霄云煤矿复合顶板顺槽围岩控制技术研究.pdf

分类号TD353密级公开 U D C 单位代码10424 学 位 论 文学 位 论 文 霄云煤矿复合顶板顺槽 围岩控制技术研究 霄云煤矿复合顶板顺槽 围岩控制技术研究 曹斌曹斌 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业名称专业名称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名秦忠诚秦忠诚职称职称教授教授 副指导教师姓名副指导教师姓名张学生张学生职称职称研究员研究员 山 东 科 技 大 学山 东 科 技 大 学 二〇一八年五月二〇一八年五月 万方数据 论文题目论文题目 霄云煤矿霄云煤矿复合顶板复合顶板顺槽围岩控制技术顺槽围岩控制技术研究研究 作者姓名作者姓名曹斌曹斌入学时间入学时间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 指导教师指导教师秦忠诚秦忠诚职职称称教教授授 副副指导教师指导教师张学生张学生职职称称研究员研究员 论文提交日期论文提交日期 2018 年年 4 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 2018 年年 6 月月 万方数据 Study On Control Technology Of Surrounding Rock Along Groove Of Composite Roof In Xiaoyun Coal Mine ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Cao Bin Supervisor Professor Qin Zhongcheng Vice SupervisorEngineering Researcher Zhang Xuesheng College of Mining Safety and Engineering May 2018 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 煤矿复合顶板俗称二合顶，复合顶板是典型的离层性顶板，通常由不同的岩 层组成，力学性质较差，容易发生下沉位移、断裂垮落，近些年来煤矿生产发生 的冒顶事故，绝大多数是由于复合顶板的原因引起。 本文应用力学理论分析，对复合顶板巷道的围岩稳定影响因素，顶板破坏形 式和围岩稳定性控制技术、围岩强化方法及技术进行研究，研究锚杆锚索的力学 作用机理，锚杆锚索的支护作用，力学参数的选择，以及锚杆锚索的支护原则； 通过数值模拟软件对复合顶板条件下的不同的锚杆锚索支护参数进行对比分析 得出复合顶板不同的锚杆锚索支护形式的支护效果。通过现场工程实践，观测试 验前后的巷道围岩变形量和变形速度， 以及计算不同支护方式的每米巷道支护费 用，综合选择适合工作面复合顶板顺槽围岩支护的设计方案。 本文结合地质特征、 矿山压力以及复合顶板支护技术对复合顶板冒顶事故的 原因进行分析， 并提出符合现场安全生产需要的安全合理经济的复合顶板支护形 式，并通过现场工程实践进行验证，取得很好的支护效果，为相似条件下，煤矿 复合顶板支护方案提供借鉴作用。 关键词关键词复合顶板；围岩稳定性；围岩控制；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 II Abstract The compound roof of coal mine is commonly called two combined roof, and the composite roof is a typical separation roof. It is usually composed of different rock strata, which has poor mechanical properties and easy to occur subsidence displacement and break down. In recent years, most of the roof accidents occurred in the coal mine production, most of which are caused by the cause of the composite roof. In this paper, the mechanics theory analysis is applied to study the influence factors of the stability of the surrounding rock in the roadway of the composite roof, the of roof failure and the stability control technology of the surrounding rock, the strengthening and technology of the surrounding rock, the mechanism of the mechanical action of the anchor cable, the supporting function of the anchor cable, the selection of the mechanical parameters, and the support of the anchor cable. By the numerical simulation software, the parameters of the different anchor cable support parameters under the condition of the composite roof are compared and analyzed to get the reasonable support parameters of the composite roof. Through the field engineering practice, the deation and deation speed of the surrounding rock in the tunnel before and after the test are observed, and the support costs for each meter of the roadway are calculated with different supporting s, and the design scheme suitable for the supporting of the surrounding rock of the working face composite roof is selected. In this paper, the