教学二矿软煤巷道围岩稳定性与支护技术研究.pdf

硕士学位论文 教学二矿软煤巷教学二矿软煤巷道道围岩稳定性围岩稳定性 与支护技术研究与支护技术研究 申请人姓名 李中华 指导教师 魏锦平 副教授 专业名称 采矿工程 研究方向 巷道矿压及其控制 河南理工大学能源科学与工程学院 二○○九年六月十日 万方数据 I 中图分类号中图分类号TD353.6 密密 级级公开公开 UDC622 单位代码单位代码10460 教学二矿软煤巷道围岩稳定性 与支护技术研究 Study on stability of surrounding rock of soft coal roadway and supporting technology in Jiaoxue No.2 coal mine 申请人姓名申请人姓名 李中华李中华 申 请 学 位申 请 学 位 工学工学硕士硕士 学 科 专 业学 科 专 业 采矿工程采矿工程 研 究 方 向研 究 方 向 巷道矿压及其控制巷道矿压及其控制 导师导师 魏锦平魏锦平 职称职称 副副教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2009.12 答 辩 日 期答 辩 日 期 2009.12 河南理工大学 万方数据 II 万方数据 I 河南理工大学河南理工大学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他 个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、 使用学位论文的规 定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅， 允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描 或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。保密的学位论文在解密后适用本授权书。 学位论文作者签名学位论文作者签名 指导教师签名指导教师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 III 致谢致谢 自 06 年入学至今已经在能源学院生活了三年，对学院很有感情，因为学院 给予我很多很多，尤其是导师魏锦平教授，在学习和生活上给予很大帮助，在此 我表示衷心的感谢 在本论文的选题、构思的过程当中，得到了魏老师的精心指导和热情帮助； 在岩石力学性质测定的实验过程中，苏承东高级工程师给予了直接指导，并提出 了一些很好的建议； 在实验过程中得到师弟桑培淼、 张明建、 李宗岑的大力帮助， 在此深表感谢；同时感谢同学王文、王永龙、王大顺等同学提供的无私帮助。 感谢勾攀峰教授、李化敏教授、郭文兵教授、郜进海教授、孙玉宁教授、刘 少伟副教授在论文修改过程中，给了我很多宝贵的建议。 感谢我的父母 漫漫求学路上， 是他们一直默默支持着我， 让我无后顾之忧， 在此深表感谢，以后会努力工作回报二老。 感谢能源科学与工程学院对我的培养， 感谢所有老师对我的教导和生活中给 予的帮助 感谢文中所引用文献的各位著、编、译者。 最后，向审阅论文的专家致以深深的谢意并恳请各位专家和老师多提宝贵 意见 李中华 2009 年 12 月 10 日 万方数据 I 摘摘 要要 随着煤矿开采深度的不断增加，软煤巷道支护难的问题表现得越来越明显。 本文通过实验研究、数值模拟和工业性试验，对郑煤集团教学二矿二1煤中厚煤 层煤巷合理布置与支护技术进行研究。二1煤顶板岩层为中粒砂，裂隙发育，底 板为砂质泥岩，巷道围岩属于Ⅳ类不稳定围岩；通过巷道沿顶布置与沿底布置时 围岩位移、应力和塑性区变化规律的对比，得出巷道沿底布置优于沿顶布置，巷 道上部中间部位及两帮下角为控制重点；巷道沿底布置与沿顶布置相比，顶底板 移近量减小 18.2，帮部位移最大值减小 2.4，底鼓量减小 60，锚杆锚索 加网联合支护可以有效地控制巷道变形。 工业性试验表明， 巷道沿煤层底板布置， 锚杆间排距 800 mm800 mm，锚索间排距 1600 mm800 mm，锚索三花式布 置，局部加棚，可以有效地控制巷道围岩稳定性。 关键词关键词软煤，围岩，稳定性；支护； 万方数据 II 万方数据 III Abstract With the constant increase of the mining depth, it is difficult to support the soft coal roadway. Through experimental research, numerical simulation and industry practice, reasonable arrangement and support technology for roadway in the thick soft seam in Jiaoxue No.2 Coal Mine were studied in this paper. The coal seam roof is made of medium sandstone. The floor which has relatively growing fracture is made of sandy mudstone. The roadway surrounding rock belongs to type Ⅳ, which means the surrounding rock is unstable. The displacement, stress and plastic zone of surrounding rock were analyzed when the roadway was driven along roof and along floor. It is shown that the center of roadway top and the floor corners are the key points to control, and the roadway along floor is better than along roof. Compared with the roadway along roof, the roof-to-floor convergence reduces by 18.2, the side-to-side convergence reduces by 2.4 and the floor heave reduces by 60. In the industrial practice, the roadway was arranged along floor, and the compound supporting system consisting of bolt, cable, mesh and steel shed was used. The bolt spacing and cable spacing were 800 mm 800 mm and 1600 mm 800 mm, respectively. The surrounding rock was effectively controlled. . Keywords soft coal, surrounding rock, stability; support 万方数据 IV 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ....................................................................................................................................................... I 目 录 ..................................................................................................................................................... V 1 绪论绪论 ................................................................................................................................................... 