浅埋煤层护巷煤柱稳定性与锚杆支护技术研究.pdf

分类号 U D C 学校代码 密级 博士学位论文 浅埋煤层护巷煤柱稳定性与 锚杆支护技术研究 8 3 31 1 S t u d yo ns t a b i l i t yo fc o a lp i l l a ra n dr o c kb o l t i n gt e c h n o l o g yf o r e n t r i e si ns h a l l o wb u r i e dc o a ls e a m s 导 研究方向 培养单位 煤炭科学研究总院 2 0 12 年5 月 煤炭科学研究总院学位论文独创性声明和使用授权声明 姓名 培养 论文 密级 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写 的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 学位论文使用授权声明 本人完全了解煤炭科学研究总院关于收集、保存、使用学位论文的规定。本 人愿意按照总院的要求提交学位论文的印刷本和电子版。 总院有权保留学位论文印刷本和电子版，或采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；总院有权将论文放入总院档案管理部门供查阅。在不以营利 为目的的前提下，总院有权向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版。总院有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。总院有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的论文在解密后遵守此规定。 导师 签名 加／2 年易月I 论文作者c 签名，f 争季‘巳荦／ 一酽日 、、～ 1 、，}月铲∞，，l ，年 2 叫2 ＼，名签者作文沦 煤炭科学研究总院博士学位论文 摘要 本文以伊泰集团宝山煤矿浅埋煤层回采工作面与巷道为工程背景，采用实验室试 验、理论分析、数值模拟及井下试验与监测相结合的方法，对浅埋煤层回采工作面护 巷煤柱力学作用机理、煤柱承载能力、煤柱设计方法、工作面滞后三角区巷道项板垮 落规律及巷道锚杆支护形式与参数进行了深入、详细的研究。 论文主要研究内容包括5 个方面 1 通过实验室实验研究不同宽高比和完整性 对煤柱力学行为的影响 2 通过数值模拟和理论分析，研究实验室单轴加载条件下 煤柱的力学响应行为，分析影响煤柱力学性能的各种主要因素 3 建立大规模长壁 工作面开采三维数值模型，模拟开采过程中整个工作面的应力和位移变化过程，分析 煤柱加载过程，提出煤柱优化设计方案； 4 建立长壁工作面滞后三角区巷道顶板垮 落模型，分析和解释滞后垮落三角区的形成原因和力学作用机理，探讨通过改变支护 参数控制滞后垮落三角区范围的可行性； 5 选择典型巷道，进行煤柱尺寸优化与锚 杆支护技术井下试验，监测巷道围岩变形与支护体受力，工作面后方巷道顶板垮落状 况，评价支护效果，提出适合宝山煤矿浅埋煤层护巷煤柱尺寸及锚杆支护优化设计。 通过论文研究得到以下主要结论 1 对于完整性较好的煤样，单轴抗压强度随 着宽高比增加而提高，对于完整性较差的煤样，单轴抗压强度不会随着宽高比增加而 提高； 2 煤柱宽高比和顶底板接触面的摩擦角是影响煤柱强度的主要因素，二者必 须同时起作用才能有效提高煤柱的强度； 3 煤柱载荷包括4 部分原岩垂直应力， 一次采动超前载荷，一次采动侧向载荷及二次采动超前载荷； 4 长壁工作面滞后顶 板垮落三角区的形成与顶板提前产生的裂隙面有关，滞后垮落三角区主要受重力控制， 可以通过改变锚杆支护参数控制其延伸范围 5 宝山煤矿井下试验巷道变形小，围 岩完整、稳定，锚杆与锚索支护效果良好，满足了煤矿生产要求；∥煤层回采工作面 护巷煤柱宽度1 2 m 比较合理。 关键词浅埋煤层；护巷煤柱；承载能力；煤柱尺寸；垮落三角区；锚杆；锚索 煤炭科学研究总院博士学位论文 A b s t r a c t T h i sp a p e rh a si n v e s t i g a t e dd e e p l ya n dt h o r o u g h l yt h ea c t i o nm e c h a n i s m so fc o a l p i l l a r s ，c o a lp i l l a rc a p a c i t y , c o a lp i l l a rd e s i g ns t r a t e g i e s i nl o n g w a l lp a n e l s ，t h ec a v i n g c h a r a c t e r i s t i c so fc a v i n g - d e l a y e dr o o ft r i a n g l ez o n e so v e rt h er o a d w a y si nl o n g w a l lp a n e l s a n dr o c kb o l t i n gp a t t e r n sa n dp a r a m e t e r s ，t h r o u g hl a b o r a t o r yt e s t s ，t h e o r e t i c a la n a l y s e s ， n u m e r i c a lm o d e l s ，u n d e r g r o u n do n s i t et e s t sa n dm o n i t o r i n g ，b a s e do nt h eb a c k g r o u n do f t h es h a l l o ws e a mi nB a o s h a nC o l l i e r y , Y i t a nG r o u p ． T h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d ef i v es u b j e c t s t h ef i r s ts u b j e c ti st h ee f f e c t so ft h e w i d t h ／h e i g h tr a t i oa n dt h ei n t e g r i t yo fc o a ls p e c i m e n so nt h ec o a lp i l l a r st h r o u g hl a b o r a t o r y t e s t s ；t h es e c o n ds u b j e c ti ss i m u l a t i n gt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h er e a lc o a lp i l l a ru n d e r t h ec o n d i t i o no fu n i a x i a ll o a d i n ga n da