reasons of the roof fall accident of composite roof are analyzed in combination with the geological features, mine pressure and composite roof support technology, and the compound roof support is put forward, which is safe and reasonable and economical for the compound site safety production, and is verified through the field engineering practice, and the good support effect is obtained and the similar conditions are obtained. The supporting scheme for composite roof of coal mine can be used for reference. 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 III Keywordscomposite roof；Surrounding rock stability；surrounding rock control； numerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 IV 目目录录 摘摘要要..................................................................................................I 目目录录...............................................................................................IV 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主要研究内容及方法..................................................................................10 2工程概况工程概况..................................................................................... 12 2.1矿井概况及工作面位置..............................................................................12 2.2工作面煤层及地质构造情况......................................................................14 2.31311 工作面胶带顺槽布置及支护情况.....................................................16 2.4初始支护存在的问题..................................................................................17 3复合顶板顺槽复合顶板顺槽围岩围岩失稳机理失稳机理及及控制控制.........................................19 3.1复合顶板稳定性及影响因素......................................................................19 3.2复合顶板巷道围岩应力分布......................................................................23 3.3复合顶板的失稳机理..................................................................................24 3.4复合顶板的破坏形式..................................................................................28 3.5复合顶板锚杆支护机理..............................................................................30 3.6小结..............................................................................................................33 4复合顶板复合顶板锚杆锚杆索索支护模拟分析支护模拟分析..............................................35 4.1复合顶板的锚杆锚索支护原则..................................................................35 4.2锚杆索支护参数设计...............................................................................36 4.3模型建立......................................................................................................41 4.4巷道支护模拟分析......................................................................................41 4.5模拟方案对比分析......................................................................................46 4.6小结..............................................................................................................47 5复合顶板支护工程实践复合顶板支护工程实践.............................................................49 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 