榆家梁煤矿沿空掘巷围岩稳定性及支护技术分析.pdf

分类号分类号TD524 密密 级级公公 开开 U D C 单位代码单位代码10424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 榆家梁煤矿沿空掘巷榆家梁煤矿沿空掘巷围岩稳定性及支护围岩稳定性及支护 技术分析技术分析 周周 茂茂 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士 专业专业名名称称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名 郭惟嘉郭惟嘉 职职 称称教教 授授 副指导教师姓名副指导教师姓名陶志勇陶志勇 职职 称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 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 榆家梁煤矿沿空掘巷榆家梁煤矿沿空掘巷围岩稳定性及支护围岩稳定性及支护 技术分析技术分析 作作者姓名者姓名周周 茂茂 入学时间入学时间2015 年年 9 月月 领域名称领域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 指导教师指导教师郭惟嘉郭惟嘉 职职 称称教教 授授 副指导教师副指导教师陶志勇陶志勇 职职 称称高级工程师高级工程师 论论文提交日期文提交日期2018 年年 4 月月 13 日日 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 5 月月 20 日日 授予学位日期授予学位日期 万方数据 SURROUNDING ROCK STABILITY AND SUPPORT TECHNOLOGY ON 52402 GOB SIDE ENTRY DRIVING WORKING FACE IN YUJIALIANG A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhou Mao Supervisor Professor Weijia Guo Vice-supervisor Professor Chuawei Zang College of Mining and Safety Engineering June 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。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 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供校内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 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） 硕士生签名硕士生签名 导师导师签名签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生周茂周茂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，论文中课程学习，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规定，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。同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 沿空掘巷开采工艺可以大幅提高开采效率和利用率，本文对沿空掘巷的支 护技术及围岩稳定性分析，并以榆家梁煤矿为工业试验，针对沿空掘巷现有问 题，对以下几个方面进行研究。 （1）分析沿空掘巷围岩稳定性的因素。采深、采厚、原岩应力、直接顶和 基本顶的力学性质均会影响沿空掘巷围岩稳定性，通过模拟分析发现，当锚杆 预紧力增大到 20kN，围岩控制效果较理想；并且煤柱内垂直应力峰值随着煤柱 宽度的增大而不断增大。 （2）分析沿空掘巷支护方式。建立基本顶受力模型及挠度函数，发现基本 顶下沉变形值在各处均不断增大；对沿空巷道掘进后基本顶岩层有着明显的应 力集中，同等掘进距离，基本顶下沉与工作面距离成反比。提出三种“锚杆 锚索网”的主动支护方式，经对比确定 52402 工作面最终支护方案。 （3）对榆家梁煤矿 52402 沿空掘巷中的困难点进行说明。巷道开采过程中 主要的问题为水患、片帮、通风管理、顶板控制等，针对遇到的上述问题，逐 一阐述应对措施，使日均进尺由原来的 15m/日提高到了 40m/日，极大提升掘进 速度，维护了正常的连续生产。 （4） 以52402综采面进行工业试验， 分析52402综采面的煤层和地质条件。 煤层为稳定煤层，其煤厚变异系数 8.5；巷道围岩在开始掘进 30d 至 35d 左右 不再变化，根据三测点顶底板变形量、煤柱侧巷帮变形量、实体煤侧巷帮变形 量均值对比发现， 巷道顶底板的下沉量最大约 149.8mm。 巷道掘进 25d 左右后， 其内变形速率达到峰值，且顶板的下沉速率达到 15.7mm/d。 关键词关键词沿空掘巷，围岩稳定性，支护技术，工业试验 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 II ABSTRACT Gob side entry driving can improve the efficiency of exploitation and utilization, this paper analyzed the stability of the support and surrounding rock,using Yujialiang coal mine for industrial test based on along goaf existing problems, the following aspects are thoroughly researched in the dissertation. Influence factors of surrounding rock stability along the goaf are analyzed. Its depth, thickness, original rock stress state, mechanical properties of the direct roof and the basic roof will influence the stability of the surrounding rock. Through simulation analysis, it shows that when the bolt preload is greater than 20kN, the surrounding rock control effect is ideal, and its vertical stress peak value increases with coal pillar width. The difficulty points of the 52402 working face in Yulu coal mine along the goaf are explained. The main problem in the process of mining roadway is flood, biased, ventilation management, roof control and other difficulties. Describes the measures against all above difficulty, so that average daily footage from the original 15m/ day to 40m/ day. The industrial test is carried out with 52402 working face. The coefficient of variation of coal thickness of 52402 working face is 8.5, and the recoverable index is 1, which means a stable coal seam. The test results show that the surrounding rock tends to be stable after the roadway is excavated from 30d to 35d, and the roof and floor subsidence is relatively large, about 149.8mm. The side deation of the coal pillar side is about 110.8mm, while the side deation of the solid coal side is about 79.2mm. From the perspective of roadway deation rate, the rate of deation inside the roadway is larger than 25d, and the maximum rate of roof subsidence reaches 15.7mm/d. The maximum deation rate of the side roadway is 14.7mm/d. Keywords gob side entry driving, surrounding rocks, supporting technique, industry test 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 III 目录目录 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 ............................................................................................. 