n a l y z i n gt h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h em e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo fc o a lp i l l a r sw i t ht h ea i do fn u m e r i c a lm o d e l sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s e s ；t h e t h i r ds u b j e c ti s s i m u l a t i n gt h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tr e d i s t r i b u t i o nd u r i n gl o n g w a l l e x c a v a t i o nb yb u i l d i n gl a r g e - s c a l et h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l so fl o n g w a l lp a n e l s ，a n a l y z i n g t h el o a d i n gp r o c e s so fc o a lp i l l a r sa n dp r o v i d i n gt h ec o a lp i l l a rd e s i g ns t r a t e g i e sa n d m e t h o d s ；t h ef o u r t hs u b j e c ti sa n a l y z i n ga n dd i s c u s s i n gt h em a i nr e a s o n sr e l a t i n gt ot h e e v o l u t i o no f c a v i n g d e l a y e dt r i a n g l e z o n e s b yb u i l d i n g an u m e r i c a lm o d e lo f c a v i n g - d e l a y e dr o o ft r i a n g l ez o n e s ，a n di n v e s t i g a t i n gt h ef e a s i b i l i t yo fc o n t r o l l i n gt h el e n g t h o ft h ec a v i n g - d e l a y e dr o o ft r i a n g l ez o n e ；t h ef i f t hs u b j e c ti so u t l i n i n gt h ep r o c e d u r e st o c a r r yo u tt h ec o a lp i l l a rs i z eo p t i m i z a t i o na n dt y p i c a lr o a d w a ys u p p o r tp r a c t i c e s ，m o n i t o r i n g t h ed e f o r m a t i o no fr o a d w a y s ，t h el o a d i n go fr o c kb o l t sa n dt h es t a t eo fc a v i n g - d e l a y e dr o o f t r i a n g l ez o n e s ，e v a l u a t i n gs u p p o r tp e r f o r m a n c eo fr o a d w a y s ，a n ds u g g e s t i n gt h er e a s o n a b l e c o a lp i l l a rs i z ea n ds u p p o r td e s i g ns t r a t e g i e sb a s e do nt h ec o n d i t i o n so fs h a l l o ws e a m si n B a o s h a nC o l l i e r y ． S o m ec o n c l u s i o n sh a v eb e e nd r a w na sf o l l o w 1 t h eu n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h s o fs p e c i m e n sw i t hg o o di n t e g r i t yi n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fw i d t h ／h e i g h tr a t i o ，w h i l et h e u n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t h so fs p e c i m e n sw i mp o o ri n t e g r i t yd on o ti n c r e a s ew i 也t h e I I 煤炭科学研究总院博士学位论文 i n c r e a s eo fw i d t h ／h e i g h tr a t i o ； 2 t h ew i d t h ／h e i g h tr a t i oa n dt h ef r i c t i o na n g l eo fi n t e r f a c e s a r et w ok e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h es t r e n g t ho fc o a lp i l l a r s ，a n di ti sn e c e s s a r yf o rt h et w o f a c t o r st oa c tt o g e t h e rt oi m p r o v et h es t r e n g t ho fc o a lp i l l a r s ； 3 t h el o a d i n g p r o c e s so fc o a l p i l l a r sd u r i n gt h es e r v i c et e r mC a nb ed i v i d e di n t ot h r e ep a r t s t h ei n - s i t uv e r t i c a ls t r e s s ，t h e f r o n ta b u t m e n tl o a dw h e nt h ef i r s tp a n e lp a s s i n g ，t h es i d ea b u t m