5.1巷道支护参数选择......................................................................................49 5.2巷道支护效果观测......................................................................................51 5.3小结..............................................................................................................56 6主要结论与展望主要结论与展望.........................................................................57 6.1主要结论......................................................................................................57 6.2展望..............................................................................................................58 参考文献参考文献........................................................................................... 59 致致谢谢................................................................................................64 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果...................................................................65 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VI Contents 1Introduction..................................................................................1 1.1Research background and significance..........................................................1 1.2Research status at home and abroad...............................................................2 1.3Main research contents and s............................................................10 2Engineering survey....................................................................12 2.1The general situation of the mine and the position of the working face......12 2.2Coal seam and geological structure in working face....................................14 2.3Arrangement and support of belt CIS groove on 1311 working face...........16 2.4Problems existing in initial support..............................................................17 3Mechanism and control of instability of surrounding rock of composite roof..................................................................................19 3.1Stability and influencing factors of composite roof.....................................19 3.2Stress distribution of surrounding rock of roadway with composite roof....23 3.3Instability mechanism of composite roof.....................................................24 3.4Failure mode of composite roof...................................................................28 3.5Supporting mechanism of composite roof bolt............................................30 3.6Summary...................................................................................................... 34 4Simulation and analysis of composite roof bolt anchor rope support..............................................................................................35 4.1Principle of anchor cable supporting for composite roof.............................35 4.2Parameter design of bolt anchor rope support...........................................36 4.3Model establishment.....................................................................................41 4.4Simulation and analysis of roadway support................................................41 4.5Comparison and analysis of simulation schemes.........................................46 4.6Summary...................................................................................................... 