张家峁煤矿5-2煤层综采面胶运顺槽锚杆支护技术研究.pdf

论文题目张家峁煤矿 5-2煤层综采面胶运顺槽锚杆支护技术研究 工程领域矿业工程 硕 士 生杨霞（签名） 指导教师李龙清 （校内）（签名） 指导教师贾齐林 （校外）（签名） 摘要 随着煤矿开采技术的进步，巷道支护理论、技术取得了长足的发展，锚杆支护已成 为目前煤巷支护的主要方式，特别是陕北侏罗纪煤田煤层赋存、开采条件优越，煤巷大 断面巷道锚杆支护得到了广泛的应用。随着掘进、回采过程中巷道位移、片帮等矿压显 现不明显，回采时工作面上、下“三角区”悬顶面积大等现象，综合分析认为巷道支护 强度、密度过大，有必要进行优化。因此本文以神木县张家峁矿井 5-2煤层胶运顺槽大 断面煤巷锚杆支护工程为依托，采用理论分析、FLAC3D数值计算和现场实践相结合的 方法开展研究工作。 完成了张家峁矿井 5-2煤层的煤、岩物理力学特性室内试验，得到煤、岩的物理力 学参数，为理论计算、数值模拟提供依据。 通过对 15206 胶运顺槽开展位移变化、顶板离层、围岩及锚杆受力监测，得出了 15206 胶运顺槽在距工作面 20m 时，受超前支承压力影响巷道两帮、顶板位移量及变形 速率急剧增大，顶板的变形量明显大于两帮变形量，在回采期间锚杆最大受力均符合设 计要求。 根据 15206 胶运顺槽原有支护方案监测分析，得出支护有富裕系数，从支护材料的 长度、直径、材质、间排距等方面提出 5 种支护优化方案，通过理论计算、数值模拟及 经济效益分析评价，确定 15207 胶运顺槽支护方案。 按照确定方案，于 15207 胶运顺槽从 2016 年 4 月掘进至 2017 年 5 月回采过程中， 进行锚杆受力、围岩变形监测及矿压显现方面观测，实践证明确定的方案合理、可行。 关 键 词浅埋煤层；锚杆支护；围岩监测；数值计算；支护优化 研究类型应用基础 万方数据 万方数据 万方数据 Subject Technological Research on bolting for belt conveying crossheading on fully mechanized coal face of 5-2coal in Zhang Jiamao coal mine Specialty Mining Engineering NameYang Xia（（Signature）） InstructorLiLong-qing（（Signature）） InstructorJiaQi-lin（（Signature）） ABSTRACT With the progress of technology of coal mining, roadway support theory and technology has achieved great development, bolting has become the main way of coal roadway, especially in Northern Shaanxi Jurassic, coalfield coal seam is large, mining conditions are good. So the coal roadway anchor of large section roadway support has been widely used. With the excavation, as for the tunnel displacement in the process of mining and spalling rock pressure are not obvious. On the mining working face, under the “triangle“ area of hanging roof and other phenomena, comprehensive analysis of roadway support strength, density is too large. it is necessary to conduct the optimization. Therefore, the research is in Zhang Jiamao 5-2 of Shen Mu coal mine, using large section roadway anchor slot of glue supporting engineering. Based on the theory analysis, FLAC3D of numerical calculation and field practice, the paper carries out research work. Rock physical and mechanical properties of coal, laboratory tests, physical and mechanical parameters of rock have been finished The coal seam 5-2of Zhang Jiamao coal mine , providing the basis for the theory calculation and numerical simulation. It is conducted that the roof displacement for two and the rate of deation increase rapidly by the influence of roadway the deation in the distance from the working face 20m in 15206 glue transport trough. And the roof separation, surrounding rock and anchor stress monitoring obtained by abutment pressure is significantly greater than two for deation. Anchor in the stoping period of maximum stress comply with the design requirements. According to the analysis of the original 15206 glue groove supporting scheme of monitoring, the paper obtains that the supporting has a rich coefficient and it put forward 5 万方数据 kinds of optimization scheme from supporting material length, diameter, material, supporting spacing. The 15207 rubber transport cross heading support plan has been worked out through theoretical calculation, numerical simulation and analysis and uation of economic benefit. Practice has proved that the determined scheme is reasonable and feasible by bolting force, deation monitoring of surrounding rock and strata behaviors observation in the process of mining excavation during 15207 glue trough transport from April 2016 to May 2017 in accordance with the scheme. Key wordsShallow buried coal seam；Bolt support； Monitoring of surrounding rock； Numerical calculation； Optimized support ThesisApplication Research 万方数据 目录 I 目录目录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 选题背景和研究意义...................................................................................................1 1.1.1 选题背景..............................................................................................................1 1.1.2 研究意义..............................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...........................................................................................................2 1.2.1 浅埋煤层开采国内外研究现状.........................................................................2 1.2.2 浅埋煤层回采巷道顶板稳定性评价与分类研究现状.....................................3 1.2.3 煤巷支护理论研究现状.....................................................................................4 1.2.4 煤巷支护技术研究现状.....................................................................................5 1.3 本论文拟采用的研究内容、研究方案及技术路线...................................................8 1.3.1 研究内容.............................................................................................................8 1.3.2 研究方案.............................................................................................................8 1.3.3 技术路线.............................................................................................................9 2 张家峁煤矿 5-2 