利民煤矿巷道补强支护的优化研究.pdf

万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 随着煤矿行业的发展，煤矿的产量逐渐增大，许多矿井都更新换代了大型生产 设备，随之而来产生了目前巷道的尺寸难以运输大型设备的问题。因此为采用扩大 巷道尺寸的方法来进行大型设备的运输，但是巷道扩大后使得原来围岩稳定性也遭 到了破坏，增加了巷道片帮或者顶板冒落的可能，给矿井工作人员的生命安全带来 巨大的威胁，影响了矿井的安全高效的生产。现阶段我国大部分矿井在设计工作面 支护与掘进巷道的支护过程中依旧按照原来的巷道尺寸与经验进行设计，当巷道扩 大后所采用的支护方案往往达不到需要的支护效果。因此，针对不同地质条件的超 宽巷道以及松酥顶板巷道的支护技术优化研究对目前矿井在巷道扩大过程中的支护 方案设计具有重要的指导意义。 本论文以 I030901 回风顺槽为研究背景。 I030901 工作面回风顺槽巷道断面为矩 形，0-100m 段巷道断面毛宽 5600mm、毛高 3800mm，100m-1456.4m 段巷道断面毛 宽 5200mm、毛高 3800mm，但由于 I030901 回风顺槽巷道 1050m 过断层处巷道顶 板为断层破碎带， 出现一次全断面冒落， 冒落高度约为 4-5m， 冒落长度预估为 25m。 按照原有的方案已不能满足巷道的支护要求，危险性较大。 本论文首先采用了现场调研勘察与现场试验的方法，对 I030901 回风顺槽的基 础物理力学性质进行全面的勘查与实验，弄清了该矿 9煤层煤与岩石的物理力学基 本性质。然后采用理论分析的方法对各种岩层的的相互作用进行理论分析并且对扩 大巷道后围岩稳定性的变化进行预测和分析并与数值模拟结果进行相互印证。其次 以该矿 I030901 回风顺槽的实际情况为基础进行理论分析、验证锚索锚杆联合支护 方式，以及加注“马丽散”高分子材料填充方式等手段对 I030901 回风顺槽原有支 护方案进行重新设计，得到经过优化的设计方案。最后在实施该优化方案后对在 I030901 回风顺槽的巷道进行了矿压观测，结果表明优化设计方案不仅减少了该矿 巷道支护成本并且大大的提高了围岩的稳定性，达到了预期的效果。 关键词关键词巷道尺寸；顶板与围岩性质；围岩稳定性；支护成本；支护优化 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract With the development of the coal mining industry, the output of coal mines has gradually increased, and many mines have replaced large-scale production equipment. As a result, the size of the current roadway is difficult to transport large-scale equipment. Therefore, the large-scale equipment transportation is carried out by adopting the of expanding the size of the roadway, but the stability of the original surrounding rock is also destroyed after the roadway is enlarged, and the possibility of the roadway lining or roof falling may be increased, and the life safety belt for the mine staff may be added. A huge threat has affected the safe and efficient production of mines. At present, most mines in China are still designed according to the original roadway size and experience during the process of supporting the design work surface and supporting the excavation roadway. The support schemes adopted after the expansion of the roadway often fail to achieve the required support effect. . Therefore, the research on optimization of supporting technology for ultra-wide roadway and loose-slab roof roadway for different geological conditions has important guiding significance for the design of supporting schemes in the mine expansion process. This thesis takes I030901 return air slot as research background. I030901 working face return road along the slot roadway section is rectangular, 0-100m roadway section gross width 5600mm, hair height 3800mm, 100m-1456.4m roadway section hair width 5200mm, hair height 3800mm, but because of I030901 return wind along the roadway 1050m The top slab of the roadway in the fault is a fault-broken zone, and a full-surface collapse occurs. The caving height is about 4-5m, and the length of the caving is estimated to be 25m. According to the original plan, it can no longer meet the roadway support requirements, and the danger is greater. 