47 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VII 5Practice of composite roof support engineering.....................49 5.1Selection of roadway support parameters.................................................... 49 5.2Observation of roadway support effect........................................................51 5.3Summary...................................................................................................... 56 6The main conclusions and outlook...........................................57 6.1Main conclusions..........................................................................................57 6.2Outlook.........................................................................................................58 Reference.......................................................................................... 59 Thank................................................................................................64 Major achievements in the study of masters degree...................65 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研究背景及研究背景及意义意义 煤炭是我国工业现代化发展的重要战略性能源， 我国有储量丰富的煤炭资源， 截止到 2015 年底的统计结果显示，我国已探明的煤炭资源储量为 15663.1 亿吨， 在一次性常规能源的比例占到 90以上。 “富煤、贫油、少气”的能源结构是我 国的能源结构整体特点，截止到今年我国煤炭消耗在一次能源消费结构中占到 50以上，这决定了煤炭资源在我国能源结构中仍处于主导的地位。随着我们国 家不断发展的工业化进程的推进， 地质条件较好的煤炭资源逐渐被开采出来加以 利用，随着煤炭资源的进一步开采，处于地下浅层、地质条件较好的煤炭资源逐 渐被开采殆尽，煤炭开采向着地下更深程度发展。由于我国煤矿生产大多采用井 工开采，煤矿井下生产条件复杂，越往深层，地质条件更加恶劣，矿山压力逐渐 增大，地层情况破坏显著，围岩呈破碎状态，难以支护。 煤矿复合顶板结构在工程领域俗称为“二合顶” ，通常由不同岩性的岩层组 成，在煤层上方的岩层间层位分明，岩层与岩层间为弱面连接，夹有煤线或极薄 煤层，或者是极薄的软弱岩层。复合顶板具有典型的离层性的特征，容易与其上 部的岩层发生离层，力学性质较差，所能承受的极限强度低，属于国际公认的工 程软岩的范畴。由于复合顶板岩层层位间容易发生下沉位移、断裂、垮落，近些 年来煤矿生产发生由于复合顶板的原因引起冒顶事故， 给煤矿的安全生产带来极 大的威胁。 济宁矿业集团霄云煤矿 1311 工作面主采 3 煤，该矿区 3 煤赋存较好且为高 发热量煤，易选，结焦性好，可作为较好的动力和炼焦用煤，具有较高的经济价 值。但是 1311 工作面顺槽顶板为薄层状砂岩，水平层理和节理较发育，岩层间 的胶结性较差，局部夹泥岩薄层，易离层，顶板易发生下沉位移、垮落现象，工 作面易发生冒顶事故，是典型的复合顶板工作面。本文通过研究顺槽围岩控制和 锚杆索支护的相互关系，探索适合 1311 工作面胶带顺槽复合顶板支护技术， 解决了 1311 工作面顶板支护的可靠性问题，为矿井安全生产提供了理论支持和 技术保障，并可为煤矿相似地质构造条件下复合顶板巷道支护提供参考，具有工 程借鉴意义。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 1.2国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1复合顶板的破坏及支护机理研究复合顶板的破坏及支护机理研究 路易斯 阿帕内科Louis APanek等人提出悬吊理论[1]，该理论认为，巷道 顶板之所以下沉、离层、破坏主要是因为顶板岩层下方的约束力由于巷道开挖而 丧失， 锚杆的作用是将顶板下方软弱的岩层进行挤压，并悬吊于顶板上面坚硬稳 定的顶板之上，从而控制其发生离层的趋势。 兰氏TALang和彭德Pender提出组合拱理论， 该理论认为拱形巷道的围岩 破碎区中施加预应力锚杆， 由于锚杆力的作用， 锚杆周围会产生锥形的压力作用。 增大锚杆的支护密度，各锚杆的作用范围相叠加形成承载力更强的拱形结构，这 个拱形结构就是压力拱。压力拱处于径向和切向的三向应力状态，围岩的强度提 高，支撑能力加大。 德国科学家施托克 K.stoke提出了“悬臂梁假说” 。施托克认为煤矿采场范 围内的顶板可以看作是一端固定于煤体前方岩体内， 一端处于悬着状况的悬臂岩 梁。 该岩梁悬着端在上覆岩层作用力下发生弯曲沉降，并受到采空区后方冒落矸 石的支撑，随着采煤工作面不断向前推进，悬臂岩梁不断伸长，在重力作用下呈 现悬臂岩梁周期性的断裂的现象，并形成新的力学平衡，岩梁断裂的长度是可以 测量出来，即煤矿采煤面的矿山压力的周期来压步距。