1 1.1 引言 ............................................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................................... 1 1.2.1 煤巷锚固技术发展现状 ...................................................................................................... 1 1.2.2 煤巷围岩稳定理论研究现状 .............................................................................................. 2 1.2.3 煤巷围岩锚固机理研究现状 .............................................................................................. 4 1.3 问题的提出 ............................................................................................................................... 6 1.4 研究内容和技术路线 ............................................................................................................ 6 1.4.1 研究内容 ............................................................................................................................... 6 1.4.2 研究方法与技术路线 ........................................................................................................... 6 2 二二1煤层软煤巷道围岩质量评价煤层软煤巷道围岩质量评价 ............................................................................................ 9 2.1 巷道围岩物理力学性质 ...................................................................................................... 9 2.1.1 采样地点及实验设备 .......................................................................................................... 9 2.1.2 岩石物理力学参数测定结果汇总 ................................................................................... 10 2.2 岩体力学参数的确定 ......................................................................................................... 12 2.3 基于模糊综合评判的巷道围岩稳定性分类研究 ..................................................... 14 2.3.1 概述 ...................................................................................................................................... 14 2.3.2 巷道稳定性模糊综合评判数学模型 ................................................................................ 15 2.3.3 巷道稳定性类别的预测方法 ............................................................................................ 16 2.4 二1煤巷道围岩稳定性分类结果 ................................................................................... 22 2.5 支护形式及参数选择 .......................................................................................................... 24 2.6 小结 ........................................................................................................................................... 25 3 二二1煤层软煤巷道巷支护数值模拟研究煤层软煤巷道巷支护数值模拟研究 ........................................................................... 27 3.1 概述 .......................................................................................................................................... 27 3.1.1 数值模拟方法概述 ............................................................................................................ 27 3.1.2 FLAC 原理介绍 .................................................................................................................. 27 3.1.3 FLAC3D 的特点 ................................................................................................................. 29 万方数据 VI 3.1.4 FLAC 数值模拟方法在采矿工程中的应用 .................................................................... 30 3.2 数值分析 ................................................................................................................................. 31 3.2.1 模拟目的 ............................................................................................................................ 