煤层岩体物理力学参数测定...................................................................10 2.1 试验概述.....................................................................................................................10 2.1.1 试验目的............................................................................................................10 2.1.2 试验项目............................................................................................................10 2.1.3 取样地点及试样制备.......................................................................................10 2.2 岩石物理试验.............................................................................................................11 2.2.1 岩石自然密度试验...........................................................................................11 2.2.2 自然吸水率.......................................................................................................12 2.3 岩石力学试验.............................................................................................................13 2.3.1 岩石单轴抗拉试验...........................................................................................13 2.3.2 岩石单轴压缩试验...........................................................................................14 2.3.3 岩石抗剪试验...................................................................................................16 2.3.4 点荷载强度指数测定.......................................................................................19 2.4 小结.............................................................................................................................21 3 15206 胶运顺槽围岩监测与结果分析.................................................................................22 3.1 15206 胶运顺槽原有支护方案...................................................................................22 3.2 巷道监测项目及原则.................................................................................................24 3.2.1 监测项目............................................................................................................24 万方数据 目录 II 3.2.2 监测原则............................................................................................................24 3.3 15206 胶运顺槽锚杆支护监测方案...........................................................................25 3.3.1 巷道表面收敛量监测.......................................................................................25 3.3.2 顶板离层监测...................................................................................................26 3.3.3 围岩松动圈的测量...........................................................................................26 3.3.4 锚杆锚固力检测...............................................................................................27 3.3.5 锚杆受力监测...................................................................................................27 3.4 15206 胶运顺槽锚杆支护监测结果分析...................................................................28 3.4.1 巷道收敛量监测结果分析...............................................................................28 3.4.2 顶板离层监测结果分析...................................................................................29 3.4.3 围岩松动圈的测量结果分析...........................................................................30 3.4.4 锚杆锚固力检测结果分析...............................................................................37 3.4.5 锚杆受力监测结果分析...................................................................................37 3.5 煤巷变形规律分析.....................................................................................................38 3.6 小结.............................................................................................................................38 4 15207 胶运顺槽锚杆支护方案设计与数值分析.................................................................40 4.1 锚杆支护理论与巷道失稳破坏力学机理.................................................................40 4.1.1 巷道失稳破坏力学机理...................................................................................40 4.1.2 悬吊理论...........................................................................................................40 4.1.3 围岩松动圈理论...............................................................................................42 4.2 张家峁煤矿 5-2煤层锚杆支护理论计算...................................................................45 4.3 支护优化方案设计.....................................................................................................47 4.3.1 改变锚杆材质，帮锚长度...............................................................................47 4.3.2 改变锚杆间距，帮锚长度...............................................................................48 4.3.3 改变顶锚材质，帮锚间距及长度...................................................................49 4.3.4 改变顶锚间距，帮锚材质及长度...................................................................50 4.3.5 改变顶锚长度、间距，帮锚材质、间距及长度...........................................51 4.4 FLAC3D模型建立....................................................................................................... 