红一煤矿采煤工作面巷道支护参数优化研究.pdf

万方数据 万方数据 论文题目红一煤矿采煤工作面巷道支护参数优化研究 工程领域矿业工程 硕 士 生许子龙 （签名） 指导教师索永录校内 （签名） 刘晓平校外 （签名） 摘 要 红一煤矿 5 号煤层位于二叠系山西组，围岩由炭质泥岩、泥岩和砂岩组成，裂隙较 发育，结构复杂，顶底板岩层软弱，属于典型的三软煤层。随着回采的进行，两巷道顶 板局部出现不同程度的淋水，淋水后造成顶板岩层软化，顶板局部下沉较严重，严重影 响了回采巷道的安全使用。基于此，采用现场调研、实验室试验、现场实测、数模模拟 及现场工业性试验等手段，对 11501 工作面回采巷道支护参数优化进行了研究。 首先，在现场调研的基础上，通过现场取样及实验室试验，得出了 11501 工作面回 采巷道煤岩层抗压强度等物理力学指标；其次，通过现场实测，得到了 11501 工作面回 采巷道围岩松动圈大小，并对巷道表面位移、顶板离层等进行了现场监测，得到了原有 巷道支护条件下的巷道围岩变形破坏特征；最后通过数值模拟，分析了支护阻力等对巷 道围岩稳定性的影响，在此基础上，对五种不同支护方案进行数值模拟研究，得到了最 优的支护参数。 基于以上研究，结合现场实际情况，最终设计了 11501 工作面回采巷道优化支护方 案，并用于现场工业性试验。实测表明，优化后支护方案是合理有效的，能够控制巷道 长期稳定，满足使用要求。 本文的研究成果对于红一煤矿 5 号煤层工作面的安全生产有着重要的意义， 对类似 地质条件的巷道支护具有借鉴作用。 关 键 词软岩巷道；巷道变形；数值模拟；工业性试验 研究类型应用研究 万方数据 Subject Study on the Support Parameters Optimization of Mining Roadway in Hongyi Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Xu Zi-long （（Signature）） Instructor Suo Yong-lu （（Signature）） Liu Xiao-ping （（Signature）） ABSTRACT The No.5 coal seam of Hongyi coal mine is located in the Permian Shanxi ation. The surrounding rock is composed of carbonaceous mudstone, mudstone and sandstone. The fractures are preferably developed and the structure is complex. The top and bottom slabs are weak and belong to the typical three-soft coal. With the driving of the tunnel，there are different levels of water drenching at the roof of two roadways. Due to the water drenching，the roof rock is softened and have much severe roof partial subsidence，which seriously affects the tunneling speed and safety. Based on this，study on the optimization of the supporting parameters of the mining roadway in 11501 working face was carried out by means of field investigation，laboratory test，field measurement，mathematical model simulation and field industrial test，etc. Firstly， on the base of the field investigation， we analysis the field sampling and laboratory experiment data leading to the physical and mechanical inds such as the compressive strength，shear strength and elastic modulus of the 11501 working face，which provides the basis data for the follow-up study. Secondly, through the field ground pressure measurement， the loosening circle scale of the surrounding rock of the 11501 working face is obtained, and through the monitoring of mine pressure display such as the roadway surface displacement and the roof-separation，the basic law of ground pressure display is also obtained. Finally，the influence of elastic modulus，cohesion，internal friction angle，ground stress and supporting resistance on the stability of roadway are analyzed by numerical simulation. Further, a numerical simulation study of five different support schemes is carried out, and the final optimized supporting scheme is obtained. Combined with the researches above and the actual situation，the optimized supporting 万方数据 scheme of 11501 working face roadway is established and applied to the site industrial test. The deation measurement