隆德煤矿巷道顶板离层研究及支护优化.pdf

万方数据 论文题目论文题目 隆德煤矿巷道顶板离层研究及支护优化隆德煤矿巷道顶板离层研究及支护优化 作者姓名作者姓名 王王 辉辉 入学时间入学时间 2015 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师 吴士良吴士良 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2018 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 Study on Roof Separation and Support Optimization of Roadway in Longde coal mine A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wang Hui Supervisor Professor Wu Shiliang College of mining and safety engineering May 2018 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 顶板离层是影响巷道顶板稳定性的因素，特别是锚固段以外的顶板岩层出 现离层时极易导致顶板垮落。因此，研究具体情况的巷道顶板离层值，通过其 判断巷道的支护状态，并采取相应的措施对巷道进行合理支护。本文以隆德煤 矿为实际工程背景，研究隆德煤矿巷道顶板离层规律，同时对顶板实际离层值 进行测量，通过对比，判断控顶效果，确定加强支护或者优化支护。 基于 201 工作面基本地质条件和实验得到的顶板岩层物理力学参数，探究 顶板离层机理及不同的离层形式，并依据载荷条件、跨度条件和挠度条件等多 种理论方法确定顶板 3 个岩层之间均存在离层现象。 201辅运顺槽在受到201工作面采动影响， 本文通过3DEC软件模拟地应力、 围岩力学性质、巷道宽度、护巷煤柱大小、锚固方式及采动影响 6 个因素对顶 板离层规律的影响。研究得到顶板离层量随着垂直应力、水平应力、巷道宽 度等因素的增大而增大、随着岩层内摩擦角、内聚力和顶板支护强度的增大而 减小；而顶板岩层的抗拉强度对顶板离层几乎没有影响。 通过煤科总院经验公式、锚杆最大延伸值法以及数值模拟确定顶板离层临 界值为 72.8mm。 实测数据发现巷道顶板服务期总离层值为 32mm，仅达到确定的临界值的 44，离层较小；总的顶底板移近量为 182mm，两帮移近量 149mm，巷道变形 量较小；回风顺槽锚杆受力最大 74kN，增量约 52kN，209 辅运顺槽锚杆受力不 超 40kN，增量为 3kN，锚杆受力较小。实测数据显示巷道支护状态好，能够完 全抵抗围岩变形。 为提高开采率，并节约支护材料，对支护参数优化。通过理论分析得出护 巷煤柱宽度不能小于 12.1m，锚杆间排距不能超过 12.8m，通过数值模拟综合确 定优化后的煤柱宽度由 20m 变为 12.5m，锚杆间排距为 10001000mm。 关键词关键词顶板离层，临界值，数值模拟，支护参数 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Abstract II Abstract Roof separation is a factor affecting the stability of roadway roof, especially when the roof strata outside the anchorage section are very easy to lead roof to collapse when the strata are separated . Therefore, studying the roadway roof separation value of specific conditions and judging the supporting state of roadway and taking corresponding measures are great significance for the actual production of coal mines. Based on the actual background of Longde coal mine, the law of roof separation in Longde coal mine is studied, and the actual separation value of roof is measured. By comparing, the effect of roof control is determined, and the support is strengthened or the support is optimized. Based on the basic geological conditions of the 201 working face, explore the mechanism of roof separation and different s of separation. According to the load theory, span conditions and deflection conditions, we have identified the phenomenon of separation between the 3 rock strata of the roof. Through 3DEC software, this paper simulates the influence of six factors such as ground stress, mechanical property of surrounding rock, width of roadway, size of coal pillar, anchoring mode and mining movement on roof separation law. The results show that the roof separation increases with the increase of vertical stress, horizontal stress and roadway width, and decreases with the increase of rock friction angle, cohesion and roof support strength. However, the tensile strength of roof rock has little effect on roof separation. The critical value of roof separation is determined to be 72.8mm by the empirical ula of the general institute of coal science, the of maximum extension value of anchor bolt and numerical simulation. The measured data found that the total value of 32mm roadway roof separation, only reached the critical value of 44, the top and bottom separation value is smaller; total close quantity is 182mm, the convergence between the two sidewalls of 149mm, the roadway deation is smaller; groove bolt stress is the biggest increment 74kN, about 52kN, the 209 auxiliary transport crossheading bolt the force does not exceed 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Abstract III 40kN, the increment was 3 kN, the stress of anchor is small. The measured data show that the supporting state of the roadway is good, and it can completely resist the deation of the surrounding rock. In order to improve the mining rate and save the supporting material, the supporting parameters are optimized. Through theoretical calculation, the width of coal pillar in protective lane should be greater than 12.1m, and the row spacing between bolts is less than 12.8m. The width of optimized coal pillar will change from 20m to 12.5m, and the row spacing between bolts is 1000 * 1000mm. Keywords roof separation, critical value, numerical simulation, support parameters 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 1 绪论绪论 ..................................................................................................... 1 1.1 课题的提出及研究意义 ................................................................................. 1 1.2 国内外的研究现状 ......................................................................................... 1 1.3 主要研究内容和方法 ..................................................................................... 4 2 201 工作面及回采巷道基本概况工作面及回采巷道基本概况 ..................................................... 6 2.1 工作面位置 ..................................................................................................... 6 2.2 煤层地质条件 ................................................................................................. 6 2.3 201 综采工作面巷道布置 .............................................................................. 6 2.4 围岩物理力学性质实验研究 ......................................................................... 8 2.5 小结 ............................................................................................................... 17 3 巷道顶板离层机理与稳定性分析巷道顶板离层机理与稳定性分析 .................................................. 19 3.1 顶板离层的形式 ........................................................................................... 19 3.2 离层形成的力学机理 ................................................................................... 24 3.3 离层位置的确定 ........................................................................................... 28 3.4 基于普氏理论的浅埋巷道稳定性分析 ....................................................... 32 3.5 小结 ................................................................................................................. 36 4 隆德煤矿顶板离层规律及临界值的确定隆德煤矿顶板离层规律及临界值的确定 ...................................... 37 4.1 顶板离层影响因素及其分析 ....................................................................... 37 4.2 顶板离层临界值确定 ................................................................................... 56 4.3 小结 ............................................................................................................... 60 5 回采巷道矿压显现规律及支护效果实测分析回采巷道矿压显现规律及支护效果实测分析 .............................. 62 5.1 回采巷道矿压监测内容及方案 ................................................................... 62 5.2 顶板离层观测结果统计 ............................................................................... 