急倾斜煤层顶煤注水软化综放回采巷道支护参数研究.pdf

论文题目急倾斜煤层顶煤注水软化综放回采巷道支护参数研究 专 业矿业工程 硕 士 生赵 凯 签名 指导教师柴 敬 签名 摘 要 以受注水、爆破软化影响的小红沟煤矿590 水平 B6回采巷道为工程背景，综合应 用理论分析、物理实验、数值模拟和现场实测相结合的研究方法，从锚杆（索）的理论 出发，研究围岩破坏机理、锚杆支护机理、锚杆力学作用机理以及回采巷道围岩支护方 法和参数。分析了水对煤和锚固体的弱化机理，给出锚固体破坏的 4 种方式，为工程实 践提供理论依据；运用数值模拟，建立数值模型，计算得到各水平原始地应力场，并分 析了注水孔孔隙压力变化规律，以注水软化后回采巷道围岩破坏机理为切入点，对巷道 松动圈范围以及巷道钻孔围岩破碎状况进行探测，了解巷道围岩在矿山压力、注水软化 下的破坏机理；最后依据矿压观测反馈的信息，对590 水平 B6回采巷道支护参数进行 优化设计。现场试验结果表明，该研究成功解决了小红沟煤矿注水软化顶煤时回采巷道 的支护问题，对于以后相似地质条件的工程提供了简单可行的技术方案。 关 键 词急倾斜煤层；注水软化；锚杆索支护参数；回采巷道；矿压观测 研究类型应用研究 Subject Research on Softening of Steep Seam Roof Support Parameters of Roadway Specialty Mining Engineering Name Zhao Kai Signature Instructor Chai Jing Signature ABSTRACT In this paper, in order to soften the water under the influence of roadway design ,to be water, to soften the impact of blasting Xiao Honggou mine 590 B6 level roadway for the project background, a comprehensive theoretical analysis, physical experiments, numerical simulation and field measurement of combining research s.For the study of the content of the bolt from bolt cable starting theoretical analysis to study the rock failure mechanism, bolting mechanism, the mechanism of the mechanical anchor and rock roadway supporting to analyze the body of water on the coal and the weakening of anchoring mechanism, given the four anchor body means damage, provide a theoretical basis for engineering practice;; to soften water roadway rock failure mechanism as the starting point of the roadway loose circle broken rock within the scope and status of roadway detection, understanding surrounding rock pressure in mines, water softening, repeated its support bracket and supporting the failure mechanism under pressure; numerical simulation, the establishment of numerical model, calculate the level of original stress field, and analysis of water before and after the movement of the roof caving and mine surface pressure behavior characteristics; final observation based on rock pressure feedback ination, combined with the instability of the characteristics of rock and the results of this study, the level of 590 B6 roadway support parameters to optimize the design. Field test results show that the research results for the roadway surrounding rock to provide a scientific basis for control, successfully resolved Xiao Honggou coal mine coal in water to soften the top of the supporting roadway problems KeyWords Steepinclinedseam Weakening Bolting parameters Roadway Pressure observation Thesis Application research 目 录 I 目 录 1 绪论...................................................................................................................................1 1.1 选题的背景和意义.......................................................................................................1 1.1.1 选题的背景 ..........................................................................................................1 1.1.2 