shows that the optimized support scheme is reasonable and effective， owns the ability of controlling the long-term stability of roadway and well satisfies the mining requirement. The research achievement of this paper are of great significance to ensure the mine safety production under circumstance of roadway water drenching in the soft rock，and provide theoretical reference and guidance for mine roadway maintenance similar to the geological conditions. Key wordsweak rock roadway；mine pressure display；numerical simulation； industrial scale test Thesis Application research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义 .......................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................... 1 1.2.1 国内外软岩巷道围岩控制理论研究现状 ........................................................ 1 1.2.2 国外软岩巷道支护技术研究现状 .................................................................... 3 1.3 研究内容与研究方法 .................................................................................................. 5 1.3.1 主要研究内容 .................................................................................................... 5 1.3.2 研究方法及技术路线 ........................................................................................ 6 2 11501 回采巷道工程地质特性及围岩物理力学性质 .......................................................... 8 2.1 工程地质条件概况 ...................................................................................................... 8 2.1.1 矿井概况 ............................................................................................................ 8 2.1.2 11501 回采巷道工程地质条件及布置形式 ...................................................... 9 2.2 11501 回采巷道原支护方式 ........................................................................................ 9 2.3 围岩力学参数测定 .................................................................................................... 10 2.4 本章小结 .................................................................................................................... 16 3 11501 工作面巷道围岩变形实测研究 ................................................................................ 17 3.1 11501 工作面巷道围岩松动圈测试方法选择 .......................................................... 17 3.2 钻孔摄像测试围岩松动圈原理 ................................................................................ 17 3.3 11501 工作面回采巷道围岩松动圈现场实测 .......................................................... 18 3.3.1 测点布置 .......................................................................................................... 18 3.3.2 测试结果分析 .................................................................................................. 18 3.4 巷道围岩变形特征实测研究 .................................................................................... 27 3.4.1 测站布置与监测内容 ...................................................................................... 27 3.4.2 监测结果及分析 .............................................................................................. 