31 3.2.2 构建模型 ............................................................................................................................ 31 3.2.3 岩体参数及边界条件 ......................................................................................................... 33 3.2.4 支护材料及参数 ................................................................................................................ 34 3.2.5 结果分析 ............................................................................................................................ 35 3.3 结论 .......................................................................................................................................... 46 4 二二1煤层软煤巷道锚固支护相似模拟研究煤层软煤巷道锚固支护相似模拟研究 ...................................................................... 47 4.1 引言 .......................................................................................................................................... 47 4.2 相似模拟试验理论概述 .................................................................................................... 47 4.2.1 相似三定理 ........................................................................................................................ 47 4.2.2 相似准则 ............................................................................................................................ 48 4.3 相似材料模拟试验设计 .................................................................................................... 49 4.3.1 试验的目的 ........................................................................................................................ 49 4.3.2 相似材料的选取 ................................................................................................................ 49 4.3.3 原型地质条件 .................................................................................................................... 49 4.3.4 模型尺寸及合理性分析 ................................................................................................... 50 4.3.5 模型架及相似系数的确定 ............................................................................................... 50 4.3.6 相似模型材料用量 ............................................................................................................ 51 4.3.7 模型的制作 ........................................................................................................................ 53 4.3.8 支护条件 ............................................................................................................................ 54 4.3.9 模型的加载 ........................................................................................................................ 54 4.3.10 模型测点布置与观测 ..................................................................................................... 55 4.4 模拟试验结果分析 .............................................................................................................. 56 4.5 小结 .......................................................................................................................................... 62 5 现场工业性试验现场工业性试验.......................................................................................................................... 65 5.1 支护方案的确定 .................................................................................................................. 65 5.1.1 锚杆支护参数的合理选择 ............................................................................................... 65 5.1.2 支护方案 ............................................................................................................................ 