选题的意义.........................................................................................................1 1.2 本课题研究的现状.......................................................................................................1 1.2.1 国外巷道围岩控制及支护理论研究现状...........................................................1 1.2.2 国内巷道围岩控制及支护理论研究现状...........................................................3 1.2.3 急倾斜煤层分段开采国内外研究现状...............................................................4 1.2.4 煤岩体注水软化技术国内外研究现状................................................................5 1.3 本文的主要工作...........................................................................................................7 1.3.1 研究目标.............................................................................................................7 1.3.2 研究内容.............................................................................................................7 1.3.3 技术路线.............................................................................................................8 2 煤巷锚杆（索）支护机理研究.........................................................................................9 2.1 巷道围岩变形破坏机理..............................................................................................9 2.1.1 巷道围岩变形破坏特征......................................................................................9 2.1.2 巷道围岩破坏影响因素....................................................................................10 2.2 锚杆支护机理研究....................................................................................................12 2.2.1 顶锚杆支护机理................................................................................................12 2.2.2 帮锚杆支护机理................................................................................................13 2.3 锚杆的力学作用机理.................................................................................................15 2.4 支护设计方法的确定................................................................................................16 2.4.1 工程类比设计方法............................................................................................17 2.4.2 传统锚杆支护理论计算设计方法.....................................................................18 2.4.3 松动圈锚杆支护设计方法................................................................................21 2.5 小结...........................................................................................................................22 3 水对煤和锚固体的弱化机理...........................................................................................24 3.1 建立模型...................................................................................................................24 3.2 原始地应力分析.........................................................................................................25 3.3 煤层注水孔隙压力的变化规律.................................................................................26 3.4 