28 3.5 本章小结 .................................................................................................................... 32 4 11501 工作面巷道变形破坏规律数值模拟研究 ................................................................ 33 4.1 数值模拟软件的选用 ................................................................................................ 33 4.2 数值模拟模型的建立及参数选用 ............................................................................ 33 4.2.1 几何模型 .......................................................................................................... 33 4.2.2 强度准则及模型参数的选取 .......................................................................... 34 4.3 不同影响因素的模拟分析 ........................................................................................ 34 万方数据 目录 II 4.3.1 地应力对巷道变形的影响 ............................................................................... 34 4.3.3 支护阻力对巷道变形的影响 .......................................................................... 37 4.4 不同支护形式数值模拟研究 .................................................................................... 40 4.4.1 数值模拟方案 .................................................................................................. 40 4.4.2 结果分析 .......................................................................................................... 41 4.5 本章小结 .................................................................................................................... 44 5 现场应用及效果实测 .......................................................................................................... 45 5.1 无水情况下巷道支护方案 ........................................................................................ 45 5.1.1 断面设计 .......................................................................................................... 45 5.1.2 支护形式和参数 .............................................................................................. 45 5.2 有水情况下巷道支护方案 ........................................................................................ 46 5.2.1 断面设计 .......................................................................................................... 46 5.2.2 支护形式和参数 .............................................................................................. 46 5.3 现场试验及效果分析 ................................................................................................ 47 5.4 本章小结 .................................................................................................................... 48 6 结论 ...................................................................................................................................... 50 致 谢 .................................................................................................................................... 51 参考文献 .................................................................................................................................. 