向距離的關(guān)系當(dāng)圍巖穩(wěn)定時(shí)，法向距離可在68m左右；當(dāng)圍巖中等穩(wěn)定時(shí)，法向距離可在1012m左右；當(dāng)圍巖不穩(wěn)定時(shí)，法向距離一般應(yīng)在2025m左右。5.2跨采巷道與跨采面的合理平面位置關(guān)系根據(jù)跨采巷道礦壓顯現(xiàn)的過(guò)程特征、區(qū)域性特征及有關(guān)特征參數(shù)，可以確定跨采巷道與跨采面的合理平面位置關(guān)系。5.2.1縱跨巷道的合理平面位置關(guān)系根據(jù)層面支承壓力分布規(guī)律、底板礦壓傳播特征及礦壓顯現(xiàn)的區(qū)域性特征，縱跨巷道與跨采面的平面位置關(guān)系不同，其礦壓顯現(xiàn)將有很大的差別。在跨采設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合理的平面位置關(guān)系，具體選擇方法如下：（1）首選區(qū)域：縱跨巷道位于實(shí)體煤順槽內(nèi)側(cè)（內(nèi)錯(cuò)）1540 m為首選最佳區(qū)域；（2）次選區(qū)域：位于工作面中部區(qū)域（兩端區(qū)域各40 m除外）和位于實(shí)體煤順槽內(nèi)側(cè)（內(nèi)錯(cuò)）014 m為次選區(qū)域；（3）避免區(qū)域：相鄰面外錯(cuò)040m，即上方跨采面采空側(cè)順槽內(nèi)錯(cuò)040m，是礦壓顯現(xiàn)最嚴(yán)重的區(qū)域，縱跨巷道應(yīng)盡可能避免位于這一區(qū)域內(nèi)。5.2.2橫跨巷道的合理平面位置關(guān)系及特殊地段橫跨巷道的礦壓顯現(xiàn)與跨采面開切眼和停采線位置有著極為密切的關(guān)系，其平面位置關(guān)系確定應(yīng)按以下方法選擇。（1）首選方式：跨采面從巷道上方連續(xù)跨采，或開切眼和停采線的布置方式滿足橫跨