海石湾矿深部沿空掘巷围岩控制技术研究.pdf

海 T 海石湾 Stu Techniq al 湾矿深部 udy on que of long G 硕士 部沿空 n Surro f Deep- Goaf in 作 导 中国 二○ 江苏省 国家 国家 国家 士学位论 空掘巷围 ounding -Seate n Haish 者朱才 师王襄 国矿业大 ○一四年 省高校优势 自然科学基 自然科学基 自然科学基 论文 围岩控 g Rock d Road hiwan C 才坤 襄禹 副教 大学 年五月 势学科建设工 基金面上项 基金项目（5 基金项目（5 控制技术 k Cont dway D Collier 教授 工程资助项 目（511741 51204166） 51204167） 术研究 trol Drivin ry 项目（PAPD 195） 究 ng D） 万方数据 中图分类号 TD353 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公 开 中国矿业大学 硕士学位论文 海石湾矿深部沿空掘巷围岩控制技术研究 Study on Surrounding Rock Control Technique of Deep-Seated Roadway Driving along Goaf in Haishiwan Colliery 作 者 朱才坤 导 师 王襄禹 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业学院 学科专业 采矿工程 研究方向 矿山压力及控制 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一四年五月 万方数据 69 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 Declaration of Thesis Originality 本人郑重声明所呈交的学位论文海石湾矿深部沿空掘巷围岩控制技术研 究 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取 得的成果。据我所知，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。 学位论文作者签名 日期 年 月 日 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、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 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权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；②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师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的 要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学 位论文，经审阅，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， 同意将本论文作为学位申请论文送 专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 Acknowledgements 本论文是在尊敬的导师王襄禹副教授的悉心指导下得以完成的， 针对论文的 选题、撰写路线以及审稿定稿，导师一直认真指引着论文的每个章节，凝结了导 师大量的心血和智慧。研究生期间，王老师无论是在生活上还是在学术上都给予 了极大的关心和支持，王老师严谨的治学态度，敏锐的学术洞察力，创新的科研 精神，这都深深的感染了我，是我学习和工作的榜样，对我今后的工作、学习和 生活起到了深刻的影响。 王老师在三年中不断给予我学习和生活上无私的指导和 关心，值此论文完成之际，在此向王老师致以深深的敬意和由衷的感谢。 柏建彪教授在论文的撰写过程中给予了悉心的指导和宝贵的建议， 并提供了 重要的学习平台和无微不至的帮助，在此对尊敬的柏老师表示深深的谢意论文 的成功完成离不开徐营副教授、陈勇老师、闫帅老师的指引与帮助，在此向各位 老师表示诚挚的感谢。 特别感谢窑街煤电集团海石湾矿王君得总工程师、雷转霖副矿长、李国湖副 总工程师、王想刚部长、袁德江主任及其相关技术人员等在项目实施过程中提供 了居多便利和现场支持。 感谢课题组师兄弟，特别感谢李文峰博士、于洋博士、王猛博士、张自政博 士、薛广哲博士、神文龙博士、袁龙飞硕士、种德雨硕士、廉常军硕士、胡明明 硕士、马卫波硕士、张继硕士、王术睿硕士、李萌硕士、刘禹辰硕士等在学习生 活的热情帮助与支持。 感谢所有给予我关心的老师和同学。 深深感谢父母，是他们的支持和鼓励才让我顺利完成学业，感谢哥哥在多年 的求学路上的关心与支持，他们的关爱和付出让我一生难以回报，衷心祝福他们 幸福安康。 最后，感谢各位专家和教授在百忙之中评审本文，并期待得到更多的指导。 再次感谢所有关心和帮助我的人。 朱才坤 2014 年 5 月 万方数据 I 摘摘 要要 随着矿井开采向深部发展，给矿井的安全、高效开采带来巨大影响，尤其采 动应力及其影响范围越来越大，区段煤柱宽度的留设不合理，直接导致回采巷道 变形破坏极其严重，返修量剧增，成为制约矿井发展的瓶颈。因此，本文在前人 研究的基础上，以深部沿空掘巷为研究对象，采用理论分析、数值计算和现场工 业性试验相结合的方法，研究采场侧向支承压力的分布规律、工作面区段煤柱合 理宽度以及沿空巷道围岩控制技术，推动了深部沿空掘巷技术的发展，实现了无 煤柱开采。研究成果成功应用于海石湾煤矿，取得显著的社会经济效益。主要研 究成果包括 （1）研究了采场侧向支承压力分布特征。运用数值计算方法分别对不同埋 深、采高、煤层硬度和工作面后方距离对侧向支承压力分布影响进行分析，为确 定深部沿空掘巷区段煤柱宽度提供依据。 （2）确定了沿空掘巷窄煤柱的合理宽度。分别对不同宽度窄煤柱应力分布 规律和水平位移特征与巷道围岩变形进行对比分析，并结合理论计算结果，合理 确定了煤柱宽度。 （3）提出了深部高应力沿空掘巷的支护原则，进一步完善保障安全开采和 控制巷道围岩大变形的技术。 （4）形成了适合该类巷道合理的支护方案和科学的支护参数，并成功进行 了工业性试验，取得了显著的经济效益与社会效益。 该论文有图 51 幅，表 13 个，参考文献 64 篇。 关键词关键词深部；沿空掘巷；数值模拟；侧向支承压力；让压支护 万方数据 II Abstract With the development of underground mining deeper, it seriously influence the safety and high efficiency of mine, especially mining disturbance stress and effect scope increasingly large and unreasonable pillar widths makes roadway deation damage extremely serious, repair volume increased significantly, became the bottleneck of restricting the technology development. So, on the basis of the previous study, this paper study distribution characteristic of the side abutment pressure and narrow coal pillar width and surrounding rock control technique of deep-seated roadway along goaf by the of theoretical analysis and numerical calculation and industrial testing and field, it promote surrounding rock control technique of deep-seated roadway along goaf development and achieve mining of without section pillar. We apply the research achievement to Haishiwan colliery and produce notable social and economical benefits. The main research results include 1 This paper research distribution characteristic of the side abutment pressure. It apply numerical calculation to study different mining depth and coal seam hardness and mining height and distance behind the working face impact on distribution characteristic of the side abutment pressure. It provides the foundation for setting up narrow coal pillar widths. 2 Reasonable narrow pillar widths was determined. To compare stress distribution rule、horizontal displacement characteristics and surrounding rock deation of roadway with different widths of the narrow coal pillar, and combine with the theoretical calculation results, so the optimal width of coal pillar is determined. 3 Put forward the support principle of deep-seated roadway along goaf and improve technology system of the safety mining and control of large deation of surrounding rock of roadway. 