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III In this paper, the of site survey and field experiment was first used to conduct a comprehensive survey and experiment on the basic physico-mechanical properties of the I030901 air-return trough, and the basic physical and mechanical properties of coal and rock in the 9 coal seam of the mine were ascertained. Then theoretical analysis was used to analyze the interactions of various rock layers and predict and analyze the changes in the stability of the surrounding rock after roadway expansion. The results were verified with the results of numerical simulations. Secondly, based on the actual situation of the I030901 return trough in the mine, the theoretical analysis, the verification of the combined support mode of anchor cable bolt, and the filling mode of “Ma Li dispersion“ polymer material are used to redesign the original support scheme of the I030901 return wind trough, and the optimized design scheme has been obtained. At last, the mine pressure observation was carried out on the roadway in the I030901 return wind tunnel after the implementation of the optimization scheme. The results show that the optimized design scheme not only reduces the cost of the roadway support and greatly improves the stability of the surrounding rock, and has achieved the expected effet. Key wordsRoadway size；Roof and surrounding rock properties；Stability of surrounding rock；Support cost；Support optimization 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 目目录录 摘要..................................................................................................................... I Abstract.....................................................................................................................II 1. 绪论....................................................................................................................... 1 1.1 课题研究背景及意义..................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状............................................................................................. 2 1.3 研究内容......................................................................................................... 3 1.4 研究方法及技术路线...................................................................................... 3 1.4.1 研究方法................................................................................................. 3 1.4.2 技术路线................................................................................................. 4 1.5 研究的创新点.................................................................................................. 4 2. I030901 工作面概况............................................................................................ 6 2.1 I030901 工作面回风顺槽现状...................................................................... 6 2.2 煤（岩）层赋存特征..................................................................................... 6 2.3 充水来源分析................................................................................................. 8 2.4 巷道原设计支护方案..................................................................................... 