红石岩煤矿回采巷道卸压槽作用机理及参数优化.pdf

论文题目红石岩煤矿回采巷道卸压槽作用机理及参数优化 专 业采矿工程 硕 士 生姜俊博 （签名） 指导教师张恩强 （签名） 摘 要 底鼓是煤矿巷道变形的一种普遍现象。严重的巷道底鼓直接影响了巷道的安全和煤 矿的生产，给煤矿带巨大的经济损失。我国的巷道底鼓机理研究取得了一定的成果，但 是由于巷道所处的地质条件不同，巷道底鼓机理也不同，巷道底鼓机理研究是煤矿开采 的重要科技难题。针对此问题，本文以红石岩煤矿 12406 回风顺槽和 12407 回风顺槽为 背景，对巷道的底鼓机理进行了研究。进行了现场采集岩石样本，在实验室对巷道的煤 体，顶板岩石及底板岩石进行物理力学性质试验。测定煤体、顶板岩石及底板岩石的矿 物成分。应用 MTS 实验机分析煤体、顶板岩石及底板岩石的力学性质。通过建立力学 模型，分析了巷道底鼓机理，通过现场实测对底鼓机理进行验证，确定其准确性。并提 出卸压槽控制底鼓方法，同时对底鼓情况进行监测，对比分析卸压槽卸压及控制底鼓效 果。同时通过 FLAC3D 软件，模拟了原支护条件下的巷道围岩的实际变形情况，设计模 拟了 60 种开挖卸压槽方案，并对各个方案治理底鼓效果进行了分析对比，及开挖卸压 槽后对巷道底鼓控制的影响。 通过对模拟卸压槽，对卸压槽参数进行了优化分析，得出卸压槽开挖在原底鼓量最 大处比卸压槽开挖在巷道其他位置治理底鼓效果好； 在上述条件下， 卸压槽深度一定时， 在其他条件相同情况下，卸压槽宽度在一定范围变大，巷道底鼓量在变小；卸压槽宽度 一定，卸压槽深度在一定范围内变大，巷道底鼓量在变小。最终确定了针对红石岩煤矿 12407 回风顺槽在模拟条件下，治理底鼓效果最好的卸压槽方案。 关 键 词回采巷道；巷道底鼓；卸压槽；机理分析；参数优化 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject The Mechanism and Parameter optimization of Roadway Relief groove Based on Hongshiyan Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Jiang Junbo Signature Instructor Zhang Enqiang Signature ABSTRACT Kick drum is a universal phenomenon mine roadway deation. Severe floor heave a direct impact on the production of coal mine safety and roadway, to mine with a huge economic losses. Mechanism of floor heave country has achieved some results, but due to different geological conditions in which the roadway, the floor heave mechanism is different, the end of the roadway drum is an important mechanism of coal mining technology challenges. To solve this problem, this paper Hongshiyan mine 12406 12407 return air and return air trough trough as the background on the roadway floor heave mechanism were studied. Rock samples were collected at the scene, in the laboratory on the roadway coal, roof and floor rock rock physical and mechanical properties of the test. Determination of mineral composition of coal, rock roof and floor rocks. Application analysis of mechanical properties testing machine MTS coal, roof and floor rock rocks. Through the establishment of the mechanical model to analyze the mechanism of floor heave, measured on the bottom of the drum through the field verification mechanism to determine its accuracy. And the proposed relief groove bottom drum control , while the bottom of the drum to monitor the situation, comparative analysis and control of relief relief groove bottom drum effect. Meanwhile by FLAC3D software to simulate the actual deation of roadway support under the original conditions designed to simulate the 60 kinds of relief groove excavation program, and program management at the end of each drum effects were analyzed and compared, and the excavation unloading after notching effect on the floor heave control. Through the simulation relief slots for relief groove parameters were optimized analysis, the relief groove in the original excavation at the bottom of the drum of the largest relief groove than other locations in the roadway excavation governance kick drum effect; under the