东怀煤矿沿空掘巷小煤柱合理宽度及支护技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 东怀煤矿东怀煤矿沿空掘巷沿空掘巷小煤柱合理小煤柱合理宽度宽度及支护及支护 技术研究技术研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科 （专业学位类别）学科 （专业学位类别） 采矿工程 作者姓名作者姓名 马平原 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 冯涛 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学学院名称院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2014 年 6 月 6 日 密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD353 万方数据 东怀煤矿沿空掘巷小煤柱合理宽度及支护东怀煤矿沿空掘巷小煤柱合理宽度及支护 技术研究技术研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科 （专业学位类别）学科 （专业学位类别） 采矿工程 作者姓名作者姓名 马平原 作者学号作者学号 11010102003 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 冯涛教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2014 年 6 月 6 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖 南 科 技 大 学 万方数据 Study on Reasonable Width and Control Technology of Small Coal Pillar Gob-side Entry Driving in Dong Huai Coal Mine Type of Degree Academic Degree Discipline Type of Professional Degree Mining Engineering Candidate Ma Pingyuan Student Number 11010102003 Supervisor and Professional Title Prof. Feng Tao Practice Mentor and Professional Title School School of Energy and Safety Engineering Date June 6, 2014 University Hunan University of Science and Technology 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 i 摘摘 要要 煤矿企业出于节约资源以及安全生产的需要，许多矿井采取小煤柱护巷。但东怀煤 矿一直沿用 35～40m 的宽煤柱护巷，造成了大量的资源浪费，为了提高该矿的采出率， 延长矿井服务年限，在该矿推行小煤柱护巷势在必行。本文以“东怀煤矿小煤柱开采关 键技术研究”项目为依托，采用理论分析、数值模拟、现场观测等手段分析了该矿小煤 柱护巷的可行性，设计了合理的护巷小煤柱宽度并提出了具体的支护方案，取得了良好 的效果，对解决该地区小煤柱护巷问题具有一定的指导与借鉴意义。 结合沿空掘巷的特点，通过建立东怀煤矿小煤柱巷道的直接顶力学模型，将其简化 为悬臂梁，分析表明当巷道布置在特殊位置附近时，巷道受直接顶的影响最小。推导 了沿空掘巷小煤柱的塑性区计算公式。表明当老顶的关键岩块回转角越小，老顶对煤柱 的压力越小， 煤柱的塑性区宽度越小。 通过极限平衡理论分析了小煤柱的合理留设宽度。 通过数值模拟分析该矿在掘进及回采期间不同宽度护巷煤柱的受力及变形大小， 当 煤柱留设 3～5m 的小煤柱时， 巷道处于上区段工作面采空区形成的应力降低区内， 煤柱 受力较小，容易维护，但是煤柱留设为 3m 时，在工作面回采工程中容易压坏失去承载 能力； 当煤柱为 10～22m 的中等宽度煤柱时， 回采过程中因应力集中造成煤柱难以维护， 巷道变形过大；当煤柱留设 35m 的宽煤柱时，由于煤柱承载能力强，巷道变形小，但是 煤柱浪费严重，经分析认为该矿的合理小煤柱留设宽度为 5m。并研究了直接顶强度、 厚度、采深、采高、煤体强度、水平应力以及工作面距离对小煤柱稳定性的影响。 沿空巷道“围岩-支护”相互关系以及最佳支护时间研究表明，沿空巷道在支护过 程中既要注重发挥巷道围岩的自身承载力，又要把握合理的支护时间。对于容易破坏的 顶板、两帮顶、底角等关键部位要加强支护。分析了锚杆预紧力等对巷道支护的影响， 认为东怀矿的锚杆预紧力应控制在 40～60KN 之间。 结合该矿岩层窥视，确定该矿的锚索长度为 7m。通过理论与数值模拟分析，在该 矿 3I01 工作面进风巷试验了以“三花眼”锚索为主的加强支护方案， 并与该矿一直沿用的 以锚杆为主的普通支护方案进行支护效果对比，表明加强支护对于小煤柱巷道有良好的 支护效果。 关键词沿空掘巷；煤柱宽度；数值模拟；煤柱稳定；加强支护 万方数据 ii 万方数据 iii ABSTRACT Many coal mine enterprises apply narrow pillar drift in order to save resources and safety in production. However, Dong Huai Coal Mine still uses wide pillars of 35-40m to protect roadway, which has wasted numerous rescources. It is imperative to promote the application of narrow pillar drift in this Mine with the view of increasing the mining rate and prolonging the mine service-life. Based on the project of “study on the key technology of narrow pillar mining in Dong Huai Coal Mine”, this thesis analyzes the feasibility of adopting narrow pillar drift in this Mine through theoretical analysis, numerical simulation, field observation and so forth. Then a reasonable width of narrow pillar is designed and a concrete supporting scheme is put forward. The scheme turns to be effective, and to some extent can guide and provide refernence to solve the problem of narrow pillar drift in this region. According to the characteristics of gob-side entry driving, the immediate roof mechanical model of narrow pillar drift in Dong Huai Coal Mine is established and then it is simplified into cantilever. Analysis indicates when the roadway is arranged aroud special location,it will be least affected by the immediate roof. The ula deduced for the plastic zone of narrow pillar through gob-side entry driving shows the smaller the rotating angle of the key rock is, the less pressure the upper roof will impose on the coal pillar and the narrower the plastic zone will be. Under the limite equilibrium theory, the reasonal width of narrow pillars is analyzed. The force and deation of the chain pillars with different width during the period of driving and stoping has been studied by numerical simulation. It is found when the width of the pillars is 3-5m, within the stress decreasing zone ed in working face goaf of the roadway upper section, the pillars suffer ratively little stress and are easy to maintain. But when the width is designed as 3m, the pillars are likely to be crushed and lose carrying capability during stoping in working face. When the pillars are of medium width 10-22m, the deation of roadway during stoping will be oversize due to the stress concentration. And when the width is 35m, the deation will be small because of the strong carrying capability of the pillars, but it will waste plenty of coal. Through analyses, the resonable width of narrow pillar should be 5m. In addition, how the stability of narrow pillars