9 2.5 本章小结....................................................................................................... 11 3 围岩基础物理特征的分析................................................................................... 12 3.1 围岩顶地板特征........................................................................................... 12 3.2 围岩物理力学试验....................................................................................... 12 3.2.1 煤岩样容重实验.................................................................................... 13 3.2.2 煤岩样抗压强度实验............................................................................ 14 3.3 岩样基础物理力学性质初步评估................................................................ 17 3.4 本章小结........................................................................................................ 18 4 锚杆锚索支护参数的优化研究........................................................................... 19 4.1 利用锚杆锚索进行巷道支护的认识........................................................... 19 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 4.2 锚杆（锚索）支护设计技术参数............................................................... 19 4.3 本章小结....................................................................................................... 26 5 巷道补强支护的方式方法的研究及优化对比................................................... 27 5.1 巷道参数....................................................................................................... 27 5.2 巷道支护设计............................................................................................... 27 5.2.1 支护依据............................................................................................... 27 5.2.2 支护设计............................................................................................... 27 5.3 支护工艺....................................................................................................... 30 5.3.1 临时支护方式....................................................................................... 30 5.3.2 锚杆及联合支护................................................................................... 31 5.3.3 全断面冒落段补强支护....................................................................... 32 5.4 优化比对........................................................................................................ 36 5.5 本章小结....................................................................................................... 37 6. 现场应用及监测分析......................................................................................... 38 6.1 监测设备及布置位置................................................................................... 38 6.1.1 观测仪器............................................................................................... 38 6.1.2 仪器的安装与监测............................................................................... 39 6.2 监测分析....................................................................................................... 39 6.2.1 巷道围岩表面位移变形监测分析....................................................... 39 6.2.2 锚杆锚索锚固质量检测....................................................................... 