above conditions, relief groove depth is constant, the same as in other conditions, the relief 万方数据 groove width in a range larger, the amount of floor heave smaller; relief groove width must, relief groove depth increases within a certain range, the amount of floor heave smaller. Finalized under simulated conditions, treatment works best kick drum groove relief programs for 12407 Hongshiyan mine return air slots. Key words Mining roadway; Floor heave; Relief groove; Mechanism analysis； Parameter optimization. Thesis Application Research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ...................................................................................................................................1 1.1 课题研究的目的和意义...........................................................................................1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................2 1.2.1 巷道底鼓机理研究现状.................................................................................2 1.2.2 底鼓治理方法的研究现状 .............................................................................4 1.3 研究内容、方法及技术路线...................................................................................8 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................8 1.3.2 研究方法 ........................................................................................................8 1.3.3 技术路线图.....................................................................................................9 2 红石岩煤矿地质条件及分析...........................................................................................10 2.1 矿井基本情况........................................................................................................10 2.2 开采地质条件........................................................................................................10 2.2.1 地质特征 ......................................................................................................10 2.2.2 地质构造 ......................................................................................................10 2.2.3 煤层与煤质...................................................................................................13 2.2.4 瓦斯、煤尘及煤的自燃性 ...........................................................................13 2.2.5 水文地质 ......................................................................................................14 2.3 12406 工作面开采技术条件...................................................................................14 2.3.1 12406 工作面主要地质构造..........................................................................14 2.3.2 煤层赋存状况和煤层顶底板........................................................................15 2.3.3 矿压观测 ......................................................................................................15 2.3.4 采煤方法 ......................................................................................................15 2.3.5 采煤工艺 ......................................................................................................16 2.4 岩石力学实验........................................................................................................16 2.5 本章小结................................................................................................................17 3 巷道变形破坏情况及治理效果对比 ...............................................................................18 3.1 12406 回风顺槽破坏情况.......................................................................................18 3.2 12407 回风顺槽底鼓治理方案、治理效果及分析.................................................20 3.2.1 12407 回风顺槽底鼓治理方案......................................................................20 3.2.2 12407 回风顺槽底鼓治理效果......................................................................21 3.3 12406 回风顺槽和 12407 回风顺槽破坏情况对比分析.........................................22 3.4 本章小结................................................................................................................23 万方数据 目 录 II 4 卸压槽治理回采巷道底鼓的机理分析 ...........................................................................24 4.1 巷道底鼓机理........................................................................................................24 4.1.1 巷道底鼓的特征...........................................................................................24 4.1.2 巷道底鼓的机理...........................................................................................24 4.1.3 影响底鼓的主要因素...................................................................................26 4.2 12406 回顺底鼓机理分析.......................................................................................27 4.2.1 掘进阶段底鼓变形........................................................................................27 4.2.2 采动影响下的底鼓........................................................................................31 4.2.3 软岩流动引起的底鼓...................................................................................31 4.2.4 底鼓变形影响因素分析................................................................................33 4.3 巷道底鼓新技术研究.............................................................................................33 4.3.1 底鼓巷道的分类...........................................................................................33 4.3.2 治理底鼓的方法...........................................................................................34 4.4 红石岩煤矿 12407 回顺底鼓控制措施研究..........................................................36 4.5 本章小结................................................................................................................36 5 应用数值模拟进行 12407 回风顺槽卸压槽参数优化 ....................................................37 5.1 FLAC3D 基础知识介绍..........................................................................................37 5.1.1 计算方法 ......................................................................................................37 5.1.2 运动方程 ......................................................................................................38 5.1.3 阻尼力..........................................................................................................38 5.1.4 计算循环 ......................................................................................................39 5.2 模型建立................................................................................................................39 5.2.1 数值分析假设...............................................................................................39 5.2.2 标准模型参数选择.......................................................................................39 5.2.3 标准模型的网格划分...................................................................................40 5.2.4 原支护条件下巷道底鼓量数值模拟............................................................42 5.3 底鼓治理方案设计.................................................................................................43 5.4 本章小结................................................................................................................52 6 结论与展望......................................................................................................................54 6.1 结论........................................................................................................................54 6.2 不足和展望............................................................................................................54 致 谢 .................................................................................................................................55 参考文献 .............................................................................................................................56 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 随着科技和工业化程度的提高，不可再生能源的消耗在急剧增加，而我国作为一个 能源消耗大国，尤其是石油等资源相对贫乏但煤炭储量较大，造成我国在经济发展和工 业发展中多以煤炭资源做为主要能源来用。因而工业的迅猛发展促使煤炭的需求量日益 增加。 近年来由于煤炭需求量的增加，使得对产量和采掘效率提出了更高求，同时也推进 了开采方法和开釆技术的不断创新与进步。产量和效率的提高必然促使着开采设备的机 械化和大型化程度提高，因此使得煤巷断面的尺寸也变得越来越大，用以确保大型机械 设备的运输通畅，正常工作生产的通风以及安全行人的要求。并且，煤矿开采大都进入 临界深度以下，而且逐步加深，并逐渐延伸到复杂的地质条件煤系地层。而随着开采深 度的增加，巷道表现出了明显的大地压、大变形和持续的流变等特性并且大断面巷道在 煤矿生产中的应用越来越多，同时也带来很多巷道围岩变形破坏的问题，其中巷道的底 鼓问题就开始变的越来越多，特别是在底板为软弱和破碎岩体的情况下更为突出[1]。巷 道底鼓会导致巷道断面缩小，阻碍了运输、通风和妨碍人员行走。据调查几乎所有的巷 道都存在着底鼓现象，维修费用比每米掘进费用高出 35 倍，底鼓维修费用占所有巷道 维修费用的 50。因巷道维修造成的企业停产等直接和间接经济损失高达百亿元。因底 鼓造成大范围巷表岩体及支护体离层、悬空等现象，是煤矿安全生产的极大隐患。 底鼓是巷道围岩所受的应力状态在挖掘或采动的影响下发生改变，进而底板岩体产 生变形并向巷道内移动的一种现象。这种现象多发生在软岩巷道和硐室中，轻微的底鼓 不会对巷道的稳定性造成危害；但底鼓严重的情况下会使巷道断面缩小，底板不平，从 而给矿井通风，运输及工作带来诸多不利因素；更强烈的底鼓会使整个巷道失稳甚至整 个巷道报废，进而导致维修工作量进一步加大，而且还会妨碍矿井的安全生产。因此， 底鼓的防治研究特别是软岩巷道底鼓的防治研究对矿井生产有着重要的影响和意义[2]。 另外，在巷道底鼓的机理、控制技术以及底板的稳定性维护等方面，国内外许多从 事矿压和采矿的专家学者做了大量的研究工作，并且取得很多对现实工作有意义的成 果，在实际的工作和应用中这些成果在支护和控制底鼓方面很实用[3]。但是由于地质结 构的复杂多样性，以及巷道所处位置的应力分布复杂多变和周围岩体的不同，使得现有 的底鼓机理在对形成底鼓的真正原因的认识上不够全面细致，从而不能够从根本上解决 底鼓问题或在一定的范围内控制底鼓量，进而保证巷道的正常使用，尤其是软岩巷道的 底鼓更加明显，发生更加频繁。因此，加大对底鼓的研究工作是非常必要的[4]。而在巷 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 道底板中开卸压槽预防和治理底鼓是治理底鼓众多方法中很有效的一个方法。 