跨采底板巷道围岩稳定性预计与控制技术研究.pdf

分类号TD32 分类号TD32 密 级 公 开 密 级 公 开 U D C U D C 单位代码 10424 单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 跨采底板巷道围岩稳定性预计 与控制技术研究 跨采底板巷道围岩稳定性预计 与控制技术研究 李李 烨烨 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名吴吴 士士 良良 职职 称称教教 授授 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二零一二年六月二零一二年六月 论文题目论文题目 跨采底板巷道围岩稳定性预计跨采底板巷道围岩稳定性预计 与控制技术研究与控制技术研究 作者姓名作者姓名 李李 烨烨 入学时间入学时间 2009年年9月月 领域名称领域名称 采矿工程采矿工程 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 吴士良吴士良 职职 称称 教 授教 授 论文提交日期论文提交日期2012 年年 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期2012 年年 6 月月 12 日日 授予学位日期授予学位日期2012 年年 6 月月 STUDY ON STABILITY FORECAST AND SURROUDING ROCK CONTROL OF THE ROADWAY IN CROSS MINING A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Li Ye Supervisor Professor Wu Shiliang College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2012 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文， 除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名 日 期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Engineering in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘 要 摘 要 目前，我国对于跨巷开采的理论研究尚不完善，主要表现为跨采底板巷道围岩稳定 性的预计方法可靠性不高，底板巷道围岩控制方案的选取存在较大的盲目性。煤矿实际 生产中依然过多的依赖“工程类比法”和实际开采经验，缺乏科学的理论指导，不利于 矿井安全生产。 本论文从“巷道围岩整体强度”和“围岩应力”2 个方面对已知的跨采影响因素进 行了分类，采用 FLAC 3D 数值模拟和正交实验相结合的方法，定量分析了底板巷道埋 深、巷道围岩初始稳定性和距上部煤层垂距 3 个主要因素对跨采底板巷道围岩变形的影 响。通过对实验样本模拟结果采用方差分析“F 检验”可知，巷道围岩初始稳定性 f 是 跨采底板巷道围岩变形最显著的影响因素，其影响权重是巷道埋深 H 和垂距 Z 的 2 倍， 。并将“埋深300m、垂距16m和巷道围岩初始不稳定”的跨采模型定 义为“临界模型” ，该模型处于跨采底板巷道围岩失稳与否的临界状态。根据以上研究成 果，建立了跨采底板巷道围岩稳定性预计的新方法“三因素法” 。 ZHf FFF22 对蒋庄煤矿3下710工作面顺跨开采实际工程案例进行了可行性的预计，预计2条 底板大巷会受到明显的跨采采动影响，对底板大巷加固区域和等级进行了详细的划分。 采用数值模拟和理论分析相结合的方法，设计并优选出“锚索注浆”方案对2条底板 大巷进行分区域、分类别加固。同时，从“降低底板巷道围岩应力”方面探索出跨采巷 道围岩控制的新措施“工作面煤体超前注水法” ，并进行了一定的尝试。710工作面开采 过程中，对2条底板大巷进行了系统的矿压实测，验证了跨采巷道围岩稳定性预计的准 确性和巷道围岩控制的合理性。同时，进一步提高了对顺跨开采底板巷道围岩变形规律 的认识。 关键词关键词跨巷开采，围岩稳定性预计，三因素法，巷道围岩控制，矿压监测 山东科技大学硕士学位论文 摘要 Abstract At present, the study on cross mining in our country is not perfect yet, the main defects are the reliability of the surrounding rock stability of is not high, and the surrounding rock control selection is still in the big blindness. Coal mine in practical production is still too much depend on “engineering analogy “ and the actual mining experience, lack of scientific theoretical guidance, go against the safety production. The classification of the known cross mining affecting factors bases on “surrounding rock overall intensity“ and “surrounding rock stress“ two aspects in this paper. By FLAC 3D numerical simulation and the orthogonal experiment of combining the quantitative analysis of roadway floor buried depth, the surrounding rock from the initial stability and the upper coal seam offset three main factors on the cross in the surrounding rock bottom of the deation of the influence. Through experiment sample simulation results variance analysis “F-test“, it is known that the initial stability of surrounding rock is in bottom F across the surrounding rock deation of the most significant influence factors, the effect weight is buried deep roadway H and offset Z 2 times, and will “buried depth of 300 m, the offset 16 m and surrounding rock initial unstable“ cross in model definition for “critical model“, this model in a cross in the surrounding rock bottom instability or not the critical state. According to above research achievements, set up by the stability of surrounding rock roadways across the floor is expected to the new approach, “ Three-Factor “. To JiangZhuang 710 working face of 3F coal seam across the mining of the actual project cases the feasibility uation, article 2 is expected to Roadway will be remarkably floor across dynamic influence, and the bottom Roadway reinforcement area and levels, the division of the detailed. The numerical simulation and theory and the of combining the analysis, design and optimization out “anchor grouting“ scheme to article 2 Roadway floor for division, strengthening regional classification dont. At the same time, from “reduces the surrounding rock bottom stress“ exploring across the surrounding rock by the control of the new measures “coal mining face advanced water injection “, and a certain try. 710 face in the process of mining, the article 2 Roadway floor the system is mine pressure measurement, 山东科技大学硕士学位论文 摘要 verified by the stability of