三河口煤矿采空区下回采巷道支护技术研究.pdf

万方数据 论文题目论文题目 三河口煤矿采空区下回采巷道支护技术研三河口煤矿采空区下回采巷道支护技术研 究究 作者姓名作者姓名 汤佳佳汤佳佳 入学时间入学时间 2015 年年 9 月月 专业名称专业名称 矿业工程矿业工程 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 文志杰文志杰 职职 称称 副教授副教授 赵鹏赵鹏 中级工程师中级工程师 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 26 日日 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY ON ROADWAY SYPPORTING UNDER GOAF TECHNOLOGY OF SANHEKOU COAL MINE A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERNING from Shandong University of Science and Technology by TANG JIAJIA Supervisor Associate Professor WEN ZHIJIE Vice Supervisor Intermediate Engineer ZHAO PENG College of Natural Resources and Environmental Engineering May 2018 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 论文为山东济宁微山县三河口煤矿 3下2315 回采巷道支护项目，研究过程中采用理 论分析、 数值模拟和工程实践等多种研究方法相互论证， 针对近距离煤层群上分层已采， 下分层回采巷道走向方向与上采空区非平行，研究回采巷道与上采空区产生内错及外错 位置关系的支护问题，通过分析下分层 3下2315 工作面回采巷道应力场分布，优化支护 方案。 通过分析研究 3上2315 工作面上部覆岩空间形成过程演化力学特征，研究采空区稳 定后在下部岩层中所产生的应力场的形成过程及影响范围，明确了采空区稳定后在下部 岩层中形成压力卸载区域以及应力集中区域的内外应力场分布。 采用 FLAC 3D 研究位于 应力场不同区域中的回采巷道变形失稳数值模拟以及分析，分析结果认为处于不同应力 场区域的上下两回采巷道不同区段矿压显现区分显著，通过实施不同强度和方式的支护 控制手段能有效做到巷道精准支护，保障巷道掘进完成后工作面推进的使用安全；本文 详细介绍了在采空区下方进行巷道掘进时，不同区段巷道受应力场影响破坏情况，通过 对比分析提出不同的支护强度和支护手段，满足回采巷道不同区段的支护要求。锚杆锚 索支护配比、施工工艺和质量要求等三个方面对回采巷道不同区段支护分析研究，同时 结合煤矿现场观测和软件数值模拟结果，认为确保回采巷道内错外错情况下的关键在于 对不同区段的巷道受力破坏程度进行精确分析，从而进行支护强度及手段上的调整，验 证了巷道精准支护思想在复杂地质条件下所取得的成效。 关键词关键词错位巷道，模拟分析，井下监测，方案优化 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Abstract II Abstract The paper is supported by the 2315 mining roadway in No. 3 of Sanhekou Coal Mine in Weishan, Jining, Shandong Province, by the ways of analysis of the theory, numerical simulation and engineering practice s. Focus on the coal seam group at a close situation, Non-parallel mining roadways and upper goafs in the strike direction of the lower strata, Study on supporting problems in relation to internal and external staggered position in mining roadway and goaf, By analyzing the distribution of the stress upper the mining roadway in the 2315 working face under the lower 3rd stratum, to optimiz the supporting scheme . By analyzing and studying the evolution mechanical characteristics of the overlying strata space ation process on the upper 2315 working face, The ation process and the scope of the stress field generated in the lower rock proposed. The distribution of internal and external stress in the pressure unloading zone and stress concentration zone ed the lower rock stratum after the stabilization of the goaf is clarified .The numerical simulation software FLAC3D is used to reserach different regions along the groove of the stress analysis in different ways of supporting strength and the bolts can effectively achieve the precision of roadway supporting, to ensure the safety of gateway to use. The article introduces that stress under gob roadway , meet the section of the gateway support requirements. From ratio of bolts, anchor cable construction technology and quality requirement in the three aspects, such as the different extents of transportation tunnel supporting analysis and research, combined with observation and numerical simulation software of coal mine at the same time as a result, ensure suitable slot outside wrong cases lies in the different sections, to support the adjustment on the strength and means, to verify the precision of roadway supporting ideas the results obtained under complex geological conditions. KeywordsGateway in staggered situation, Simulation and analysis, Monitoring of roadway, Optimized support schame 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 III 目目 录录 摘摘 要要 I 目目 录录 III 1 绪绪 论论 1 1.1 研究背景及意义 ................................