e n tl o a dw h e nt h ef i r s tp a n e l p a s s i n ga n dt h ef r o n ta b u t m e n tl o a dw h e nt h es e c o n dp a n e lp a s s i n g ； 4 t h ee v o l u t i o no ft h e c a v i n g d e l a y e dr o o ft r i a n g l ez o n e si sd e p e n d e n to nt h ef r a c t u r e si nt h es u r r o u n d i n gr o c k m a s sa d j a c e n tt ot h eg o ba r e a ，t h es t a b i l i t yo ft h ec a v i n g - d e l a y e dr o o ft r i a n g l ez o n ei s c o n t r o l l e db yw e i g h tl o a d i n g ，a n dt h el e n g t ho ft h ec a v i n g - d e l a y e dr o o ft r i a n g l ez o n ec a nb e r e d u c e db ya l t e r i n gt h er o c kb o l t i n gp a r a m e t e r s ； 5 t h ed e f o r m a t i o no fr o a d w a y si ss m a l l ， t h es u r r o u n d i n gr o c km a s si ss o l i da n ds t a b l e ，t h es u p p o r tp e r f o r m a n c eo fr o c kb o l t sa n d c a b l e si si ng o o dc o n d i t i o nt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fB a o s h a nC o l l i e r y ，a n dt h ec o a lp i l l a r w i t haw i d t ho f12 mi sf i tf o rt h el o n g w a l lp a n e l si nN o ．6s e a m s ，B a o s h a nC o l l i e r y K e y w o r d s s h a l l o wb u f f e dc o a ls e a m ；c o a lp i l l a rf o rs u p p o r t i n ge n t r i e s ；c o a lp i l l a rs i z e ； c a v i n g d e l a y e dt r i a n g l ez o n e ；r o c kb o l t ；c a b l e 1 1 1 煤炭科学研究总院博士学位论文 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 文献综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．4 1 ．2 ．1 国内外矿柱设计方法发展历程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．5 1 ．2 ．2 国内外煤巷锚杆支护技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 1 ．3 论文主要研究内容⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．2 0 1 ．4 研究方法⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯2 l 2 煤柱几何特征及完整性对其强度和变形影响的实验室研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．1 前言．．．．．⋯⋯．．．．．⋯⋯．．．．⋯．．．．⋯．⋯．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．2 3 2 ．2 实验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 2 ．2 ．1 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．2 ．2 实验煤样制备．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．．．．．⋯．．．．⋯⋯．．．．2 4 2 ．2 ．3 煤样完整性描述．．⋯⋯．．．⋯⋯．．．⋯．．．．．⋯．⋯⋯．．．．．．．．2 5 2 ．3 煤样边长对其力学性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 2 ．3 ．1 煤样边长1 5 0 r a m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 2 ．3 ．2 煤样边长l O O m m ⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．3 2 2 ．3 ．3 煤样边长8 0 m m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 2 ．3 ．4 煤样边长5 0 r a m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 2 ．4 煤样宽高比对其力学性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 2 ．4 ．1 宽高比为1 ．．．⋯．．．．．⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯3 7 2 ．4 ．2 宽高比为2 ．．．．⋯．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．⋯⋯．．3 9 2 ．4 ．3 宽高比不小于3 ⋯．⋯⋯．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．3 9 2 ．5 煤样完整性对其力学性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 2 ．5 ．1 完整性较好⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 2 ．