can be influenced by the strength and thickness of immediate roof, mining depth, mining height, coal mass strength, horizontal stress and working face distance is studied in this thesis. Study on the interrelation of the surrounding rock support of gob-side entry and the best supporting time indicates the importance of rting the carrying capability of surrounding rock and seizing the reasonable supporting time. The key parts, especially the frail roof, the roof of the roadway’s sides and base angle, should be strengthened to support. Through 万方数据 iv analyzing the bolt pretension’s impact on roadway supporting, it is concluded that the bolt pretension in Dong Huai Coal Mine should be controlled between 40～60KN. Peeping at the rock stratum of the mine, it is confirmed the length of the anchor cable of the mine should be 7m. The reinforced support scheme by mainly using anchor cables is tested in the intake airflow roadway of 3I01 working face in this mine. Compared with the ordinary support scheme by anchor bolt used by the mine, this reinforced support scheme is more effective to protect the narrow pillar. Key Words gob-side entry driving；； width of coal pilla；； numerical simulation；； s stability of coal pillar；；strengthen support. 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目录 摘摘 要要 ................................................................................................................................... i ABSTRACT ........................................................................................................................ iii 第一章第一章 绪论绪论 ............................................................................................................... - 1 - 1.1 选题背景及研究意义 .......................................................................................... - 1 - 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................2 1.2.1 沿空掘巷煤柱留设情况国内外研究现状 .................................................. - 2 - 1.2.2 国内外煤柱破坏机理及变形规律研究 ..................................................... - 3 - 1.2.3 国内外巷道支护理论及技术的研究 ......................................................... - 4 - 1.3 论文的主要研究内容及技术路线....................................................................... - 5 - 1.3.1 论文的主要研究内容 ................................................................................. - 5 - 1.3.2 主要研究方法及技术路线 ........................................................................ - 6 - 第二章第二章 沿空掘巷围岩变沿空掘巷围岩变形破坏机理及稳定性分析形破坏机理及稳定性分析 ......................................... - 7 - 2.1 东怀煤矿小煤柱护巷区域地质状况 ................................................................... - 7 - 2.1.1 3I01 工作面工作面地质状况 .................................................................. - 7 - 2.1.2 3I01 工作面煤层及顶底板状况............................................................... - 7 - 2.2 东怀煤矿沿空巷道顶板结构特征及应力分析 ................................................... - 9 - 2.2.1 沿空巷道直接顶结构及受力分析 ............................................................. - 9 - 2.2.2 沿空巷道侧向老顶结构及护巷情况分析 ............................................... - 13 - 2.2.3 煤体塑性区宽度及影响因素分析 ........................................................... - 16 - 2.2.4 老顶在实体煤侧断裂位置 0 x ................................................................... - 17 - 2.3 东怀煤矿不同护巷煤柱下应力分布及变形情况分析 ...................................... - 18 - 2.3.1 东怀煤矿沿空巷道侧向应力及变形分析 ................................................ - 18 - 2.3.2 东怀煤矿沿空巷道走向支承压力分布规律............................................. - 19 - 2.3.3 东怀煤矿合理小煤柱巷道具体位置选择 ............................................... - 20 - 2.4 小煤柱合理宽度宽度的确定 ............................................................................. - 21 - 2.4.1 东怀煤矿小煤柱合理宽度的理论确定 .................................................... - 21 - 2.4.2 数值模拟分析方法 .................................................................................. - 22 - 2.4.3 工程类比法.............................................................................................. - 22 - 2.5 本章小结 ........................................................................................................... - 22 - 第三章第三章 小煤柱合理宽度数值模拟及影响因素分析小煤柱合理宽度数值模拟及影响因素分析 ....................................... - 25 - 3.1 数值模拟模型的建立 ........................................................................................ - 25 - 3.2 数值计算结果分析 ............................................................................................ - 26 - 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 3.2.1 掘进稳定期间不同煤柱条件下应力分析 ................................................ - 26 - 3.2.2 掘进稳定期间不同煤柱下巷道表面变形分析 ......................................... - 28 - 3.2.3 回采期间不同煤柱垂直应力分析 ............................................................ - 30 - 3.2.4 回采期间不同煤柱水平应力分析 ......................................................... - 32 - 3.2.5 回采阶段不同煤柱位移分析 ................................................................... - 34 - 3.3 不同围岩应力条件对小煤柱的影响 .................................................................. - 36 - 3.3.1 不同直接顶厚度对小煤柱的影响 ............................................................ - 36 - 3.3.2 不同直接顶强度对小煤柱的影响 ............................................................ - 38 - 3.3.3 不同采深对留设煤柱的影响 ................................................................... - 39 - 3.3.4 不同采高对煤柱留设的影响 ................................................................... - 41 - 3.3.5 不同的煤体强度对煤柱留设的影响 ..................................................... - 41 - 3.3.6 不同水平应力对煤柱稳定性影响 ........................................................... - 42 - 3.3.7 不同回采距离对煤柱稳定性影响 ............................................................ - 43 - 3.4 本章小结 ........................................................................................................... - 44 - 第四章第四章 沿空掘巷围岩控制技术研究沿空掘巷围岩控制技术研究 .................................................................. - 47 - 4.1 沿空掘巷围岩控制机理 .................................................................................... - 47 - 4.1.1 围岩-支护共同作用原理 ....................................................................... - 47 - 4.1.2 锚杆-围岩耦合支护作用机理 ................................................................. - 48 - 4.1.3 锚索与围岩的耦合支护作用机理 ........................................................... - 49 - 4.2 东怀煤矿小煤柱巷道关键部位的支护 .............................................................. - 51 - 4.2.1 东怀矿支护的关键部位 .......................................................................... - 51 - 4.2.2 东怀矿关键部位加强支护 ...................................................................... - 52 - 4.3 东怀矿小煤柱巷道锚杆（索）支护技术分析 ................................................. - 53 - 4.3.1 锚杆（索）支护强度与锚固体厚度对小煤柱巷道作用分析 .................. - 53 - 4.3.2 锚杆支护强度与锚固体厚度的合理确定 ................................................ - 53 - 4.4 锚杆预紧力对巷道稳定性的影响..................................................................... - 55 - 4.4.1 锚杆预紧力控制巷道变形的作用机理 ................................................... - 55 - 4.4.2 锚杆预紧力的合理确定 .......................................................................... - 56 - 4.5 本章小结 ........................................................................................................... - 58 - 第五章第五章 小煤柱护巷工程实践小煤柱护巷工程实践 ............................................................................. - 59 - 5.1 试验巷道概况 ................................................................................................... - 59 - 5.2 东怀煤矿 3I01 进风巷围岩成分分析 ............................................................... - 60 - 5.3 东怀煤矿 3I01 工作面进风巷内部围岩探测 .................................................. - 61 - 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 5.3.1 钻孔岩层探测方案 .................................................................................. - 61 - 5.3.2 测孔观测图片及岩层状况分析 ............................................................... - 62 - 5.4 东怀煤矿锚杆锚索支护方案 ............................................................................ - 67 - 5.4.1 巷道周围应力计算 ................................................................................... - 67 - 5.4.2 锚杆锚索参数的计算 .............................................................................. - 68 - 5.4.3 东怀矿支护方案确定 .............................................................................. - 69 - 5.5 巷道围岩压力检测及变形情况分析 ............................................................... - 72 - 5.5.1 东怀煤矿 3I01 工作面进风巷矿压观测内容及方式 ............................... - 72 - 5.5.2 掘进期间矿压观测 .............................................................................. - 73 - 5.5.3 回采期间矿压观测 ................................................................................ - 77 - 5.6 小煤柱护巷效益分析 ...................................................................................... - 80 - 5.7 本章小结 ........................................................................................................... - 80 - 第六章第六章 结论与展望结论与展望.................................................................................................. - 83 - 6.1 主要结论 ........................................................................................................... - 83 - 6.2 研究展望 ........................................................................................................... - 84 - 参考文献参考文献 ...................................................................................................................... - 85 - 致谢致谢 ............................................................................................................................... - 87 - 附录攻读硕士学位期间的主要成果附录攻读硕士学位期间的主要成果 ................................................................ - 89 - 万方数据 湖南科技大学硕士