悬臂梁理论科技较好的解 释煤矿采煤工作面的周期来压和周期来压步距并可根据固定端的集中应力解释 工作面前方支撑压力的大小和范围。 德国科学家哈克W.Hack和吉利策尔 G.Gillitzer提出“压力拱假说” [2]，该 理论认为，在煤矿采煤工作面上方岩石的成拱作用下，采场上方存在一个拱脚在 前方煤体和冒落矸石上的压力拱，该拱会随着采煤工作面的推移而发生移动，煤 矿采煤工作面受到该压力拱的成拱作用的保护， 压力拱假说能很好的解释煤矿采 煤工作面的围岩卸载现象， 但是不能很好的解释煤矿采煤工作面围岩变形、 移动、 破坏现象。 比利时科学家阿拉巴斯提出“预成裂隙假说”[3]， “预成裂隙假说”将没有 受到扰动的岩层假设为一个匀质的整体。在采煤工作面向前推进时，在前方超前 支承压力的影响下，煤层顶板出现裂隙，破坏了围岩的整体性，并在矿山压力的 作用下发生变形。创造性的将破断裂隙假设成连续塑性体。该假说成功的解释了 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 裂隙梁沉降造成支架应力上升的现象。 前苏联科学家库兹涅佐夫提出了“铰接岩块假说”[4]。库兹涅佐夫以采煤工 作面围岩为研究对象， 将采场上方岩层分为两个明显的分带， 即 “垮落带” 和 “规 则移动带” 。假说还将工作面上覆岩层划分成多组小的岩梁，但是忽略各岩梁之 间的里的作用， “铰接岩块假说”的成功之处在于，它很好的解释了采场上覆岩 层的发展状况，并通过分析采场围岩一点与支架间的力学关系，提出支架在工作 过程中存在的两种特殊的状态，即“给定荷载”和“给定变形”两种状态。 中国矿业大学钱鸣高教授[5]提出“砌体梁理论模型” ，该模型是以“铰接岩 块假说”和“预成裂隙假说”为基础结合现场大量的实践提出。钱鸣高教授在分 析采场的岩层运动，认为受到采动作用的采场上覆岩层，其规则移动带以上岩层 发生破坏，断裂的岩层之间彼此结合成力学作用，形成外形似梁体的砌体结构， 故形象的称为该理论为砌体梁理论。 砌体梁理论解释了采煤面推进后上方岩体的 结构状态，提出了采场上部岩层的边界条件，为确定采场矿山压力的支护参数给 出了合理的力学基础。 与钱鸣高院士同一时期，山东科技大学宋振骐院士[6]提出“传递岩梁理论” 。 该理论将采动引起的采场矿山压力显现作为一个整体对象来研究， 以煤壁前方的 煤体的应力状况和煤体破坏形式作为研究对象， 解释了顶板岩层运动和采场前方 岩体超前应力之间的关系，并创造性的假设在岩梁运动条件下，支护结构受力的 两种工作状况，即“给定”及“限定”变形。经过现场检测和生产实践，传递岩 梁理论在煤矿采场来压预测预报上有很好的效果。 中国矿业大学董方庭教授[7-9]提出围岩松动圈理论。该理论在一般的岩石力 学仅局限于对岩石极限强度前的研究， 而对巷道开完后的围岩研究力度不大的现 象，工程界依然依靠经验来确定支护参数的状况，根据现场实测、工程模拟和实 践验证，以巷道开掘后的围岩状态研究，提出支护的主要对象是围岩松动圈在形 成中的碎涨应力， 以此提出控制巷道松动圈发展过程中所产生的有害应力和应变 是支护的关键。 1.2.2复合顶板围岩控制复合顶板围岩控制技术发展技术发展 对于煤矿顶板的支护方面，20 世纪 80 年代以前，德国等欧洲国家一直沿用 金属支架来支护， 金属支架具有性能好， 支护可靠性强、 自动化程度较高等优点， 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 但是在巷道延伸和支护难度不断增加的情况下，仅依靠金属支架支护，设备投资 较高。近几十年来，美国等一些发达国家率先使用锚杆，是世界上最早研究矿山 锚杆支护技术的主要国家之一， 根据不同的巷道地质情况研发出诸如高强超长锚 杆、组合锚杆以及锚索支护等。20 世纪 80 年代后，欧洲国家开始在美国等国家 引入锚杆支护原理，在煤矿生产方面取得了很好的经济及社会效益[10]。 锚注技术在近半个世纪以来我国煤矿的应用范围扩大， 且在山东科技大学等 一些高校科研院所的研发下，开发出中空锚杆可兼做注浆管工艺，将锚杆和注浆 一并进行，简化了生产工艺，在各大矿区取得了很好的应用效果，解决了一部分 特殊矿山采场的支护难题。 我国煤矿现场技术人员和高校科研单位的研究者在生产实践和日常研究中 对煤矿井下巷道复合顶板支护也做出了一系列的研究成果如下 孙海良[11]以平煤股份十一矿大采深三软煤层复合顶板工作面己 16－17－ 24030 综采工作面为研究对象，通过研究该工作面的煤岩层力学参数、厚度及岩 性，提出复合顶板的高强度锚网带长短锚索托梁联合支护技术，通过设计合理 的支护参数并结合顶板离层和矿压观测数据， 得出该技术在平煤股份十一矿取得 了很好的经济及社会效益， 为相似地质情况下煤层的顶板安全管理提供很好的借 鉴。 杨朋、华心祝和杨科等[12]，以淮南矿区顾桥矿 11151采面运输顺槽为基本 研究对象，通过自行研制开发的两向四面不等压加载试验平台模拟巷道的掘进、 采动、 留巷期间的顶板变形特征，进一步探索了煤矿采面复合顶板地质情况下的 煤矿沿空留巷实践。 提出复合顶板条件下沿空留巷的强化护表和各阶段逐级强化 支护技术，通过现场工程验证，该技术支护效果良好，能够满足煤矿生产的安全 需求。 曹俊才、 左宇军、 何晨宏等人[13-14]在 特厚复合顶板支护三维数值模拟研究 和 特厚复合顶板锚杆支护角度确定新方法通过数值模拟软件与现场工程实例 相联系的方法对特厚复合型离层性顶板失稳机理进行研究， 提出特厚复合顶板锚 杆锚索支护失稳的主要原因是由于锚固区处于裂隙发育带和杆体所受剪应力过 大造成， 工作面上覆岩层存在若干层硬度较大的岩层条件下造成工作面突发冒顶 事故。曹俊才、左宇军、何晨宏等人在此研究的基础上提出“剪应力椭圆”的理 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 5 论，根据其对顶板稳定性破坏的主要特征，提出新的锚杆支护角度的计算方法， 为相似条件下工作面这支护提出参考依据。 闫阳[15]通过研究路新二矿 W4204 采面巷道的复合顶板岩性，分析该采面初 始支护条件下的复合顶板支护条件，及顶板失稳的原因，通过研究现场实践结合 力学理论得出煤矿复合顶板工作面顶板弯折形变的主要原因是煤层上覆处置压 力和采动影响的叠加效应、预应力锚杆、预应力锚索的支护效果难以发挥，锚网 索支护参数设计不合理等， 提出减轻或消除工作面的超前压力及之后侧向压力的 影响、 提高锚杆的预应力及锚杆长度、 刚度等措施， 为巷道支护提出合适的方案。 王鹏科、田建设[16]等人以铜川市崔家沟煤矿 4-2煤层松软破碎的顶板为例， 以关键承载圈理论和扩容-稳定理论为基础，通过技术经济比较，得出锚杆支护 效果好、工艺简单、成本低等优点，在崔家沟煤矿 4-2煤层通过钻孔内窥法确定 关键承载圈位置， 通过选择合理的支护方式和支护参数在崔家沟煤矿生产过程中 去得很好的技术和经济效果。 王汉鹏、 李术才、 李为腾等人[17]用钻孔内窥仪和地质雷达探