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................................ 2 1.3 主要研究内容 .................................................................................................................... 7 1.4 技术路线 ............................................................................................................................ 7 2 3上 上2315 采空区覆岩运动特征及应力分布特征采空区覆岩运动特征及应力分布特征 9 2.1 工程地质特征 .................................................................................................................... 9 2.2 采空区上覆岩层破坏特征 .............................................................................................. 11 2.3 采空区上部顶板力学模型 .............................................................................................. 13 2.4 采动应力分布特征 .......................................................................................................... 18 2.5 本章小结 .......................................................................................................................... 23 3 3下 下2315 工作面回采巷道数值模拟研究工作面回采巷道数值模拟研究 24 3.1 FLAC3D 数值分析软件简介 .......................................................................................... 24 3.2 工作面回采巷道数值模拟模型 ...................................................................................... 24 3.3 采空区 3下2315 工作面上部采空区应力场分布模拟 .................................................. 25 3.4 本章小结 .......................................................................................................................... 33 4 采空区下采空区下 3下 下2315 巷道支护工程实践巷道支护工程实践 34 4.1 3下2315 工作面回采巷道支护方案确定 ....................................................................... 34 4.2 3下2315 工作面回采巷道支护数值模拟 ....................................................................... 45 4.2 回采巷道不同区段初次支护参数的确定 ...................................................................... 49 4.3 回采巷道不同区段二次加强支护参数的确定 .............................................................. 58 4.4 锚固巷道变形特征实测研究 .......................................................................................... 59 4.5 本章小结 .......................................................................................................................... 68 5 结论及展望结论及展望 70 5.1 主要结论 .......................................................................................................................... 70 5.2 论文展望 .......................................................................................................................... 71 参考文献参考文献 72 致致 谢谢 76 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV CONENTS Abstract ...................................................................................................................................... I Contents ................................................................................................................................... III 1 Introduction ......................................................................................................................... 1 1.1 Research Background and Significance ........................................................................................... 