67 5.2 施工工艺 ................................................................................................................................. 68 万方数据 VII 5.2.2 帮锚杆施工工艺 ................................................................................................................ 69 5.2.3 小孔径预应力锚索施工工艺 ........................................................................................... 69 5.3 矿压监测 ................................................................................................................................. 69 5.3.1 巷道表面位移测量 ............................................................................................................ 70 5.3.2 深部围岩位移及顶板离层 ............................................................................................... 74 5.4 小结 ...................................................................................................................................... 76 6 结论结论 ................................................................................................................................................. 77 参考文献 ............................................................................................................................................. 79 作者简历作者简历 ............................................................................................................................................. 83 学位论文数据集学位论文数据集 .............................................................................................................................. 85 万方数据 1 绪 论 1 1 绪论绪论 1.1 引言 巷道作为煤矿井下生产的脉络，每年巷道掘进维护达千万米，其中煤巷（包 括煤-岩巷）的数量占巷道总进尺的 7080，且大多都是回采巷道。煤巷与岩巷 相比，主要的不同点体现在巷道位置一般不容选择，巷道围岩强度较低，巷道断 面一般为矩形、梯形或不规则四边形，巷道服务年限短（一般不超过 3 年） ，且巷 道一般都受到回采工作面的采动影响，矿压显现剧烈。我国已探明的煤炭储量中， 埋深在 1000 m 以下的为 2.95 万亿吨， 占煤炭储量的 53[1]。 随着煤矿开采的延深， 围岩在高应力作用下表现出明显的软岩特性，给巷道围岩支护带来了新的难题。 在采矿过程中，锚杆支护技术以其显著的经济效益，已经受到了广泛的重视 和应用，它代表了煤矿巷道支护技术的发展方向。锚杆支护与传统金属支架支护 相比具有较大的优势，它可以在很大程度上改善围岩稳定状况，减轻工人劳动强 度，降低巷道支护成本，减少巷道维修费用，简化回采工序，为采煤工作面快速 推进、实现安全高效创造有利条件[2]。 锚杆支护技术在围岩稳定条件较好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类巷道中取得了显著的技术 经济效益，越来越受到广泛的重视和应用。但是在围岩松软和受采动影响的Ⅳ、 Ⅴ类煤巷中，锚杆支护率还很低，因此在围岩松软的Ⅳ、Ⅴ类煤巷中推广应用锚 杆支护是进一步实行矿井巷道支护改革的重点和难点。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 煤巷锚固技术发展现状 煤巷围岩控制技术已经有很长的发展历史，不同形式及内容的试验、实测及 研究非常活跃。在巷道布置、巷道保护、巷道卸压以及巷道锚固、支护与监测等 各个方面成果颇丰。其中，新奥法促进了人们对巷道围岩矿压显现机理的认识， 为锚杆支护技术的提高及使用范围的扩大做出了重大贡献；德国学者提出的大断 面预留量可缩性支护方式标志着对回采巷道矿压特征及其控制原理的本质性突破 [3]。 从 19 世纪末期英国北威尔士露天页岩矿首次应用锚杆加固边坡起，锚杆支护 方法被逐渐应用于水利、交通、矿山等岩土工程领域。由于锚固技术能够改变围 岩的力学性质，带来传统支护方式无法比拟的技术经济效益，所以在国际上得到 了迅速发展和广泛应用。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 1912 年，德国谢列兹矿最先将锚杆支护技术应用于地下巷道围岩控制。20 世 纪 40 年代，锚杆支护技术开始在西方发达国家得到系统的试验研究，20 世纪 50 年代开始在世界许多国家的矿山、交通领域的地下工程中广泛应用。 美国于 20 世纪 50 年代初即已大量使用锚杆支护技术，特别是在煤矿巷道围 岩控制中应用尤为广泛。近年来，锚固技术成为煤矿巷道围岩控制的主要形式。 法国煤矿巷道围岩控制中，2/3 以上采用锚杆支护。前苏联 20 世纪 70 年代的煤矿 巷道锚杆支护技术已达到巷道总进尺的 10以上。 20 世纪 80 年代英国国家煤炭公 司则将锚杆支护技术的推广应用作为扭转危机的主要策略之一，只用短短数年的 时间就使锚杆支护的比例达到了 80以上，取得了极大的成功。 我国的锚杆支护技术的应用研究始于 1956 年[4]，首先在煤炭、冶金系统的地 下工程下工程领域试验锚杆支护技术，以后逐渐发展到铁道、水电、军工系统， 取得了很大成就，仅 19751980 年期间，全国煤矿采用锚杆支护的巷道就累计达 6018 km。 我国煤巷围岩锚固技术研究应用虽然在 20 世纪 50 年代就已起步，但由于各 种因素的制约， 到 20 世纪 80 年代中期煤巷锚杆支护率仍仅在 34徘徊。 因此， 相关部分将推广煤巷锚杆支护作为巷道支护列入重要的议事日程，并作为重要的 科研攻关项目。目前煤巷围岩的锚杆支护率从全国来讲还比较低，仅为 40，与 发达国家相比仍有一定的差距[5,6]。 原全国统配煤矿 1997 年煤巷锚杆支护率也不过 20，地方煤矿、乡镇煤矿煤巷锚杆支护率更低，有不少矿井锚杆支护还是空白， 特别是在深部开采及松软围岩条件下，煤巷围岩锚固技术仍然任重而道远。应及 时总结与提高目前煤巷锚固技术，以迎接煤巷围岩锚固支护技术即将面临的机遇 与挑战。 1.2.2 煤巷围岩稳定理论研究现状 巷道支护的作用体是围岩，支护体不可能脱离围岩单独存在。为了确定煤巷 合理的支护方式，国内学者对巷道围岩的稳定性进行了深入的研究，典型的软岩 巷道支护理论有 1锚杆围岩强度强化理论[7-9]。侯朝炯、勾攀峰深入地进行了锚杆支护控制围 岩稳定的实验室及理论研究，提出锚杆与围岩相互作用组成锚固体，锚杆可改善 锚固体力学参数，提高锚固体的强度，使围岩强度，特别是峰后强度和残余强度 得到强化，形成共同承载结构，充分发挥围岩自承载能力。 万方数据 1 绪 论 3 2轴变论理论[10]。该理论认为巷道围岩破坏是由于应力超过岩体强度极