65 5.3 巷道变形观测结果统计 ............................................................................... 70 5.4 锚杆受力特征分析 ....................................................................................... 75 5.5 小结 ............................................................................................................... 77 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 6 巷道支护参数优化巷道支护参数优化 ........................................................................... 79 6.1 区段煤柱合理宽度计算 ............................................................................... 79 6.2 合理锚杆支护参数计算 ............................................................................... 81 6.3 数值模拟不同巷道支护参数 ....................................................................... 82 6.4 离层模拟验算 ............................................................................................... 86 6.5 小结 ............................................................................................................... 87 7 主要结论与展望主要结论与展望 ............................................................................... 88 7.1 主要结论 ....................................................................................................... 88 7.2 展望 ............................................................................................................... 89 参考文献参考文献 ................................................................................................. 90 攻读硕士期间的主要研究成果攻读硕士期间的主要研究成果 ............................................................ 95 致谢致谢 ......................................................................................................... 96 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents VI Contents 1 Introuction .......................................................................................................... VI 1.1 The raise and research significance of issue ........................................................... 1 1.2 Research status at home and abroad ......................................................................... 1 1.3 Mine research contents and s ........................................................................ 4 2 Basic survey of 201 working face and mining roadway ................................... 6 2.1 The position of the working face .................................................................... 6 2.2 Geological conditions of coal seam ................................................................ 6 2.3 Roadway layout of201 mining face ................................................................ 6 2.4 Physical mechanics experiment of the surrounding rock ............................. 28 2.5 Chapter summary .......................................................................................... 17 3 Roof separation mechanism and stability analysis of large section coal roadway .................................................................................................... 19 3.1 The of the roof separation layer ........................................................... 19 3.2 The mechanical mechanism of the ation of the separation layer .......... 19 3.3 Determination of the location of the separation layer ................................... 28 3.4 Stability analysis of shallow buried large section coal roadway based on przewalskii theory .................................................................................................. 32 3.5 Chapter summary .......................................................................................... 36 4 Determination of roof separation law and critical value in Longde coal mine ................................................................................................................................... 37 4.1 Influence factors of roof separation .............................................................. 37 4.2 Determination of the critical value of roof separation .................................. 55 4.3 Chapter summary .......................................................................................... 60 5 Measurement and analysis of mine pressure behavior and supporting effect in mining gateway .................................................................................................... 62 5.1 Content and scheme of mine pressure monitoring in mining roadway ........ 62 5.2 Statistics of the observation results of roof separation ................................. 65 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents VII 5.3 Statistics of deation observation of roadway ........................................ 70 5.4 Analysis of stress characteristics of bolt ....................................................... 75 5.5 Chapter summary .......................................................................................... 77 6 Optimization of roadway support parameters ................................................ 79 6.1 Calculation of reasonable width of coal pillar in section .............................. 79 6.2 Calculation of reasonable bolt support parameters ....................................... 81 6.3 Numerical simulation of support parameters in different laneways ............. 82 6.4 Checking calculation by simulation of separation ........................................ 86 6.5 Chapter summary .......................................................................................... 86 7 Main conclusions and Prospects ....................................................................... 89 7.1 Main conclusions .......................................................................................... 89 7.2 Prospects ....................................................................................................... 89 Reference .................................................................................................................. 90 The main research results during the period of masters study .......................... 95 Thanks ....................................................................................................................... 96 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 目前，煤矿内巷道尤其是回采巷道的主要支护方式就是锚杆，在这种情况 下顶板离层就成为影响巷道稳定性的重要因素。尤其是离层出现在锚固段以外 时，没有锚杆的组合加固作用，梁厚度小，跨度大，不能抑制梁的下沉，则容 易发生垮落事故。因此，研究使用锚固方式支护的巷道顶板离层规律并且得到 顶板离层临界值对于巷道支护工作以及煤矿的正常生产至关重要。 顶板离层是矿山压力及地下水等作用下出现的必然现象，可以利用其实际 值和临界值相比，确定顶板的状态。若实际值较大，则需要加强支护；反之， 则可以正常生产，甚至减小支护参数。但是，离层临界值的选取至关重要，确 定合理的顶板离层临界值去判定巷道支护效果。一旦该值过大，则可能因没有 及时支护而导致冒顶等问题出现；而该值过小又会导致频繁加强支护，浪费资 源。 因此必须选取合理的顶板离层临界值， 以对现场生产工作进行正确的指导。 隆德煤矿为实现201