1 1.2 Present Status Both Here and Abroad............................................................................................... 2 1.3 Research Main Contents ................................................................................................................... 7 1.4 Innovation of The Issue .................................................................................................................... 7 2 Moving and Stress Distribution Characteristics of Goaf Roof in No.2315 Working Face of The Upper 3rd Mine Seam ........................................................................................ 9 2.1 Engineering Geological Characteristics ........................................................................................... 9 2.2 Characteristics of The Distructive Goaf Roof ................................................................................. 11 2.3 Mechanical Model of Goaf Roof .................................................................................................... 13 2.4 Characteristics of The Mining Stress Distribution ......................................................................... 18 2.5 Conclusions .................................................................................................................................... 23 3 Study on Numerical Simulation of Mining Roadway in No.2315 Working Face of The Lower 3rd Mine Seam ........................................................................................................... 24 3.1 Introduction of FLAC3D A Numerical Analysis Software............................................................. 24 3.2 Numerical Simulation Model of Roadway in Working Face.......................................................... 24 3.3 Simulation of The Distribution of Stress in Gaof Roof of Working Face No.2315 Working face 25 3.4 Conclusions .................................................................................................................................... 33 4 Engineering Practice of No.2315 Working Face of The Lower 3rd Mine Seam .......... 34 4.1 Determination of Support Scheme for Roadway Working face of The Lower 3rd Mine Seam ..... 34 4.2 Numerical Simulation of Mining roadway Support in Roadway of No.2315 Workface of The Lower 3rd Mine Seam ............................................................................................................................. 45 4.3 Determination of Primary Support Parameters in Different Sections of Roadways....................... 49 4.4 Determination of Secondary Reinforced Support Parameters In Different Sections of Roadways 57 4.4 Study on Deation Characteristics of Anchoraged Tunnel ....................................................... 58 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 4.4 Conclusions .................................................................................................................................... 67 5 Main Conclusions and Expectation ................................................................................. 69 5.1 Main Conclusions ........................................................................................................................... 