52 附 录 .................................................................................................................................... 57 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 软岩巷道支护技术始终是煤炭开采中的关键技术， 也是目前国内外尚未完全解决的 问题之一。软岩巷道围岩变形量大，变形持续时间长，支护体系的稳定性差，巷道容易 产生变形、底鼓，严重影响着煤矿的安全生产和经济效益。 红一煤矿 5 号煤层位于二叠系山西组，围岩由炭质泥岩、泥岩和砂岩组成，裂隙较 发育，结构复杂，顶底板岩层软弱，属于典型的三软煤层。11501 工作面两道断面形状 为矩形，于 2015 年 11 月开始施工，随着掘进的进行，两道顶板部分段淋水较为严重， 由于顶板岩层主要为泥质胶结，淋水后造成顶板岩层软化，顶板局部下沉量很大，严重 影响了巷道的安全使用。因此，研究 11501 工作面回采巷道支护问题，对保证矿井安全 生产具有重要的意义；我国有很多矿区存在着软岩巷道支护问题，本论文研究成果也具 有广阔的应用情景。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内外软岩巷道围岩控制理论研究现状 巷道工程属于地下工程，它与岩石力学、土力学的发展是密切联系的，它与地面工 程在设计原理和方法上也是没有本质的区别， 然而其所处的环境条件与地面工程完全不 同， 如何确定荷载作用在支护结构上的分布是巷道工程支护理论的一个重要问题[1-9]。 从 这一方面讲，地压理论和围岩压力理论的发展是巷道工程支护理论研究和发展的核心。 工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体， 显著的塑性变形是 指塑性变形为主题的变形量超过了工程设计的允许变形量， 并影响了工程的正常使用[10- 16]。工程软岩要满足的条件是 σ＞[σ]，U＞[U] 式中σ工程载荷；[σ]为工程岩体强度；U为巷道变形；[U]巷道 允许变形。 通过研究发现， 国内外学者关于工程软岩巷道围岩控制理论研究已经取得了丰硕的 成果。这些成果基本都是基于围岩的性质、围岩赋存状态、围岩变形特点、支护的作用 等的研究而取得的。 我国的工程师在近几十年来对工程软岩巷道围岩控制理论的研究上 开展了大量的工作。到目前，对于深井软岩巷道的支护技术也有了一定的认识，形成了 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 一些相关理论。 如联合支护理论、 锚杆围岩强度强化理论、 松动圈理论、 应力控制理论、 岩性转化理论、轴变论理论、主次承载区理论等都是其中一些典型的比较重要的软岩巷 道支护理论。 大量研究表明，岩体作为天然介质，是一种典型的无序介质。原因就是由于沉积环 境、 成岩作用、 构造应力以及地质作用的影响， 其内部产生和分布着大量的断层、 裂隙、 孔隙，并向各个方向发展，表现出强烈的各向异性、非均质性等特征。岩体另外一个重 要的特征就是具有显著的时间、空间效应，换句话说就是表现为流变特性。这是导致巷 道变形和稳定性丧失的最重要的因素[17-25]。 赵海军、马凤山、丁德民通过研究认为最大主应力场的分布状态与巷道变形、破坏 之间有很强的对应关系，不同阶段、不同部位的变形破坏特征也存在一定的相似性和渐 变性， 并得出这是由于采动影响造成的围岩应力场和岩体应变能密度场都长期处于一定 的规律性变化之中的结论[26]。杨彩红、李剑光基于岩石最弱断面并联微元体模型对岩石 压缩过程中变形与承载能力之间的关系， 以及非均匀软岩的衰减蠕变和非衰减蠕变机理 做了深入的研究，并最终得出引起岩石蠕变的主要原因有两个，一是岩石内部各点的 屈服弱化从变形开始便不同步， 而这又是由于岩石的非均匀性造成岩石内部各点的承载 能力不同导致的。二是岩石晶体内部空位或杂质的不断扩散。在上述两个原因的作用下 最终致使岩石蠕变的产生[27]。 景海河、何满潮等通过大量的研究后指出围岩自承力与支护力不足是导致巷道失 稳的主要原因。他们还认为，一个优化优化的软岩巷道支护设计是保证巷道稳定的前提 下，围岩的能量，使以变形形式转化的工程力是否达到了最大，也就是说围岩的自承能 力是否得到了最大发挥。 而如果想做到这一点最关键的问题就是确定变形能释放时间和 最佳支护时间[28-35]。通过进一步研究又指出支护荷载为最小支护荷载时的时间为最佳 支护时间，它可以通过塑性软化区和塑性流动区内岩石的重力求得。侯朝炯、勾攀峰对 锚固理论展开了大量的实验室试验和理论分析，最终得出锚杆的作用是不容忽视的， 它将传统的被动支护转变为主动支护，其与围岩相互作用，与围岩一道组成了锚固体， 改变了锚固体的力学参数，大大提高了锚固体的强度，尤其是对岩体峰后强度及残余强 度提高起到了关键作用，使围岩自承能力得到了极大的发挥。他们通过力学分析发现 锚固体 c、φ、c*、φ*在一定范围内均是随锚杆支护强度的增加而比较线性的提高的[36- 45]。这从力学理论为提高锚杆支护作用找到了支持。 李大伟、侯朝炯、柏建彪等通过理论研究和现场多种支护方式的对比实验对二次支 护巷道围岩稳定控制机理做了深入的探讨。认为一次支护的关键是保证围岩体基本稳 定的前提下，使围岩体能量得到充分的释放，确保围岩自身承载力能充分有效的发挥， 二次支护要重视支护的强度和刚度，避免围岩再次发生软化和蠕变，一致巷道岩体偏应 力的产生[46-49]。 万方数据 1 绪论 3 1.2.2 国外软岩巷道支护技术研究现状 （1） 国外软岩巷道支护技术研究历史及现状。 对一些比较发达的国家 （澳大利亚、 西欧、俄罗斯和波兰等国）的相关研究历史及现状进行了分析总结。分析发现，不同国 家的研究历史与现状也存在较大的差异。 澳大利亚煤矿支护的发展过程可以简单概括为从最早的砌碹方式到后来的锚喷支 护， 再到最后的金属支架技术， 近几十年来锚杆支架成为澳大利亚煤矿支护的主要方式。 具体讲就是在围岩条件比较稳定时主要采用普通锚杆支护， 在围岩条件不太稳定时则主 要采用锚网、组合锚杆（网）或者高强超长锚杆（网）等支护形式，在围岩条件极不稳 定时，主要采取组合锚杆桁架加锚索的支护形式，在一些特殊地段，如边掘边发生冒顶 等围岩稳定性极差的环境下则主要采用金属支架支护的方式。 法国、德国、英国等欧洲发达国家长期以来都是以金属支架为主要的支护形式，只 是随着时代的发展其金属支架的加工质量、 性能以及机械化安装的水平等在逐步的提高。 