5 ．2 完整性中等⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 2 ．5 ．3 完整性较差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 2 ．6 实验室煤样与实际煤体强度的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯4 3 煤炭科学研究总院博士学位论文 2 ．7 小结．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．⋯．4 4 3 煤柱力学作用机理数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 3 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．⋯．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．4 5 3 ．2 模拟方法．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．4 5 3 ．2 ．1 坐标系统定义⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．．4 5 3 ．2 ．2 模拟方案⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 3 ．2 ．3 材料力学属性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 3 ．3 煤柱整体应力一应变关系⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．3 ．1 立方体煤柱试件⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．3 ．2 扁方柱体煤柱试件．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．．．．⋯⋯．⋯．．5 0 3 ．3 ．3 无限长条形煤柱⋯⋯．．．．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 3 ．4 煤柱应力和应变分布状态⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．5 6 3 ．4 ．1 扁方柱体应变软化且顶底无摩擦⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 3 ．4 ．2 扁方柱体应变软化且顶底有摩擦⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．6 0 3 ．4 ．3 无限长条形体应变软化且顶底有摩擦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 3 ．5 垂直应变与水甲应变关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 3 ．5 ．1 立方体煤柱⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 3 ．5 ．2 扁煤柱⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 3 ．5 ．3 综合分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 3 ．6 煤柱塑性区形成特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 3 ．6 ．1 立方体摩尔一库仑屈服准则且顶底无摩擦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 3 ．6 ．2 立方体应变软化屈服准则且顶底无摩擦⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．7 1 3 ．6 ．3 立方体应变软化屈服准则且顶底有摩擦⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．7 l 3 ．6 ．4 扁方柱体应变软化且顶底无摩擦⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．7 1 3 ．6 ．5 扁方柱体应变软化且顶底有摩擦⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 3 ．6 ．6 无限长条形体应变软化且顶底有摩擦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 3 ．7 煤柱与顶底板分界面处剪切应力和位移⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 3 ．7 ．1 立方体摩尔一库仑屈服准则且顶底无摩擦．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 3 ．7 ．2 立方体应变软化屈服准则且项底无摩擦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 煤炭科学研究总院博士学位论文 3 ．7 ．3 立方体应变软化屈服准则且顶底有摩擦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 3 ．7 ．4 扁方柱体应变软化且顶底无摩擦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 3 ．7 ．5 扁方柱体应变软化且项底有摩擦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 6 3 ．7 ．6 无限长条形体应变软化且顶底有摩擦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 3 ．8 小结⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．7 8 4 工作面回采过程中护巷煤柱应力分布与尺寸优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 4 ．1 前言．．．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯7 9 4 ．2 长壁工作面应力分布研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9 4 ．