6 2 沿空掘巷围岩稳定性控制技术分析沿空掘巷围岩稳定性控制技术分析 ................................................ 8 2.1 围岩稳定性理论分析 ................................................................................. 8 2.2 煤柱宽度分析 ........................................................................................... 13 2.3 本章小结 ................................................................................................... 19 3 沿空掘巷基本顶变形数值模拟研究沿空掘巷基本顶变形数值模拟研究 .............................................. 20 3.1 基本顶受力变形理论分析 ....................................................................... 20 3.2 基本顶模拟变形分析 ............................................................................... 27 3.3 巷道支护分析 ........................................................................................... 29 3.4 本章小结 ................................................................................................... 32 4 52402 沿空掘巷影响因素及解决方案沿空掘巷影响因素及解决方案 ........................................... 34 4.1 沿空掘巷主要影响因素 ........................................................................... 34 4.2 对应解决措施 ........................................................................................... 35 4.3 本章小结 ................................................................................................... 37 5 沿空掘巷工业验证分析沿空掘巷工业验证分析................................................................... 38 5.1 煤矿简介 ................................................................................................... 38 5.2 综采面工程概况 ....................................................................................... 38 5.3 支护参数 ................................................................................................... 41 5.4 支护效果分析 ........................................................................................... 41 5.5 经济效益 ................................................................................................... 47 5.6 本章小结 ................................................................................................... 47 6 结论与展望结论与展望 ....................................................................................... 49 6.1 主要结论 ................................................................................................... 49 6.2 工作展望 ................................................................................................... 49 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 参考文献参考文献 ................................................................................................. 51 致致 谢谢 ....................................................................................................... 55 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ......................................................................... 56 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V Contents 1 Introduction ........................................................................................................... 1 1.1 Background and Significance .............................................................................................. 1 1.2 Domestic and Overseas Research Status .............................................................................. 2 1.3 Main Research Contents ...................................................................................................... 6 2 Stability Control Analysis of Surrounding Rock Along Goaf ........................... 8 2.1 Theoretical Analysis of Surrounding Rock Stability. ........................................................... 8 2.2 Analysis of Coal Pillar Width. ........................................................................................... 13 2.3 Summary ............................................................................................................................ 20 3 Analysis and Numerical Simulation of the Basic Roof Deation Along the Roadway. .................................................................................................................... 21 3.1 Theoretical Analysis of Basic Roof Deation. ............................................................. 21 3.2 Basic Roof Deation Analysis. ..................................................................................... 27 3.3 Roadway Support Analysis. ............................................................................................. 30 3.4 Summary ............................................................................................................................ 