水对煤的弱化机理分析............................................................................................28 目 录 II 3.4.1 水对煤体强度的影响机理................................................................................28 3.4.2 水对煤体化学损伤的机理................................................................................29 3.5 水对锚固体的弱化机理及其破坏方式研究.............................................................31 3.5.1 水对锚固体的弱化机理....................................................................................31 3.5.2 巷道围岩锚固体破坏方式................................................................................32 3.6 小结...........................................................................................................................32 4 巷道围岩破坏机理..........................................................................................................34 4.1 主要技术方案 ............................................................................................................34 4.2 主要仪器及设备.........................................................................................................35 4.3 测试结果及分析.........................................................................................................35 4.4 小结...........................................................................................................................46 5 工程实践 .........................................................................................................................47 5.1 矿井的概况及支护形式............................................................................................47 5.1.1 矿井概况............................................................................................................47 5.1.2 回采巷道现有支护形式....................................................................................48 5.2 回采巷道矿压观测....................................................................................................49 5.2.1 矿压监测的意义及内容....................................................................................49 5.2.2 矿压监测方法....................................................................................................49 5.2.3 矿压监测方案....................................................................................................51 5.3 矿压监测数据分析....................................................................................................51 5.3.1 巷道围岩表面位移............................................................................................51 5.3.2 离层数据分析.....................................................................................................54 5.3.3 锚杆（索）受力数据分析.................................................................................54 5.4 现场监测反馈 ...........................................................................................................55 5.5 巷道围岩失稳特征....................................................................................................56 5.6 信息反馈后的优化设计............................................................................................56 