52 4.4.1 本构模型...........................................................................................................52 4.4.2 边界条件...........................................................................................................54 4.4.3 力学参数确定...................................................................................................54 4.4.4 模型建立...........................................................................................................55 4.5 数值计算结果分析.....................................................................................................55 4.5.1 围岩位移分析...................................................................................................55 万方数据 目录 III 4.5.2 巷道顶部沉降和两帮收敛...............................................................................56 4.5.3 塑性区大小.......................................................................................................57 4.6 支护方案确定.............................................................................................................58 4.7 本章小结.....................................................................................................................60 5 15207 胶运顺槽锚杆支护工程实践.....................................................................................61 5.1 15207 胶运顺槽支护设计...........................................................................................61 5.1.1 工程地质条件...................................................................................................61 5.1.2 15207 综采面巷道布置设计.............................................................................62 5.2 15207 胶运顺槽监测方案设计...................................................................................64 5.3 15207 综采面胶运顺槽监测结果分析.......................................................................65 5.3.1 锚杆受力监测结果分析...................................................................................66 5.3.2 巷道变形监测结果分析...................................................................................67 5.3.3 顶板离层监测结果分析...................................................................................69 5.3.4 巷道稳定性分析...............................................................................................70 5.4 本章小结.....................................................................................................................71 6 结论.......................................................................................................................................72 致谢...........................................................................................................................................73 参考文献...................................................................................................................................74 附录...........................................................................................................................................79 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景和研究意义 1.1.1 选题背景 我国西北部广泛分布着埋深在250m以内的浅埋煤田， 主要有陕西和内蒙交界处的神 府东胜大煤田、宁夏的灵武煤田等。其中位于毛乌素沙漠边沿的神府东胜煤田面积3214 平方公里，探明储量2236亿吨，约占全国探明储量的三分之一，是目前我国探明储量最 大的煤田，被并列称为世界七大煤田之一，和德国的鲁尔煤田、美国的阿巴拉契亚煤田 等煤田齐名，是世界上极其少见的优质大煤田，也是我国重要的煤炭开采基地。 然而，随着科学的进步、时代的发展及其一直进行的理论研究和开采实践，井巷工 程围岩控制理论和技术取得了迅速的发展，使得支护形式发生了很大变化。改变了原来 被动支护的理念， 采取支护主动， 同时巷道支护形式也由一直采取的棚式支护转向锚杆、 锚索支护。在国内外地下工程支护领域中，锚杆锚索支护受到广泛的应用。锚杆支护是 目前井巷工程中一种新型先进的支护方式， 国内有关科研院所联合开展锚杆支护技术研 究，很多技术方面的难题取得了突破性的进展。统计表明，21世纪以来我国煤矿施工的 半煤岩巷和煤巷中锚杆支护使用率分别提高为54.5和41.1。 近年来，通过与周边矿井和神东矿区相似地质条件的有关单位进行调研和交流，认 为张家峁煤矿综采面胶运顺槽在锚杆材质、参数等方面具有一定的富裕，在面对当前煤 炭市场持续低迷，成本居高不下，造成企业利润空间大大缩小，为了减小企业的生产成 本，在保证安全生产的前提下有必要对张家峁煤矿综采面胶运顺槽支护参数进行分析、 研究。本论文根据周边相似条件矿井5-2煤层胶运顺槽支护情况，并结合张家峁煤矿5-2 煤层综采面胶运顺槽支护现状，提出优化方案，并通过理论计算、数值模拟以及现场试 验，最终得出张家峁煤矿15207综采面胶运顺槽合理的支护参数。 1.1.2 研究意义 建设安全、高效矿井的一项重要工作就是在确保巷道安全的同时进行快速掘进，在 减少巷道支护费用的基础上，保证巷道使用过程中的稳定性和安全性。所以，发展现代 化矿井的重要工作之一就是发展巷道支护技术与理论。 我国煤矿巷道地质和生产条件千 差万别，要形成统一的设计规范较为困难，而针对具体矿井地质条件，开展巷道支护参 数优化研究也十分必要。本文以张家峁煤矿5-2煤层综采面煤层地质赋存为背景，结合国 家及行业标准、规范、规定，系统分析5-2煤层综采面胶运顺槽现有支护情况，给出张家 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 峁煤矿15207综采面胶运顺槽支护参数。在确保安全施工和使用，又符合当前煤炭市场 形势下成本管控要求，最大程度地降低巷道支护费用，避免材料浪费，并提高单进[6,7]。 1.2 国内外研究现状 锚杆、锚索是采矿工程支护领域的一个十分重要的支护技术分支，锚杆、锚索支护 技术在采矿工程中广泛应用，是因为它能很好的提高和增加围岩的稳定性和自身强度， 同时在减小支护结构体积的同时减轻支护结构自身的重量，大大节约工程材料和费用， 可提高施工安全， 对于解决采矿复杂地下工程和提高采矿地下工程稳定性等问题是最有 效、最经济的方法之一。锚杆、锚索支护技术已经在我国公路隧道、地下工程、高陡边 坡、深基坑、煤矿矿井、水库、机场、抗倾、坝体、航道、抗浮结构等一系列建设工程 中应用十分普遍。目前，我国对煤矿井巷工程的支护和加固技术方面有了很大的突破， 特别是应用锚杆、锚索支护取得了很大进步，这两种支护方式在巷道围岩强度提高和岩 体稳定性方面获得广泛应用[8]。 1.2.1 浅埋煤层开采国内外研究现状 （1）国外浅埋煤层开采研究现状 在国外， 科研工作者对浅埋深薄基岩厚表土层条件下煤层采矿过程中工作面矿压显 现规律进行了大量而全面的观测，获得了宝贵的现场资料。秦巴列维奇对莫斯科近郊的 浅埋煤层工作面开采中上覆岩层移动变形规律进行观测[9]，提出了倒台阶下沉学说，他 假设煤层上覆岩层为均匀的介质， 故在浅埋煤层开采的过程中， 岩层沿着煤壁向斜上方， 最后不断垮落延伸到地面。 Buizem.M 和 Holla.L 在 1990 年对浅埋深薄基岩煤层长壁工作面现场推进过程中上 覆岩层移动变形规律进行了观测[10]，发现覆岩垮落高度大约是采高的 9 倍。 印度江斯拉矿 R-VII 浅理深煤层在综采面推进过程中观测发现[11-13]，浅埋深薄基 岩厚表土层煤层采取综采设备采煤和普通机械化采煤不同， 浅埋深薄基岩煤层中开采回 采面上覆岩层的裂隙带和垮落带会形成交叉现象， 裂隙带发育高度要比普通机械化综采 面大，具有周期来压步距较小，裂隙发育程度较高，裂隙分布密集等特点[14]。 美国和英国为了对浅埋深煤层开采条件下地表沉陷进行控制，广泛应用房柱式开 采，他们研究人员在工程地质评价、开采前及开采后的地表探测和地表岩层移动等方面 进行了大量研究。