surrounding rock roadways across the accuracy and surrounding rock is expected to control of rationality. At the same time, improve the mining of the surrounding rock bottom across the understanding of the deation law. Keywords Cross mining, stability forecast, three-factor , surrounding rock control, mine pressure monitoring 山东科技大学硕士学位论文 目录 目 录 目 录 1 绪 论........................................................11 绪 论........................................................1 1.1 课题的提出及意义......................................................................................................1 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................1 1.3 主要研究内容及技术路线..........................................................................................3 2 跨巷开采工程概况及面临的技术难题 .............................62 跨巷开采工程概况及面临的技术难题 .............................6 2.1 蒋庄煤矿710工作面跨采概况..................................................................................6 2.2 跨巷开采的认识..........................................................................................................9 2.3 跨采理论研究的不足................................................................................................11 2.4 顺跨开采的技术复杂性............................................................................................12 2.5 跨巷开采理论的研究方向........................................................................................12 2.6 本章小结....................................................................................................................13 3 跨采巷道围岩稳定性预计方法的新探索 ..........................143 跨采巷道围岩稳定性预计方法的新探索 ..........................14 3.1 跨采底板巷道变形机理分析....................................................................................14 3.2 跨采巷道稳定性预计的主要研究内容....................................................................15 3.3 跨采巷道围岩稳定性预计的“三因素法”............................................................16 3.4 本章小结....................................................................................................................30 4 跨采巷道围岩稳定性预计方法的实际应用 ........................314 跨采巷道围岩稳定性预计方法的实际应用 ........................31 4.1 “三因素法”预计....................................................................................................31 4.2 数值模拟预计............................................................................................................34 4.3跨采巷道围岩稳定性预计结果.................................................................................46 4.4底板巷道加固的必要性和加固范围讨论.................................................................46 4.5 本章小结....................................................................................................................48 5 跨采底板巷道围岩加固技术研究 ................................495 跨采底板巷道围岩加固技术研究 ................................49 5.1 底板巷道围岩控制方法............................................................................................49 5.2 底板巷道加固形式设计............................................................................................49 I 山东科技大学硕士学位论文 目录 5.3 加固方案设计............................................................................................................58 5.4 底板大巷围岩加固实施方案....................................................................................59 5.5 本章小结....................................................................................................................60 6 跨采底板巷道围岩控制方法的新探索 ............................626 跨采底板巷道围岩控制方法的新探索 ............................62 6.1 降低跨采底板巷道围岩应力的方法........................................................................62 6.2 假设方案可行性的验证............................................................................................63 6.3 “超前注水软化法”在跨采中的应用探索............................................................63 6.4 本章小结....................................................................................................................65 7 顺跨开采底板巷道矿压显现规律研究 ............................667 顺跨开采底板巷道矿压显现规律研究 ............................66 7.1监测方案.....................................................................................................................66 7.2 底板巷道矿压监测结果............................................................................................67 7.3理论预计的验证及加固效果的评价.........................................................................76 7.4 