5.6.1 帮锚杆支护参数设计........................................................................................56 5.6.2 锚网参数设计....................................................................................................57 5.6.3 柔性混凝土喷层支护........................................................................................57 5.7 效果分析...................................................................................................................57 5.8 小结............................................................................................................................58 6 结论.................................................................................................................................59 致 谢.............................................................................................................................60 参考文献.............................................................................................................................61 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景和意义 1.1.1 选题的背景 我国煤炭资源的分布十分广泛，平原、丘陵、山区的地下蕴藏着丰富的煤炭资源， 煤炭的赋存条件也千差万别，其中急倾斜煤层的开采越来越受到人们关注，其原因有三 个方面一是在全国重点煤矿区有 20 处 100 多个矿井进行急倾斜或大倾角煤层开采， 急倾斜或大倾角煤炭储量约占全国煤炭储量的 15～20左右，特别是在我国的西部矿 区 50以上矿井开采的是急倾斜煤层，如主要产煤省区贵州、四川、重庆、云南、新 疆、甘肃、宁夏等，急倾斜煤层是许多矿区或矿井的主采煤层。随着我国西部大开发战 略的实施，我国矿产资源开采重点西移，煤炭资源开采已成为西部地区区域经济发展的 重要支柱，对急倾斜煤层开采围岩移动变形规律的研究是西部煤炭开采的重大课题；二 是东部矿区赋存条件较好的煤层越来越少，加上多年来高强度的开采，使浅部赋存条件 较好煤层的开采也日益枯竭，从而使急倾斜煤层问题迅速进入了人们的视野，引起了人 们的高度重视，如山东兖州矿区、河北邢台和开滦矿区、安徽淮南与淮北矿区、江苏徐 州矿区等，这些矿区的许多矿井不得不由条件相对优越的煤层开采转向复杂的急倾斜煤 层开采，很显然，要保持矿区生产的高产高效和可持续发展，也必须加强对急倾斜煤层 开采岩层移动与矿压规律的研究；三是对急倾斜煤层开采岩层移动与矿压问题研究的不 充分，其研究水平远没有水平缓倾斜煤层开采研究深入。 1.1.2 选题的意义 在我国西北地区，急倾斜煤层厚度往往较大，大倾角长壁和水平分段放顶煤开采一 直作为主流的采煤方法，许多学者做了大量的研究工作。正确认识急倾斜煤层开采中围 岩移动和矿压显现规律，对选择正确的开采方法、确定合理的开采顺序、顶板管理及支 护设备、巷道支护形式等都有重要意义。因此，本文在前人的研究基础之上，对煤层注 水软化条件下急倾斜煤层巷道锚杆支护参数进行研究。 1.2 本课题研究的现状 1.2.1 国外巷道围岩控制及支护理论研究现状 国外软岩工程研究大体上也可分三个阶段，即锚喷支护阶段、钢架支护阶段和软岩 西安科技大学工程硕士学位论文 2 工程地质规律研究阶段。 （1） 锚喷支护研究阶段 早在 19 世纪初期， 美国和英国等国家已经开始锚喷支护技术的试验研究， 但是进行 系统研究是在从 20 世纪 40 年代开始， 到了 50 年代已经在矿山和水利等地下工程中广 泛应用， 在煤矿的巷道支护中应用是在 60 年代初进行的。 为了适应各种情况下的煤矿 巷道的支护，先后发明了倒楔式锚杆、涨壳式锚杆、树脂锚杆、水泥锚杆、摩擦式锚 杆和管缝式锚杆等。 （2） 钢架支护阶段 进入 80 年代以后，随着煤矿开采的深度增加，高地应力软岩巷道的不断出现，仅 仅采用锚喷支护在巷道的成效比较低。 为了解决这种局面， 主要设计研究了 U 型钢支架。 目前国外主要采用的 U 型钢支架有OLW/U29 型可缩钢架、钢筋混凝土圆形支架、钢 拱架和 TH44 反拱支架等。 （3） 工程地质规律研究 在进行了一系列的钢架试验之后，一些科学家发现，对于一些泥质岩石是抑制不住 软岩地压的，所以其研究方向转为研究工程地质特性，以期待对不同性质的软岩采取不 同的支护方法。 奥地利专家 L.V.Rabcewicz 在总结前人经验的基础上提出了新奥法， 一套隧道设计、 施工新技术，随后逐步运用到煤矿巷道的支护中去。新奥法是建立在岩石的刚性压缩特 征的岩石三轴压缩应力应变特性以及莫尔库仑学说基础上的，同时考虑到隧道（巷道） 掘进的空间和时间效应所提出的新理论。 1980 年，奥地利土木工程学会地下空间利用分会把新奥法定义为“在岩质为砂质 介质中开挖隧道，以使围岩形成一个中空筒状支承环结构为目的的隧道设计施工方法”。 施工时遵循下列原则 ①应当考虑岩体的力学特性； ②应当在适宜的时机构筑支护结构，避免围岩中出现不利的应力应变状态； ③为使围岩形成力学上十分稳定的中空筒状支承环结构，必须构筑一个闭合的支护 结构； ④由现场量测监控围岩动态，根据允许变形量求得最适宜的支护结构。 新奥法的上述定义简明扼要地揭示了新奥法最核心的问题利用围岩自承能力， 使 围岩本身形成支承环。 其存在的问题是新奥法的理论基础是当时的岩石力学理论基础弹塑性理论，而 软岩流变性等问题己超出了弹塑性问题所能解决的范围，所以需进一步完善。 1 绪论 3 1.2.2 国内巷道围岩控制及支护理论研究现状 巷道围岩控制的基本目的和任务在于提高巷道的稳定性，围岩应力、围岩性质和围 岩支护是决定巷道稳定性的基本因素。