42 6.3 顶板离层监测分析....................................................................................... 50 6.4 本章小结....................................................................................................... 51 结论................................................................................................................... 52 参考文献................................................................................................................... 53 在学研究成果........................................................................................................... 58 致谢................................................................................................................... 59 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1. 绪论绪论 1.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 我国是一个煤炭大国， 煤炭在国民经济市场中是一个无法替代的产品。我国的煤 矿中 90的煤矿属于井工开采， 因此在矿井拓建的过程就需要掘进大量的各种各样的 岩石性质的巷道。 因此巷道的围岩稳定性巷道掘进过程中的安全、维护安全以及矿井 的安全高效具有重要的意义[1]。随着煤矿行业的有序的发展，煤矿建设设计的设计产 量逐渐增大， 随着产量的增加旧的的设备无法满足设计产量的需要因此几乎所有的大 型矿井都更新换代了大量的大型生产设备， 随之而来产生了目前巷道的尺寸难以运输 大型设备的问题。 因此为采用扩大巷道尺寸的方法来进行大型设备的运输，但是巷道 扩大后使得原来围岩稳定性也遭到了破坏，增加了巷道片帮或者顶板冒落的可能，给 矿井工作人员的生命安全带来巨大的威胁，影响了矿井的安全高效的生产，制约了煤 炭企业的进一步发展[2]。由于不同井田具有不同的的围岩条件，尤其是某些矿井具有 松散顶板、破碎带断层顶等等原因导致这些顶板的巷道在维护过程中及其困难[31,32]。 但是现阶段而言我国的所有的大中型矿井中仍然有一大部分的矿井在设计工作面支 护与掘进巷道的支护过程中依旧按照原来的巷道尺寸与经验进行设计， 当旧设备更新 为新的大型设备后， 巷道扩大后支护效果达不到扩大巷道后所需要的支护效果。在没 有对应的支护理论的前提下一味的通过加大支护强度的方法去维持围岩的温度性， 这 样一味的采用增大支护强度的方法不但不能够加强围岩的稳定反而可能会使巷道围 岩的稳定性降低， 这中按照以往经验进行支护的方法对扩大断面积的巷道进行支护很 有可能达不到维持围岩稳定的效果[37,42]。 虽然通过大量的支护维持围岩的稳定但是无 形中给矿山带来经济损失。 而且很有可能通过过度的支护但是并没有达到维持围岩稳 点的方法反而存在冒顶的危险或者已经发生冒顶严重危害到矿山工作人员的生命安 全影响到矿山的安全生产。 总之，针不同地质条件的超宽巷道以及松酥顶板巷道的支 护技术优化的研究对目前此类顶板的矿井在扩大巷道的支护的过程的指导具有重要 的实际意义[3]。目前主要采用锚杆支护的方法来保持围岩的稳定性，通过对岩层岩石 力学相互作用的理论分析合理的使用锚杆支护能够明显地降低矿山工作人员的劳动 强度劳动强度、 合理地为矿山企业节省材料成本并且工作人员施工方便、围岩支护效 果好等优点[4]。但是遇到破碎带断层，松酥顶板为做到安全支护，还需要使用高分子 材料，马丽散等补强支护。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 本论文以利民煤矿为研究背景，该矿由于产量较小，支护技术理论及矿井设生产 能力都相对较小因此在设计过程中掘进巷道断面积较小， 支护方式简单。 从 9煤层开 始掘进以来， 该煤矿产量大大的增加必须引进大采高设备，因此为了井下运输设备必 须扩大巷道断面积。该矿在支护过程中虽然也采用了符合围岩变形工艺的主动支护 （锚杆支护）但由于 I030901 回风顺槽巷道 1050m 过断层处巷道顶板为断层破碎带， 出现一次全断面冒落，冒落高度约为 4-5m，冒落长度预估为 25m[45]。面对这样的顶 板地质条件。因此，因此，针不同地质条件的超宽巷道以及松酥顶板巷道的支护技术 优化的研究对目前该矿井在扩大巷道的支护的过程中利用马丽散补强巷道支护技术 的指导具有重要的实际意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 我国煤炭矿井中煤层顶板的性质中松酥软岩占了 30左右。 在支护理论研究中对 松酥软岩的研究是缺乏系统性的。 目前常用的巷道支护过程中，主要依据具体的围岩 情况， 通过工程类比的方法来确定巷道支护方式与支护参数，没有针对性的对具体的 围岩的岩进行科学系统的分析使得支护的效果不太理想导致巷道变形相对明显， 支护 结构损坏，严重时发生冒顶事故，给井下工作人员的生命安全带来了巨大的威胁[5]。 国内学者王传聪所著作“马丽散”固顶材料在综采工作面断层破碎带的技术应用 针对华恒矿业公司 41108 西工作面初采期间，遇一落差 2.2m 的正断层，顶板破碎冒 落 0.4-1.2m，煤壁酥松片帮，通过采用高分子化学材料注浆马丽散及顶板施工锚网 支护等技术措施。 对断层破碎带进行超前加固，顺利通过了该断层达到预期的支护效 果[44-46]。 大跨度大断面巷道、高帮大断面巷道、交叉口大断面巷道、开切眼大断面巷道和 硐室大断面巷道属于大断面巷道的基本类型[6]。对于大断面巷道而言，当断面扩建后 围岩的变形规律与小断面巷道变形规律大大的不同， 因此不能够使用小断面巷道的支 护方法对大断面的巷道进行支护 [7]。 目前顶板为软岩的大断面巷道的支护理论与参考 文言严重的不足。 巷道扩大后支护效果达不到扩大巷道后所需要的支护效果[1622]。 在 没有对应的支护理论的前提下一味的通过加大支护强度的方法去维持围岩的温度性， 这样一味的采用增大支护强度的方法不但不能够加强围岩的稳定反而可能会使巷道 围岩的稳定性降低[48]， 这中按照以往经验进行支护的方法对扩大断面积的巷道进行支 护很有可能达不到维持围岩稳定的效果反而存在冒顶的危险严重危害到矿山工作人 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 员的生命安全和矿山的安全生产， 虽然通过增大支护强度可以维持围岩的稳定但是存 在较高的支护成本[8]。 