从上世纪八十年代以后， 这些国家才开始从澳大利亚、 美国等引进锚杆支护技术， 目前， 锚杆支护的使用量也有了大幅度的提高，据有关数据统计，这一数字已经达到了 90。 通过有关资料搜集整理分析发现，欧洲其他国家，如俄罗斯、波兰矿山巷道支护至今仍 以金属支架为主要支护方式，只有约三成的巷道使用木支架、砌碹或锚喷等其他支护方 式，剩下超过七成的巷道全部使用金属支架进行支护。 综上所述，国外巷道支护技术发展大体上可分两个阶段，即锚喷支护阶段、钢架支 护阶段。 ①锚喷支护研究阶段。早在 19 世纪初期，美国、英国等国家就己经开始了锚喷支 护技术的试验研究，但对其系统研究是从 20 世纪 40 年代开始，自 20 世纪 50 年代以来 己经在金属矿山、水利等地下工程中广泛使用。锚喷支护用于煤矿软岩支护始于 20 世 纪 60 年代初期。为适应软岩变化，锚杆的种类也发展很快。早期是楔缝式锚杆、涨壳 式锚杆、倒楔式锚杆等机械式锚杆以及水泥注浆锚杆等粘结式锚杆。近年来又发展了性 能良好、适应性更广泛的新型锚杆，如树脂锚固锚杆、水泥锚固锚杆等[50-57]。 ②钢架支护研究阶段。进入 20 世纪 80 年代末期，随着煤矿开采技术的发展，矿井 开采深度加大，软岩问题逐渐更为突显，单一锚喷支护为主的支护方法在软岩巷道中已 经难以满足安全生产的需要。例如，波兰的 Lublin 煤矿，第一水平开采深度达 700m， 第二水平开采深度达 1000m。该矿的巷道围岩是砂质泥岩为主的泥质岩类，组成这些泥 质岩的主要矿物是水云母、 维晶高岭石及少量的伊蒙混层矿物。 存在的问题主要表现为， 巷道锚喷支护以后， 出现片帮、 底鼓、 变形及压力大等现象。 其初期变形为每天 80mm， 前 10 天变形量达到 800mm，前一个月的底鼓量达 900mm，前 3 个月的底鼓总量达 1200mm，前 6 个月的底鼓总量达 1350mm。该矿不得不采取重复起底、刷帮的方式多次 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 翻修巷道。为了扭转这样的被动局面，该矿与波兰煤矿科学研究总院合作进行了多年的 试验和研究， 把支护方式改为钢架支护， 主要试验了 U29 和 U36 两种规格的金属支架， 布置形式为每米 3 架，支护成本很高[58-63]。 （2）国内软岩巷道支护技术研究历史及现状。我国关于软岩巷道支护理论的研究 可以追溯到建国以后，特别是 80 年代以后，随着国家经济发展，煤炭资源的需求呈直 线式上升， 矿井开采深度日益加大， 随之高应力软岩巷道支护问题在一些矿区逐渐凸显。 这也进一步推动了煤炭行业软岩巷道支护问题的研究向纵深层次发展， 支护形式逐渐丰 富，支护技术日趋完善。 总的来讲，我国从两个方面对软岩巷道支护技术进行研究一方面是软岩巷道条件 下的锚喷支护技术；另一方面是基于对支护材料、支护形式和支护工艺的试验研究，形 成了具有我国特色的软岩巷道综合支护体系，具体讲就是指锚喷、注浆、可缩性金属支 架及高强混凝土弧板支架等联合软岩巷道支护体系。 ①国内锚喷支护技术的发展。我国自 20 世纪 50 年代开始锚喷支护技术试验以来， 锚喷支护技术逐步成熟，大体分为三个阶段[64-71]。 试验阶段上世纪 50 年代到 60 年代的特点是依靠现场实际经验进行的零星试验， 从单一的锚杆支护试验开始，过渡到喷射水泥砂浆支护试验，进一步发展到喷射混凝土 支护试验，同时进行的还有光面爆破的新技术试验。 发展阶段20 世纪 70 年代的特点是，通过试验形成了对锚喷支护技术摸索实践的 系统性研究总结。煤炭工业部把锚喷支护确定为井巷支护技术的发展方向，极大的促进 了这一技术在软岩巷道条件下的应用研究。在国家相关部委的鼎力支持下，这一技术在 淮南、开滦及抚顺等矿区的软岩巷道中得到了广泛的推广和应用。 提高阶段上世纪 80 年代以来是锚喷支护技术的巩固和提高阶段。这一阶段的特 点是在实践基础上进一步采用新技术、新方法开展试验和理论研究，加强了支护效果测 量工作，并针对不同煤矿的特殊性，开展了大量软岩巷道锚喷支护技术的研究试验，取 得了较好的成效。这一阶段最大的成果是锚喷支护和光面爆破的结合应用，共同实现了 对围岩的有效控制，并最大程度地保护了围岩的整体性和强度，充分发挥了围岩的自承 能力，这是我国煤矿支护技术上的重大发展与突破。 ②可缩性金属支架的发展。可缩性金属支架的发展可以概括为两个阶段，第一阶段 时间为上世纪 50 年代到 80 年代， 主要成果就是形成了定型 U 型钢系列支架， 型号主要 有 18kg/m、25kg/m、29kg/m、36kg/m 等，它们的屈服极限可以达到 300MPa 以上，延 伸率最大可达 20％。第二阶段时间为上世纪 80 年代以后至今，这一阶段发展的主要成 果是形成了基于巷道断面形状的支架系列，具体可分梯形、半圆拱形、三心拱直腿、三 心拱曲腿、马蹄形、圆形等 9 种支架系列。当然，钢筋网背板和 U 型钢调质处理等配套 技术也是在这一时期形成的，是这一阶段形成的另一个重要成果。可缩性金属支架的现 万方数据 1 绪论 5 场应用也比较广泛，在充州、徐州等较老的较大的矿区都能见到[72]。这一时期关于 U 型 钢支架配套的壁后充填技术的试验研究也是历经诸多的尝试和探索，先后进行过矸石、 毛石、水泥砂浆、炉渣、粉煤灰袋装材料和高水灰渣材料等多种材料的巷道支架壁后充 填试验，并取得了比较好的效果，使支架对对围岩的支护强度提高了数倍，从而使巷道 变形速度大幅度降低，有研究分析得出，这一数值达 50以上。然而这一技术目前在现 场应用还比较少，制约此项技术广泛应用的最主要原因是此技术的机械化作业、成套的 装备和工艺还没有形成，由此而导致其施工劳动强度大，速度慢。 ③通过对相关文献资料的整理发现，这一技术早在 200 多年前的法国就有应用，法 国的土木工程师查理斯贝里格尼用金属支架技术进行了地基加固。而我国对于可缩性 金属支架技术的研究应用相对比较晚，相对较为系统理论的研究开始于上世纪 90 年代 的国家“八五”重大科技攻关中。 当时由山东科技大学提出， 这一技术的主要做法是通过 空心锚杆向围岩注浆，使松散围岩形成一个整体，从而较好的改善围岩的结构和物理力 学性质，提高了围岩自身承载能力。从而锚杆的着力基础也得到了强化，降低了锚固能 的损失，更好的发挥了锚杆的作用[73-77]。山东科技大学在巨野煤田对这一技术开展了大 量的工程实践，取得了良好的效果。根据他们的工程实践经验，应用这一技术的关键是 要抓好工程质量。实践证明锚注技术由于工艺简单、成本低、应用广泛（煤巷、岩巷、 硐室、静压巷道、动压巷道都能应用） ，如果再能保证好其工程质量，它的效果将非常显 著，它已成为目前解决处理高地应力软岩巷道支护优先选择的技术。 ④高强硅弧板支架。总的来说这一技术研究发展是最晚的，到目前应用也是比较少 见。我国最早的应用是在淮南矿区，当时利用全断面封闭和密集连续式的高强钢筋硅板 块结构巷道支架有效控制