本章小结....................................................................................................................76 8 主要结论....................................................788 主要结论....................................................78 致 谢.........................................................80致 谢.........................................................80 参考文献......................................................81参考文献......................................................81 攻读硕士期间的主要研究成果....................................86攻读硕士期间的主要研究成果....................................86 II 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 Introduction1 1.1 Raising of Project and Research Significance1 1.2 Current Research Situation of Domestic and Oversea....1 1.3 Main Research Contents and s3 2 Across the lane project survey and mining face technical difficult problem6 2.1 Situation of 710 working face of 3F coal seam cross-mining in Jiangzhuang Mine6 2.2 Understanding of Cross-Lane mining9 2.3 The deficiency of the Cross-mining theoretical study11 2.4 Complex technology of Along Cross mining12 2.5 Research direction of Cross mining theoretical study12 2.6 Conclusion13 3 New exploration of surrounding rock stability of cross-mining roadway prediction 14 3.1 Analysis of deation mechanism of cross-mining floor roadway14 3.2 Main research contents of surrounding rock stability of cross-mining roadway prediction 15 3.3 “Three-factor ” of surrounding rock stability of cross-mining roadway prediction 16 3.4 Conclusion30 4 Practical application of the stability of surrounding rock roadways in across mining predict 31 4.1 Prediction of “Three-factor ” 31 4.2 Prediction of numerical simulation34 4.3 uation of Jiangzhuang mine surrounding rock stability of cross-mining roadway46 4.4 Reinforcement of necessity and scope discussion of the Bottom roadway46 4.5 Conclusion48 5 Strengthening design of Jiangzhuang mine cross-mining floor roadway49 5.1 Control of surrounding rock of floor roadway49 5.2 Strengthening design of floor roadway49 5.3 Design of strengthening scheme58 III 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 5.4 Implementing scheme of surrounding rock of floor main roadway Strengthening59 5.5 Conclusion60 6 New exploration to surrounding rock controlling of cross-mining floor roadway62 6.1 of decrease the surrounding rock stress of cross-mining floor roadway62 6.2 The feasibility of verification63 6.3 The applied exploration of ”Leading injection softening” in cross-mining63 6.4 Conclusion65 7 The ground pressure measured of 710 face Along Cross mining floor roadway66 7.1 Monitoring scheme66 7.2 Ground pressure monitoring results of floor roadway67 7.3 Theoretical predictions verification an reinforcement effect uation76 7.4 Conclusion76 8 Main Conclusions.78 Thanks80 Main Reference Documents..81 Main Work Achievement of the Author during Studying on Master Paper.86 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 绪绪 论论 1.1 课题的提出及意义课题的提出及意义 煤矿实际生产中， 实行跨巷开采不仅可以提高矿井煤炭采出率、 避免煤炭资源浪费； 还可使所跨的底板巷道处于应力降低区，有利于巷道的长期维护[1,6,8]。然而跨巷开采同 样要面临极大的风险，上部工作面开采会对底板巷道产生强烈的采动影响，极易导致底 板巷道围岩严重失稳。因此，跨巷开采前必须进行严密的论证。 然而我国对跨巷开采的理论研究尚不完善，主要表现在不能对跨巷开采方案进行科 学准确的预计和评价，底板巷道的围岩控制方法也存在极大的盲目性。因此，煤矿实际 生产中依然过多的依赖“工程类比法”和实际开采经验，缺乏科学的理论指导，不利于 矿井安全生产[6-16]。 蒋庄煤矿在进行3下710工作面回采时就面临了这样的难题。通过调研可知，3下 710工作面需长距离顺跨底板2条重要的运输大巷开采，跨采条件极为复杂。蒋庄煤矿 缺乏长距离顺跨开采的经验， 也没有完善的跨巷开采理论进行指导， 因此跨采风险较大。 本论文以蒋庄煤矿跨采工程为例，在解决实际生产难题的同时，对跨巷开采理论进 行了系统的探究，具有重要的实际意义和极高的研究价值。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 跨巷开采是矿井生产中需经常面对难题之一，国内外众多学者对跨巷开采的理论研 究投入了大量的精力。通过大量的工程实践，已经积累了一定的工程经验。但跨巷开采 理论依然存在较多的问题，不能很好的解决跨巷开采中遇到的难题，不利于矿井安全高 效生产。 1）跨巷巷道围岩稳定性 跨巷开采围岩稳定性主要研究内容集中在巷道围岩稳定性分类、巷道支护的可靠性 预计等几个方面。最具代表性的等效性稳定性系数法认为巷道稳定性一般可采用围岩稳 定性系数sH/Rc（H垂直应力，Rc单轴抗压强度）来表示，并采用巷道围岩各点的加权 平均值s来表示巷道的稳定性[17]。 付国彬等学者通过在大型平面应变试验台上对受采动影响的深井底板岩石巷道围岩 破裂范围进行了模拟试验研究，认为底板岩巷的稳定性决定于受采动影响后的巷道围岩 1 山东科技大学硕士学位论文 绪论 破裂范围，即破裂带厚度，而围岩应力（地应力、采动影响等）和围岩强度是影响深井 巷道围岩破裂范围（稳定性）的主要因素。在采深一定的条件下，当巷道距煤层底板距 离Z≤30m时受采动影响显著；而当Z30m受岩性即围岩强度的影响显著。 刘传孝研究了7种围岩结构形式巷道在不同跨采应力环境中的松动圈发育规律，发 现不同围岩结构组成形式对采动巷道围岩松动圈的最终发育形态和程度具有重要影响。 通过几十年的研究， 普遍认识到跨采底板巷道围岩稳定性的影响因素有 跨巷方向、 工作面与巷道的垂距、地下水、煤层（岩层）倾角、 断层和褶曲、开采深度、采动地压、 煤层厚度、 巷道的围岩岩性和支护技术等， 其中决定性因素是工作面与巷道垂距即岩柱、 底板岩性特征和巷道的支护方案[11-17]。 目前跨采巷道围岩稳定性的研究取得了一定的成果，但依然处于定性研究的阶段， 难于对实际跨采方案的可行性做出准确的预计。 2）跨采巷道围岩控制理论 目前巷道围岩控制理论主要有奥地利工程师 Rabcewicz 提出的新奥法（NATM） ， 冯豫