69 5.2 Expectation ..................................................................................................................................... 70 References ................................................................................................................................ 72 Ackonwledgements .................................................................................................................. 76 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪绪 论论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 作为煤炭资源极为丰富但石油天然气储量贫瘠的国家，我国的煤炭资源分布大体为 东部较而少西部资源丰富，南方匮乏北方丰厚。煤炭赋存主要集中在山西、内蒙古、陕 西等地，其中山东省内煤炭产量日益减少，并且新勘探煤田较少，肥厚煤层被优先采完， 这就造成工作面布置条件及其复杂，在工作面布置及巷道支护等方面造成较大困难。根 据 2011 年最新煤炭资源统计，储量约占全国煤炭总储量的 84.7，俨然成为我国能源结 构中的核心区域，煤炭在我国能源结构中的地位在未来很长一段时间将不会发生改变 [1-7]。 我国大量煤炭埋深在于 500m 及以下地层，估计达到近 2.95 万亿 t，在煤炭资源总 量中比重约 57。随着近几十年来开发利用，煤炭储量急剧减少，煤炭资源的高效开发 利用已成为煤炭行业面临的重要课题，同时也是世界上众多的产煤国家亟待攻克的头等 课题，因此，如何合理高效开发当前煤炭资源已成为我国煤炭科技工作者的重要课题。 在当前保障我国国民经济健康稳定发展的大环境下，在今后相当长的时间内，我们将重 点针对现有煤矿的高效科学开发 [14-17]。 采空区下工作面回采巷道的支护问题，一直是世界煤炭及岩石力学工作者所面临的 一重要课题，国内外研究对于该工程问题都给予了相应的关注。世界范围内众多科研学 者研究表明，巷道的支护技术是煤矿安全高效生产的关键[18-19]。采空区下开采巷道处于 更复杂应力作用下，其中包括卸压区及应力集中区以及位于二者之间的过渡区域，传统 单一普通支护模式已远无法确保巷道的安全稳定，尤其以工作面两回采巷道受影响最为 严重，对矿井的安全生产造成重大隐患，矿压显现强烈[20-21]，从而加大了巷道二次支护 的难度和支护成本，造成矿井经济效益下降和工作面接续困难。以三河口煤矿为例，过 去曾在工作面回采巷道初次支护后受矿压影响较大变形破坏严重， 导致工作面推进停滞， 严重影响了本矿的年度生产计划，并对后续工作面的接续造成较大影响。 伴随着煤矿生产的进行工作面推进开采，其后方采空区逐步扩大经历直接顶下弯破 裂垮落、破碎并且上部基本定开始弯曲破裂下沉，在此过程中基本顶弯曲并且逐步压实 堆积在采空区的大量矸石，根据岩梁传递理论载荷传递到两侧从而形成内外两应力场即 “内应力场”和“外应力场”[22]，在采空区下部将形成应力集中区和卸压区。工作面回采巷 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 道若在应力集中区位置，巷道变形破坏严重，支护困难。而回采巷道位于卸压区范围内 时，巷道将受较小矿压影响。巷道开挖后，巷道围岩变形破坏，巷道周围岩体逐步经历 完全破坏区、裂隙发育区、弹塑性变形区和原岩应力区四个发育过程并趋于稳定[23-25]。 其中，围岩中完全破坏区内围岩破碎成块状，碎胀变形明显，基本无法形成承载结构， 对周围岩体无法起到支护承载的能力，而裂隙发育区内岩体强度虽然降低，但其自身仍 具有一定完整性，即能自承并支承围岩[26-27]。而这两个区共同构成巷道围岩破碎区，破 碎区对于巷道围岩稳定性和支护的难易程度具有决定性作用，而在采空区下应力场中进 行巷道掘进时，将造成上部近距离采空区的二次扰动，从而导致围岩应力的重新分布， 对巷道的破碎区范围造成影响，最终将直接影响巷道的变形破坏程度及其支护难易程度 [28-29]。但是，如果能够大致掌握上部采空区所形成应力场的影响范围及其应力大小，就 能提前进行相应巷道的支护措施设计，从而做到提前预警，提前治理，控制巷道变形破 坏，以达到控制破碎区范围和巷道治理的目的。而工作面距上部采空区间距较大和构造 应力区影响并不明显，因此，传统的统一支护形式能完全满足巷道要求，进而掩盖了该 问题的重要性，但当其层间距较小时，一般为 815m 或顶板岩层较为软弱时，由此造成 的矿压问题极为明显，巷道破坏难以防控以及二次支护时高昂的费用。因此，亟需国内 外煤炭科技工作者提高该类工程问题的科研关注，并进行相关理论和现场应用手段的研 究，从而提高巷道支护的效果。 本文针对近距离煤层群上分层开采后，下分层回采巷道支护难题，三河口煤矿 3 下 2315 工作面为工程实践现场，通过理论分析、数值模拟等研究方法，研究采空区下方近 距离煤层推采时，下部工作面与上部采空区非平行关系导致的回采巷道与上采空区产生 内错及外错位置关系支护问题，为该类回采巷道支护提供理论依据及相应技术支撑，对 我国煤矿安全高效生产具有一定指导意义与应用价值。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 巷道锚杆支护国内研究现状巷道锚杆支护国内研究现状 一般情况下，当工作面推采完成时，煤层上部岩层经历直接顶的弯曲断裂破碎形成 矸石， 而基本顶则弯曲下沉逐渐压实采空区等一系列的岩层运动。 工作面采掘条件复杂， 采动空间围岩变形破坏量明显变大，导致井下各种支护设备受破坏严重，锚杆索断裂脱 锚等。 加之当前浅部煤炭资源日渐枯竭， 造成现存煤炭赋存条件及地质条件都更为复杂， 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 为此，世界各采煤国对于复杂条件下煤炭开采工作都做了相当的研究，积累了一定的研 究成果和施工经验。 1.2.1.1 巷道锚固支护发展历程 上个世纪中期锚护技术开始应用于我国岩石巷道， 在这几十年的发展中逐步在煤矿、 隧道、桥梁、大坝等方面取得巨大进步，目前我国锚护科研、生产及应用已跃居世界各 国前列，发展过程大致分为三个阶段[30-31]。 第一阶段上世纪五十年代初至九十年代末间，是我国锚固技术发展的初期阶段。 这一阶段限于理论、材料、等的不够完善，锚护技术发展进程缓慢，国有重点煤矿的锚 护支护率只有不到 5％。机械锚固锚杆和钢丝绳砂浆锚杆占主导地位但较为简陋，在 70 年代我国着手研究新型锚杆和材料及技术成本更为低廉的快硬水泥锚杆。国外研制高强 度树脂锚固锚杆在工程实践中取得较好应用效果，我国开始引进国外新型锚杆并且结合 自身具体实际进行相关研究和技术的二次开发并且进行完善[32]。 第二阶段九十年代至二十一世纪初，为保证煤矿安全高效生产国家在锚杆支护的 研发投入了巨大的人力物力进行相关课题攻关并成效明显， 直到 1995 年在我国的几处示 范矿井的试验巷道中的锚护率已经提升到 31并且巷道支护效果显著，在此之后以锚杆 为基础的各种支护新技术配合传统的支护方式在各种井下工程支护中被大量应用并发展 迅速[33-34]。 第三阶段在二十一世纪初至今的十几年间，锚护技术我国煤矿以及各种岩土工程 中受到广泛应用已成为其保障工程安全的基本应用技术，其间我国在锚杆结构、功能和 技术创新上取得重大突破，以何满潮为代表的高预应力大变形锚杆和以康红普为代表的 高强预应力锚杆相取得巨