3 长壁工作面数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 4 ．3 ．1 模型范围⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯8 1 4 ．3 ．2 岩层属性．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．8 2 4 ．4 长壁工作面应力分布状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 4 ．4 ．16 2 0 1 和6 2 0 2 开采过程中工作面中部煤层垂直应力分布⋯⋯⋯⋯8 3 4 ．4 ．26 2 0 1 回采2 5 0 m 后煤层垂直应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 7 4 ．4 ．36 2 0 1 回采完成后煤层垂直应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 7 4 ．4 ．46 2 0 1 和6 2 0 2 采完后煤层垂直应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 4 ．5 工作面回采过程中护巷煤柱垂直应力分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 4 ．5 ．16 2 0 1 开采过程中煤柱应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 4 ．5 ．26 2 0 2 开采过程中煤柱应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 4 ．6 煤柱载荷计算方法⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 3 4 ．6 ．1 煤柱加载的主要阶段．⋯⋯⋯．⋯．⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯9 3 4 ．6 ．2 煤柱载荷的主要来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 6 4 ．6 ．32 0 m 煤柱设计载荷⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．9 7 4 ．72 0 m 煤柱承载能力估算估算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯9 8 4 ．8 煤柱尺寸优化研究⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 8 4 ．8 ．1 煤柱宽度缩小的可行性．．⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯9 8 4 ．8 ．2 初步确定煤柱宽度⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．．9 9 4 ．8 ．3 数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 9 4 ．8 ．41 2 m 煤柱载荷计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．1 0 4 1 1 1 煤炭科学研究总院博士学位论文 4 ．8 ．51 2 m 煤柱承载能力估算⋯．⋯⋯．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯．．1 0 4 4 ．8 ．61 2 m 煤柱安全因子⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯1 0 4 4 ．9 小结．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯．．．．⋯．．1 0 4 5 工作面三角区顶板滞后冒落特征研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 6 5 ．1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．1 0 6 5 ．2 工作面三角区顶板滞后冒落模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．1 0 8 5 ．2 ．1 基本假设．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯．．．．⋯．．．．．．1 0 8 5 ．2 ．2 模型建立⋯⋯．．⋯．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．．．1 0 9 5 ．3 研究方法⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．1 1 5 5 ．4 岩层及支护材料属性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 6 5 ．5 数值模拟方案⋯⋯．．．⋯．．．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．1 1 7 5 ．6 模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 7 5 ．6 ．1 拆除锚杆托盘⋯．．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．．．1 1 7 5 ．6 ．2 不拆除锚杆托盘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 0 5 ．6 ．3 锚杆长度1 ．6 m ．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．1 2 5 5 ．6 ．4 有锚索．．．．．．⋯．．．⋯⋯．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．1 3 0 5 ．6 ．5 有锚索且锚杆长度1 ．6 m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．1 3 0 5 ．6 ．6 无锚索且锚杆长度1 ．6 m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．1 3 ] 5 ．7 小结．．⋯⋯．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．