4 ed the supporting scheme suitable for this kind of roadway and scientific supporting system. And the industrial test is successful. It obtains remarkable economic benefits and social benefits. There are 51 figures, 13 tables and 64references. Keywords Deep-seated; Roadway driving along goaf; Numerical simulation; The side abutment pressure; Support with yielding anchor bolt; 万方数据 III 目 录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I 目目 录录 ........................................................................................................................ III 图清单图清单 ....................................................................................................................... VII 表清单表清单 .......................................................................................................................... X 变量注释表变量注释表 ................................................................................................................ XI 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 研究背景与意义..................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状..................................................................................................... 2 1.3 主要研究内容与技术路线..................................................................................... 7 2 试验巷道地质条件试验巷道地质条件 ................................................................................................... 9 2.1 工程地质条件......................................................................................................... 9 2.2 巷道围岩力学测试............................................................................................... 10 2.3 本章小结............................................................................................................... 12 3 采场侧向支承压力分布特征研究采场侧向支承压力分布特征研究 ......................................................................... 13 3.1 数值模型的建立................................................................................................... 14 3.2 不同埋深侧向支承压力分布特征....................................................................... 15 3.3 不同煤层硬度侧向支承压力分布特征............................................................... 18 3.4 不同采高侧向支承压力分布特征....................................................................... 19 3.5 侧向支承压力演化规律....................................................................................... 21 3.6 试验工作面侧向支承压力分布特征................................................................... 27 3.7 本章小结............................................................................................................... 27 4 窄煤柱宽度的研究窄煤柱宽度的研究 ................................................................................................. 28 4.1 窄煤柱稳定性分析............................................................................................... 28 4.2 沿空巷道稳定性分析........................................................................................... 32 4.3 窄煤柱宽度的理论计算....................................................................................... 33 4.4 窄煤柱合理宽度确定........................................................................................... 35 4.5 本章小结............................................................................................................... 35 5 深部沿空掘巷围岩控制技术研究深部沿空掘巷围岩控制技术研究 ......................................................................... 37 5.1 深部沿空掘巷支护原则....................................................................................... 37 万方数据 IV 5.2 围岩控制支护技术............................................................................................... 37 5.3 巷道支护参数设计............................................................................................... 46 5.4 本章小结............................................................................................................... 51 6 工业性试验工业性试验 ............................................................................................................. 52 6.1 试验巷道支护参数............................................................................................... 52 6.2 钻场处窄煤柱帮的加固方案............................................................................... 55 6.3 试验巷道矿压监测............................................................................................... 55 6.4 本章小结............................................................................................................... 61 7 主要结论主要结论 ................................................................................................................. 