本论文是针对巷道底板是软岩，并且在开挖后底鼓量相对比较明显，巷道底板破坏 严重的一个试验与研究，本文将用现场监测和数值模拟方法，针对巷道底板底鼓产生的 条件、机理、治理过程以及卸压槽卸压效果进行分析研究。这有助于了解巷道底鼓产生 的原因、方式及卸压槽作用机理，并且对在该地质条件下巷道产生底鼓原因及底鼓的类 型有一个清晰的认识，同时对了解卸压槽适用于何种条件下的巷道也有一定的指导意 义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 巷道底鼓机理研究现状 为了控制巷道底鼓，国内外许多学者对软岩的物理力学性质、水理作用、巷道变形 规律与底鼓的力学机制开展了大量的研究。 对于底鼓机理的研究，前苏联的研究成果较多。JI.M.秦巴列维奇[5]认为，底鼓现象 的力学本质与松散土体在两个压模传给底板荷重作用下压出的现象相同，并根据极限平 衡理论能够计算巷道底鼓岩层作用在巷道支架上的压力值。M.JI.兹包尔什奇克[6]等认 为，巷道底板岩层鼓起是因为底板中塑性岩层对下部岩层移动的阻力，当底板岩层暴露 的面积与周长的比例急剧变化时岩层中存储的弹性能量释放的结果造成。Γ.Γ.利特维斯 基[7]在研究准备巷道底鼓机理过程中，提出一个判别岩层破坏的局部性破坏准则，该准 则把测试出的巷道周边的应力图与岩层强度图进行比较。以此确定巷道周边的地段类 型，即稳定地段、极限地段和不平稳地段；H.JI.切尔尼亚克对大量现场测试数据用数理 统计法进行了分析研究，得到预测巷道底鼓的经验公式[8]。 德国的 M.奥顿哥特[9]利用相似模拟实验研究了巷道底鼓的整个过程。 他认为巷道岩 层的破坏顺序为首先由于垂直应力作用，巷道两帮岩层被压裂。之后由于水平应力作 用，巷道顶底板向巷道内鼓出，其中直接顶底板岩层较先破坏。 美国的 K.Haramy[10]把底板岩层简化成两端固支的岩梁来进行分析，对底板岩层所 受应力状态和稳定性进行了讨论。A.frouz Y.P.Chugh Aafourz 和 Y.P.Chugh[11-13]等人研究 了底板的承载能力，A.frouz 在一篇总结的文章中指出，巷道底鼓的影响因素有 21 个， 但主要因素一般认为有以下三个 ①底板为松软岩层； ②巷道高围岩应力； ③水理作用。 曼.奥顿哥特通过相似模拟试验对巷道底鼓的全过程进行了研究， 结果表明巷道围岩的变 形与破坏首先在垂直应力作用下两帮岩层被压裂，其次是水平应力的作用巷道顶底板向 巷道内移近，其中直接底板围岩先破坏。 王卫军通过理论分析、数值模拟的方法对回采巷道底鼓的机理进行研究，认为巷道 底鼓主要是由于工作面超前支承压力的作用，使巷道产生挤压流动型和挠曲褶皱型底 万方数据 1 绪论 3 鼓。 康红普通过分析计算得出结论[14] 巷道底鼓量是由于底板岩层挠曲引起的占总底鼓 量的 67，而底鼓量是由于底板岩层扩容和弹塑性位移引起的分别占总底鼓量的 11.2 和 11.8。他认为巷道底鼓的原因由于底板失稳的岩层向巷道内压曲、在偏应力作用下 的岩石扩容、岩石本身遇水膨胀。 M.Gesell、曲永新[15-17]等人认为巷道底鼓的本质是由于底板泥岩遇水膨胀。 姜耀东[18]根据巷道所在的地质条件、底板围岩的应力状态和性质的不同、底板岩层 向巷道鼓入的方式把巷道底鼓分为四类①挤压流动性底鼓；②挠曲褶皱性底鼓；③遇 水膨胀性底鼓；④剪切错动性底鼓。 A.H.Wilson[19]则认为回采巷道底鼓是由于底板岩层被剪切破坏后而形成塑性区，塑 性区的岩石发生变形与位移，塑性区的大小与原岩应力、岩石的物理力学性质、巷道断 面形状和尺寸、支护形式和破碎岩石的吸水膨胀性有关。 D.J.Rockaway 通过对巷道底鼓现象的调查认为巷道底鼓主要取决于巷道底板表面 以下至少 6m 厚的岩层的性质[20]。 贺永年、何亚男通过对茂名矿区软岩巷道变形的现场观测和分析研究认为，茂名矿 区巷道底鼓的整个过程是从巷道两帮的岩柱开始传递顶板压力，两帮围岩一起下沉在 挤压巷道底鼓的同时，巷道底板当被挤压变形的严重时会发生断裂，然后底板向巷道内 鼓起[21-26]。 侯朝炯、马念杰通过分析回采巷道底板的变形和受力，他们认为回采巷道底板位移 可以分为两个阶段第一阶段是当巷道底板不受采动的影响时，位于巷道底板浅部岩层 出现缓缓向上运动，而位于巷道底板 2m 以下的岩层位移基本为 0[27]。这说明了当回采 巷道不受采动影响时，巷道底板移动主要是发生向上的移动。这与一般基本巷道围岩的 位移规律一致；第二阶段是随着采煤工作面的推进，通过煤帮作用在巷道底板上的应力 快速增大，导致巷道底板浅部围岩发生了严重塑性破坏，出现了强烈底鼓变形。而位于 较深部围岩出现了不同程度的下沉，离工作面越近下沉越显著。 潘一山运用有限单元法和相似模拟实验研究分析了巷道底鼓的时效性和软岩吸水 膨胀引起的底鼓[28]。 Norrish、日本的褚须腾俊男，我国学者何满潮、曲永新、谭罗荣、罗鸿禧、高国瑞、 陈宗基、于双忠、陆家梁等人做了大量关于软岩的膨胀性的实验和理论研究，并在此基 础上对软岩的膨胀力学机制进行了分析[29-39]。 对于巷道底板挠曲量的计算研究，取得一些研究成果，K.Haramy 将底板简化成两 端固支的岩梁，对其进行理论分析，得出了一些有益的结论；他根据板壳理论，建立巷 道底板的压曲微分方程；运用非线性大变形连体力学理论来计算巷道底鼓量[40]。 迄今为止，学者对于巷道底鼓机理研究成果归结起来有 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 （1）巷道开挖后，原岩应力被扰动，发生围岩应力重分布。巷道底板岩层产生卸 荷回弹变形而向巷道内鼓起。 （2）由于巷道两帮受垂直应力，使巷道两帮挤压底板，挤压使底板受水平应力， 巷道底板在水平应力作用下向巷道内鼓起。 （3）底板岩层在上述应力作用下破碎，岩石破碎后发生体积扩容，引起巷道底鼓。 （4）由于有的巷道底板岩层的流变性，巷道底鼓量也随时间延长而增大。 （5）由于巷道底板出现拉应变和两帮下沉而使巷道底板向上鼓起形成底鼓。 （6）巷道底板中含有吸水矿物，吸水体积膨胀，而且吸水后围岩强度降低，结构 松散，易崩解、破碎。 1.2.2 底鼓治理方法的研究现状 国内外很多专家学者为了对底鼓量进行有效约束和控制进行了大量的研究和试验 探索， 并针对底鼓防治提出了很多的方法来确保巷道的正常使用。 总结起来有两个方面 首先是利用加固法加固巷帮和巷角、卸压法和联合支护法来防止底鼓的发生，即尽可能 的将底鼓量控制在允许的范围内。再者是将产生底鼓的巷道中的岩石清除，用以使巷道 断面面积恢复。由于底鼓量是随着时间的推移不断增加，这就需要对其反复清除，这样 不仅增加了修复次数，还浪费大量的人力、物力和财力，更因为不能彻底清除最终还将 耽误正常的工作运转。因此，我们主要研究和探索的是防治底鼓的方法，现就其方法进 行简要介绍 1加固法 现阶段，加固法按照机理的不同，在施工中常见的可分为 （1）通过巷道底板锚固技术来加固底板围岩的强度 近年来，锚杆支护广泛应用于煤矿开采等地下工程的维护领域，