随着煤炭生产的发展，科学技术的进步，我国巷 道围岩控制经历了三个阶段。 （1） 煤柱护巷和刚性支护为特征的巷道围岩控制阶段50 年代 新中国建立初期，随着采煤方法的改革，长壁式采煤体系形成，我国煤矿巷道围岩 控制技术也得到了相应的发展。但是限于矿山压力规律的认识水平，巷道主要靠煤柱护 巷，同时，巷道的支护主要是采用刚性支护。尤其是煤柱护巷的厚煤层巷道，由于支架 的承载能力小和支护性能差，巷道受采动影响后，支架都遭到严重破坏，巷道维护十分 困难，直接影响到矿井的顺利生产。 （2） 改革巷道布置以及发展金属支架为特征的巷道围岩控制阶（60～70 年代） 从 60 年代以后，我国对开采引起的围岩应力重新分布的客观规律进行了仔细的研 究，将巷道布置在应力降低区或者稳定的岩层中，以避免支承压力的强烈影响。在巷道 支护上开始采用 U 型钢可缩性支护， 使得巷道围岩控制得到了改善， 有效的促进了煤炭 的安全生产和发展。 （3）利用围岩的自承能力和采用先进的支护技术为特征的巷道围岩控制阶段（80 年代以后到现在） 中国学者朱浮声、郑雨天[1 ～3]的研究表明当锚杆预拉力达到 60- 70kN 时，就可以有 效控制巷道顶板的下沉量，并通过加大锚杆的间排距，减少锚杆使用量。 候朝炯 [4]、何满潮[5]、董方庭[6]等对复杂条件下巷道预应力锚杆锚固技术及锚固机 理进行了全面系统的研究，形成了一套完整的锚杆支护体系。同时，锚杆支护和无煤柱 护巷的广泛应用使得我国煤矿巷道围岩控制技术达到了一个更新的水平，我国重点煤矿 1992 年锚杆支护的巷道占总巷道量的 40％，锚喷支护已经在很大的程度上取代了传统 的料石砌碹成了我国煤矿基本巷道支护形式， 同时在采动影响的巷道中锚杆支护经过试 验也取得了很大的进展。锚杆支护和无煤柱护巷技术的应用大大的提高了煤矿的经济效 益。 我国国内在受采动影响（高应力集中区）的巷道的维护方面的理论是随着巷道围岩 控制的发展和煤炭开采技术的进步不断发展起来的。随着对巷道矿压规律认识的不断深 入，巷道支护形式由以前的刚性支护逐步向柔性或可缩性过渡。 陆家梁、冯豫、郑雨天、朱效嘉等在结合软岩实际，灵活运用新奥法理论，提出了 “联合支护理论”。其基本观点可以概括为对于高应力集中区巷道的支护，一味的追求 加强刚度是很难凑效的，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。由此基础上发 展起来的支护形式就有锚喷网支护、锚喷网架支护、锚带喷架等联合支护技术。 西安科技大学工程硕士学位论文 4 近年来，中国矿业大学的董方庭[6]等提出了松动圈理论。该理论认为凡是裸体巷 道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但是并不需要支 护；松动圈越大，收敛变形越大，支护难度越大。因此，松动圈理论认为，支护的目的 在于防止松动圈发展过程中产生的有害的变形。 在此基础上，董方庭将围岩分为六类 Ⅰ、稳定围岩 松动圈 0～40cm Ⅱ、较稳定围岩 松动圈 40～100cm Ⅲ、一般围岩 松动圈 100～150cm Ⅳ、软岩 松动圈 150～200cm Ⅴ、较软围岩 松动圈 200～300cm Ⅵ、极软围岩 松动圈＞300cm 综上所述，前面所提到的各种国内外的巷道围岩控制以及支护理论，大都是从定性 的角度对巷道围岩的控制和支护上进行了论述，在定量方面的研究仍然较少，并且上述 的研究只是针对一般软岩巷道支护而言，而对在采动影响下的高应力集中区内巷道的支 护的研究却较少。 1.2.3 急倾斜煤层分段开采国内外研究现状 吴绍倩、石平五[7]认为，急倾斜水平分段放顶煤工作面较短，在煤层顶底板的挤压 作用下沿工作面方向形成拱结构， 拱的平衡是暂时的。 运用弹性力学古典狭长薄板理论， 建立了急斜水平分段放顶煤开采顶板变形力学模型，分析了其变形特征及破断规律。得 出了煤层倾角、水平分段高度对顶板变形的影响关系曲线，给出了顶板破断的判据。 邓广哲 [8]对急倾斜煤层放顶煤开采矿压显现规律做了大量的研究， 通过现场实测详 细分析了急倾斜煤层开采沿工作面走向以及沿工作面倾向的矿压显现规律，并采用模拟 的方法对所得结果进行了实验室验证。提出工作面矿压显现的特殊性取决于上覆岩层形 成的拱结构特征。 黄庆享[9]在对急斜水平分段放顶煤开采的研究中，认为顶煤破断主要发生于工作面 煤壁附近，顶煤是在悬伸一定长度后才破断的，建立了顶煤弹性深梁力学模型，并分析 了煤体的破坏形式主要为剪切破坏及煤体发生破坏的条件，还通过分析段高与控顶距的 不同取值，揭示了急斜水平分段放顶煤开采架前冒顶的机理。 刘耀明、仇安东、谢飞鸿[10]等针对急倾斜综放面煤体坚硬、节理裂隙不发育、煤层 厚度大及顶板比较坚硬的实际状况,提出了在顶煤中布置一条专用于预爆破的工艺巷,在 工艺巷内向上部顶煤布置钻孔,进行深孔爆破,以此改变顶煤的整体力学性能,使顶煤弱化, 达到了提高顶煤采出率的目的。 敖建锋、 吴侃[11]指出由于沉陷预计常用的方法对于急倾斜煤层开采的沉陷预计具有 1 绪论 5 一定的局限性,预测结果与实测数据相差较大,难以符合实际生产要求。因此,通过比较实 测下沉曲线与等效煤层的概率积分法预计曲线,推导出一套适合概率积分法预计的急倾 斜煤层开采下沉预计参数,为急倾斜煤层下沉预计工作的简化提供了基础。 祁昊、薛娜、周连春、张世明[12]针对神华包头矿业公司阿刀亥矿综放开采回采率低 的问题,通过理论分析及现场试验,研究探讨了急倾斜特厚煤层顶煤损失的原因。对于顶 煤损失具有必然性、 可控性和控制局限性等客观事实,提出了提高急倾斜特厚煤层综放回 采率的有效措施和途径。 闫少宏[13]利用杆的有限变形理论来分析急斜煤层开采上覆岩层的变形特性， 建立了 顶板的“弹性基础上的双固支岩梁”力学模型，阐述了覆岩在任一瞬时的弯矩分布特点及 获得变形曲线的方法。 宋元文[15]依据岩板理论认为工作面悬露岩顶只有在推进方向和倾斜的悬长都达到 各自的破断极限跨度时，才会显现老顶来压，而且沿倾斜向下延深，每隔一个周期来压 高差将出现一个周期来压分段。在周期来压分段内，工作面沿走向每隔一定距离将出现 老顶周期来压显现。从工作面顶板侧向底板侧，来压影响逐渐减弱，且有滞后现象。 1.2.4 煤岩体注水软化技术国内外研究现状 随着放顶煤技术的发展，使用范围逐渐扩大，目前放顶煤开采通过采取煤层注水、 超前预爆破等顶煤弱化辅助手段成功地应用于坚硬煤层中。煤层注水在开采中除能软化 煤体外，还能起到防尘、防火及防瓦斯突出等综合效果。对于坚硬顶板注水的研究及应 用我国处于世界领先地位。 邓广哲 [16,17]运用水压致裂法和 Griffith 理论，对地应力场中岩体孔壁水压诱致裂缝 扩展过程进行了分析，将孔隙压力作用下孔壁裂纹的扩展过程分为 3 个阶段，即孔壁破 裂、 第二次扩展、 第三次破裂扩展阶段； 且不同的破裂阶段分别对应着不同的水力