62 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 68 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 69 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 70 万方数据 V Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ....................................................................................................................... V List of Figures ........................................................................................................... VII List of Tables ................................................................................................................ X List of Variables......................................................................................................... XI 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 The Background and Significance of Research ....................................................... 1 1.2 Research Status at Home and Abroad ...................................................................... 2 1.3 Research Contents and Technical Route .................................................................. 7 2 Geological Condition of Test Roadway ................................................................... 9 2.1 Engineering Geological Conditions ......................................................................... 9 2.2 Mechanical Property of Roadway Surrounding Rocks .......................................... 10 2.3 Brief Summary ....................................................................................................... 12 3 Study on Distribution Characteristic of the Side Abutment Pressure ............... 13 3.1 Establishment of Numerical Model ....................................................................... 14 3.2 The Distribution Characteristic of Side Abutment Pressure with Different Mining Depth ............................................................................................................................ 15 3.3 The Distribution Characteristic of Side Abutment Pressure with Different Coal Seam Hardness ............................................................................................................. 18 3.4 The Distribution Characteristic of Side Abutment Pressure with Different Mining Height ........................................................................................................................... 19 3.5 The Evolution Rule of Side Abutment Pressure .................................................... 21 3.6 The Distribution Characteristic of Side Abutment Pressure in Test Working Face ...................................................................................................................................... 27 3.7 Brief Summary ....................................................................................................... 27 4 The Research on Narrow Coal Pillar Width......................................................... 28 4.1 The Stability Analysis on Narrow Coal Pillar） .................................................... 28 4.2 The Stability Analysis on Gob-side Entry ............................................................. 32 4.3 Theoretical Calculation on Narrow Coal Pillar Width ........................................... 33 4.4 Reasonable Narrow Coal Pillar Width ................................................................... 35 万方数据 VI 4.5 Brief Summary ....................................................................................................... 35 5 Study on Surrounding Rock Control Technique of Deep-Seated Roadway along Goaf ............................................................................................................................. 37 5.1 The Support Principles of Deep-Seated Roadway driving along Next Goaf ......... 37 5.2 Surrounding Rock Control Technique of Deep-Seated Roadway along Goaf ....... 37 5.3 Design of Roadway Support Parameters ............................................................... 46 5.4 Brief Summary ....................................................................................................... 51 6 Industrial Testing .................................................................................................... 52 6.1 Bolt support parameters of Test Roadway ............................................................. 52 6.2 Strengthening Scheme of Narrow Coal Pillar Side in Drilling Laneway .............. 55 6.3 Monitoring of Test Roadway ................................................................................. 55 6.4 Brief Summary ....................................................................................................... 61 7 Main Conclusions .................................................................................................... 62 Author Resume ....