国外学者普洛托基亚柯洛夫、 金尼克、秦巴列维奇等认为围岩仅仅是传递和施加 载荷的介质 V.Rabcevicz 提出了新奥法[5963]，新奥法的原理是巷道围岩的稳定性不仅 仅是通过施工方法与支护方法来实现的更是要通过支护的作用来发挥围岩自身的性 质来确保围岩的稳定性[914]。M.D.G Salamon 提出了能量支护理论[5158]，即围岩变形 过程中释放的能量分为两部分其中一部分由锚杆吸收，另外部分由围岩自身承担，二 者相互作用、 相互补偿[15]。 大断面巷道围岩应力变化过程中， 巷道顶部易出现拉应力， 造成顶板易破坏[6366]，不利于巷道稳定。日本学者滕俊男研究了软岩的膨胀性。 1.3 研究内容研究内容 论文主要研究以下几个方面 （1）利民煤矿 9煤层围岩顶板岩石容重、抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等力 学性质进行分析。 （2）松酥软岩巷道补强支护优化理论分析。对锚杆、锚索联合支护对围岩稳定 性进行合理的分析并且结合该矿大断面巷道的实际情况，包括全断面冒落段的处理， 通过理论计算提出优化补强支护的方案。 （3）工业投入使用。将优化补强的支护方案应用于 I030901 回风顺槽未掘段的 投入，同时对已掘段的锚索锚杆支护方式，按照优化后的方案补强支护。从实际验证 补强后巷道支护方式。 （4）试验验证。对于补强支护后的 I030901 回风顺槽巷道进行布置测站，对该 巷道进行围岩深部位移、表面位移、围岩内部裂隙发育规律、锚杆（索）受力监测进 行观测， 通过与之前未使用优化方案对比可知该矿大断面巷道补强支护方案合理有效 达到了预期的效果。 1.4研究方法及技术路线研究方法及技术路线 1.4.1 研究方法研究方法 （1）基础资料分析研究。 （2）理论分析研究。对影响围岩稳定的因素进行理论分析 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - （3）现场工业试验研究。将所研究内容应用 I030901 回风顺槽联巷的支护。 （4）监测试验研究。对应用于现场的支护方式，进了监测监控，从而确定研究 的意义。 1.4.2 技术路线技术路线 图 1.1技术路线图 1.5研究的创新点研究的创新点 创新点提出的背景是由于 I030901 回风顺槽巷道为松酥软岩巷道，I030901 回风 顺槽 I030901 工作面回风顺槽巷道断面为矩形，0-100m 段巷道断面毛宽 5600mm、毛 高 3800mm，100m-1456.4m 段巷道断面毛宽 5200mm、毛高 3800mm，由于原先掘进 支护依据原有的设计正常掘进至 1800m 后，但由于 I030901 回风顺槽巷道 1050m 过 断层处巷道顶板为断层破碎带[48]，出现一次全断面冒落，冒落高度约为 4-5m，冒落 长度预估为 25m。按照原有的方案已不能满足巷道的支护要求，危险性较大，因此需 要补强支护优化。安全掘进未得到保障迫使停止掘进，进行补强支护。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 创新点的主要做法是处理冒顶段是采取的特有的创新做法， 对 I030901 回风顺槽 巷道中部 1050m 冒落段掩埋煤岩耙渣，对冒顶上部注射罗克休凝固，注射马丽散做 假顶，制作永久架钢棚梁安全过冒顶段。同时依据对 I030901 回风顺槽巷道围岩特征 对已锚固的锚杆锚索联合支护重新理论计算，重新补强锚固。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - 2.I030901工作面概况工作面概况 2.1I030901工作面回风顺槽现状工作面回风顺槽现状 I030901 工作面回风顺槽位于井田中东部， 地面为丘陵沟谷地貌， 无建筑物， 109国道和天然气管道斜穿巷道。 I030901工作面回风顺槽自I0309采区皮带下山270m 处由北向南开口至井田南部边界，其上部、下部和东部均为未开采地段，西部为 I030901 工作面运输顺槽。工作面邻近无其它采掘作业，对掘进作业无影响。I030901 回风顺槽附近无老空区的存在， 其南部井田边界的中税煤矿井下采掘巷道及工作面不 存在越界开采现象，所以不受老空区内的水、火、瓦斯的影响。邻近采区情况对掘进 巷道无影响。地面标高为1370.81415，水平标高为10771017 层位为 9-1煤层， 坡度为沿 9-1煤层，顶板掘进设计长度为总长 1456.4m，巷道用途为担负 1030901 工 作面回采回风、行人及管线的敷设。断面形状为矩形断面，支护方式为锚网索联合支 护，采用综掘机施工。I030901 工作面回风顺槽布置区段内隐伏断层及节理裂隙等断 裂构造发育，易发生顶板抽条和冒落等灾害情况。 2.2 煤（岩）层赋存特征煤（岩）层赋存特征 9-1煤层位于二迭系下统山西组第一岩段P1s1下部，煤层总厚约为 3.73m，夹矸 0-5 层，平均 1-2 层夹矸，煤层结构简单，赋存较稳定，属于全区可采煤层。底板岩 性多为泥岩、炭质泥岩，有少量的粘土岩，厚度为 0.26-4.63m。本煤层属于自燃煤层， 最短发火期 66 天；9煤层顶底板柱状图如图 2.1 所示。根据图 2.1 可知 9-1煤层顶板 主要是泥岩与炭质泥岩，顶板厚度为 0.15-20.45m；底板岩性多为泥岩、炭质泥岩， 有少量的粘土岩，厚度为 0.26-4.63m。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 7 - 岩 性 描 述 名 称 厚 度 m 地 层 单 位 灰 黑 色 ， 层 理 不 显 ， 富 含 植 物 化 石 ， 滑 面 发 育 ， 岩 芯 破 碎砂 质 泥 岩 灰 黑 色 ， 厚 层 状 ， 层 理 不 显 ， 岩 性 均 一 ， 具 垂 直 裂 隙 ， 为 方 解 石 充 填 。泥 岩 黑 色 ， 半 暗 型 煤 ， 层 状 构 造 ， 光 泽 暗 淡 ， 内 生 裂 隙 不 发 育 1 0 煤 灰 黑 色 ， 层 理 不 显 ， 富 含 植 物 化 石 ， 滑 面 发 育 ， 岩 芯 破 碎 砂 质 泥 岩 黑 色 ， 半 暗 型 煤 ， 细 条 带 状 结 构 ， 层 状 构 造 ， 内 生 裂 隙 发 育 ， 呈 沥 青 光 泽 ， 局 部 夹 有 少 量 黄 铁 矿 薄 膜 ， 断 口 参 差 状 . 9 - 1 煤 0 . 3 0 0 . 2 0 1 . 5 0 0 . 3 5 1 . 3 8 灰 黑 色 ， 块 状 ， 岩 芯 均 一 ， 下 部 夹 粉 砂 岩 薄 层 ， 易 风 化 。泥 岩 灰 黑 色 ， 薄 层 状 ， 含 有 大 量 植 物 化 石 和 炭 屑 ， 易 污 手 ， 层 理 不 显 。砂 质 泥 岩 深 灰 色 ， 薄 层 状 ， 夹 细 砂 质 条 带 ， 缓 波 状 层 理 不 发 育 ， 断 口 参 差 状 。粉 砂 岩 浅 灰 色 ， 厚 层 状 ， 成 分 以 长 石 、 石 英 为 主 ， 泥 质 胶 结 ， 分 选 差 ， 下 部 夹 有 少 量 炭 屑 。粗 粒 砂 岩 P1