33 4 Influence factors and solutions of 52402 working face. ................................... 34 4.1 The Main Influencing Factors of Along Goaf. ................................................................... 34 4.2 Corresponding Solution ..................................................................................................... 36 4.3 Summary ............................................................................................................................ 40 5 Industrial Verification and Verification of Along Goaf. ................................... 41 5.1 Introduction of Coal Mine .................................................................................................. 41 5.2 Overview of Working Face Engineering Introduction. ...................................................... 41 5.3 Supporting Parameters ....................................................................................................... 45 5.4 Support Effect Analysis. ..................................................................................................... 46 5.5 Economic Benefits ............................................................................................................. 51 5.6 Summary ............................................................................................................................ 51 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI 6 Conclusions and Prospects ................................................................................. 51 6.1 Conclusions ........................................................................................................................ 51 6.2 Prospects ............................................................................................................................ 52 References ................................................................................................................ 53 Acknowledgements ................................................................................................. 57 Main Research Achievements .................................................................................. 58 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 1.1.1 研究背景研究背景 煤炭资源作为我国主要的能源之一，其在当今甚至未来数十年中仍在能源 消费市场中占据重要地位，因此煤炭的开采以及生产对我国经济发展具有重要 的促进作用。 能够安全有效提高煤炭资源的回采率， 合理有度的利用煤炭资源， 是当前煤炭行业亟待解决的问题[1]。通过分析煤炭开采损失量发现，工作面外 的损失占一半以上，并且在此其中巷道区段的煤柱高达 63.3，区间煤柱为 36.7[2]。 自 20 世纪 50 年代以来，国内外学者对沿空掘巷支护的关键技术开展了较 多研究 错误未找到引用源。错误未找到引用源。 。沿空留巷是当在上区段工作面进行回采时，也进行结构的 支护工作，并且采空区域岩层并未停止活动；下区段工作面进行回采时，巷道 同时承受超前支承压力，此时，工作面巷道就会承受双重采煤影响，使得顶板 与两侧帮的受力不稳，非常容易产生剧烈变形，造成底鼓严重，极不利于巷道 支护和维修。 沿空掘巷是指当上区段工作面进行回采后，工作面上面的岩石不在移动， 工作面煤炭开采沿着稳定的侧向支撑压力方向进行。相对于沿空留巷来说，该 开采方式下巷道比较方便掘进、维修和防护。在恰当宽度的煤柱和合理支护的 共同作用下，能够极大的提高巷道的承载能力，有效降低巷道在煤炭开采过程 中发生的围岩变形。这样，巷道仅仅受到一次掘进开采的影响，沿空掘巷凭借 其良好的应力环境，简单快捷的维护操作，较低的成本投入，在大型煤矿开采 过程中被普遍接受。 榆家梁煤矿是神华集团重要的煤炭基地。本文对沿空掘巷技术进行分析， 总结榆家梁煤矿的地质及开采基础， 将沿空掘巷开采技术应用该煤矿的开采中， 对提高榆家梁煤矿开采效率与质量意义重大[4-5]。 1.1.2 研研究目的和意义究目的和意义 我国地域辽阔，各种资源丰富，尤其是煤炭储备丰厚，煤炭开采过程及方 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 法与煤炭周围地质条件有关，不同地域条件采用不同工作面开发方式。沿空掘 巷技术可极大的提高煤炭的开采效率，是一种高效，较为安全的开发方法，沿 空掘巷开采技术的研究，对提高煤炭利用率、可实现可持续发展有一定促进作 用。 而且， 实施沿空掘巷技术对煤炭开采， 不仅可提高回采率， 实现充分利用， 还可避免最大侧面支撑压力，增强巷道支撑的安全及稳定，降低巷道变形，并 避免了采空区积水、瓦斯事故的产生。 为提高煤炭回收率，增加经济效益，煤矿正在从设计上进行改革创新。神 东煤炭集团在煤炭开采上对于沿空留巷和沿空掘巷的应用， 是在技术上的创新。 榆家梁煤矿 52402 辅运沿空掘巷的成功掘进为以后神东沿空掘巷提供了宝贵的 经验。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 沿空掘巷的研究现状沿空掘巷的研究现状 依照煤柱情况划分，沿空掘巷可分为大煤柱、小煤柱以及无煤柱等三种形 式。当前小煤柱沿空掘巷的技术运用比较多，已有大量的实践经验。完全沿空 掘巷的技术运用的项目较少。近几十年里，对于沿空掘巷技术的研究趋势逐渐 由无煤柱向小煤柱掘巷技术转变。 20 世纪 50 年代初，美国、波兰、俄罗斯、西德、中国等数十个国家陆续对 无煤柱煤炭开采技术展开研究 [6]。在那时我国就已经将无煤柱开采技术应用在 煤炭资源的开发上，国家加强了无煤柱开采技术的支持力度，相关部门先后举 办了 3 次技术座谈会，对无煤柱开采技术进行了详细交流和深入总结，并发布 了关于推行无煤柱开采的暂行规定 [7]。在无煤柱沿空掘巷开采技术研究上， 各国均有自己独特的开采工艺， 如美国、 德国的区段平巷大多安置在实体煤层， 几乎不运用沿空掘巷布置方法。而俄罗斯、乌克兰等国家大多将金属棚架应用 于沿空掘巷技术中，澳大利亚、英国等国家直接不采用沿空掘巷技术，对小煤 柱沿空掘巷的应用也十分谨慎 [8]。 国内大多数矿区中对于薄型以及中厚型煤层的沿空掘巷技术研究始于建国 初期，研究阶段历经自主应用阶段、实验阶段、发展阶段[9]。20 世纪 60 年代， 我国在倾斜厚煤层的分层顶层和分层底层中试掘沿空掘巷的回风顺槽中首次获 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 得成功[10]，开创了我国缓倾斜厚煤层沿空掘巷的先例，但当时并未在此基础上 自主研发出一套沿空掘巷的工艺技术，后期也未搭建一套完整的理论以及技术 体系。 沿空掘巷技术可以有效地实现煤炭资源的回采， 西山杜尔坪矿、 阳泉矿区、 石咀山二矿等众多煤矿工作面对沿空掘巷技术进行研究与验证 [11]。与此同时， 沿空掘巷技术改革逐日兴起，得到了良好的发展，但是并未对该技术进行详细 的总结和推广。 1.2.2 围岩稳定性研究现状围岩稳定性研究现状 为提高沿空掘巷围岩的稳定性，国内学者专家对该开采技术进行了大量探 究实验，并取得了一定的成果。在众多的研究理论当中，压力拱理论为较为成 熟的理论之一，该理论指出，当对工作面进行开采时，工作面顶板与两侧顶板 会形成周期性的“O.X”断裂现象[12]。 当进行回采时，工作面之上的岩石会断裂并下沉，此时，原本处于弹性状 态的煤炭及岩层的边界处会渐渐的进入塑形破坏阶段 [13]。该时段煤柱与采空区 矸石产生了拱形的结构，其中，两拱脚会承受上覆岩层的作用力。两拱脚承受 的作用力不尽相同，因此形成不尽对称的压力拱。两拱脚所处位置会产集中应 力，但此时靠近采空区的区域为