1 3 2 6 井下试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 4 6 ．1 锚杆支护井下试验⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 4 6 ．1 ．1 试验巷道地质与生产条件⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 4 6 ．1 ．2 锚杆支护设计方案⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．1 3 4 6 ．1 ．3 矿压监测与支护效果分析⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 5 6 ．2 煤柱尺寸设计．．⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．1 4 1 6 ．2 ．12 0 m 煤柱护巷⋯⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．1 4 1 6 ．2 ．21 2 m 煤柱护巷⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 ] 6 ．3 锚杆与锚索支护参数修改．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 3 6 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．⋯．．．⋯⋯⋯．．．．．．1 4 3 I V 煤炭科学研究总院博士学位论文 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 4 7 ．1 主要结论⋯．．．．⋯．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．⋯．．．．⋯．⋯⋯．．．．．．．．1 4 4 7 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 5 7 ．3 展望．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．⋯1 4 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 6 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 5 读博期间发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 6 读博期间主持和参加的科研项目及获奖情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 6 V 煤炭科学研究总院博士学位论文 1 绪论 1 ．1 研究意义 煤柱留设问题既可以是关系到煤矿地下和地面安全、回采率的全局性研究课题，也 可以是针对某个采区或工作面稳定的策略性研究。煤柱从功能上可以大体分为三类保 护性煤柱，采区煤柱，工作面煤柱。保护性煤柱可以用来保护地面或地下构 建 筑物 的稳定，如井筒、主运输大巷等区域需要布置宽煤柱保证其稳定性和安全性，还可以用 来分割不同矿区，保证不同矿区有独立安全的通风系统，也可以用来隔离地下水源，防 止发生淹没矿井事故。保护性煤柱一般是针对全局性的矿山安全问题，一般属于永久性 煤柱，煤柱范围大，安全系数高。煤矿中经常需要解决的煤柱问题一般是采区煤柱和工 作面煤柱布置方法。采区煤柱主要是保护采区上下山、集中巷的稳定性，保证采区内运 输和通风的安全，其服务期限和采区内工作面的数量和推进速度有关。工作面煤柱布置 是煤矿开采中频繁涉及的问题。由于工作面的大小和周围工作面采掘顺序的不同，造成 不同的工作面煤柱承受的载荷有显著差别。本文主要针对回采工作面煤柱进行研究。 工作面煤柱本身也分成多种。首先是根据开采方法不同，存在不同类型的煤柱问题。 在房柱式开采法中，煤柱即为房柱的“柱”，既包括专门支撑采掘空间、保持其稳定的 永久煤柱，也包括随时需要回采的临时煤柱。直到上世纪8 0 年代房柱法还是世界主流 的采煤方法，即使到目前，象美国这样的采煤技术先进的国家，房柱法采煤的比例仍达 到5 0 ％。因此，长期以来，关于煤柱设计的研究也主要是针对房柱式采煤法展开的。 上世纪9 0 年代以来，随着长壁采煤技术的成熟和迅速发展，针对长壁采煤法的研 究迅速增多。此外，同样是长壁开采法，各个国家由于强制性安全法规或历史传统的原 因，工作面煤柱的布置也存在很大的差别。如美国的安全法规要求，工作面进风巷要并 行布置3 条以上，而且巷道之间按一定的间隔布置联络巷，这样便造成长壁工作面煤柱 被分割成众多的矩形小煤柱 如图1 ．1 ，因此美国式的长壁工作面煤柱与房柱煤柱在形 状上有很大的相似性。欧洲、澳大利亚的长壁工作面煤柱与美国类似，但一般采用双巷 掘进，因此煤柱仍然为矩形 如图1 ．2 ，但数量大大减少。中国、印度等业洲国家一般 采用单巷掘进，因此长壁工作面煤柱为连续条形 如图1 ．3 。 长壁工作面矩形煤柱承载能力问题是一个真正的三维问题，其分析方法与房柱式煤 柱有很多类似的地方，但也存在显著不同的地方，最大的区别是长壁工作面开采将造成 大范围的应力扰动，应力集中现象更加严重。传统的房柱式煤柱设计多采用面积分摊法 煤炭科学研究总院博士学位沦文 升刹为矩弗的蕞话蔗柱 秉匡大巷＼j l工作_ 保护攥拄，{ l ；芒五5 芒i 芒开i 芒行i 芒i 芒剁} ，保护崔挂 保护攥拄 3 6 英寸 1 ．1 4 3 6 盯，2 去‘适用于立方体棱长 1 0 为宽煤柱。不同形状的煤柱其应力．应 变曲线有非常大的不同，随着煤柱w ／h 增加，无论是承载能力还是变形能力都有非常大 的增长。 1 9 9 0 年以前，经典煤柱设计方法占据主流位置，主要根据实验室或现场实测数据进 行曲线拟合。但其中也有例外，如S a l a m o n 和M u n r o 收集南非煤柱失稳事故和成功案 例，并根据统计结果提出了经验设计公式。由于这些统计数据是基于大规模的现场实际 案例收集的，因此提出的公式简单、实用，可靠性较高。 M a r k 也采用这种大规模收集实际案例的方法提出了A L P S T h e A n a l y s i s o f L o n g w a l l P i l l a rS t a b i l i t y ，即长壁煤柱稳定性分析法【1 9 - 2 0 ] 。该方法充分估计了超前载荷和侧压载荷， 用S F 来衡量煤柱的稳定性，该方法的设计理念可以用图1 ．5 表示。图中W 。表示多巷体 系中所有巷道和煤柱的宽度总和，L 。表示多巷体系上覆岩层总载荷，即 L ， 娜K y 1 ．1 1 ＼ ＼L 。 ＼ L t 弋 、 2 1 0 一。．，。H ◆L w ， 图1 ．5A L P S 设计方法的几何参数定义 图中L 。表示长壁工作面采过之后转移到外侧煤柱和煤体上的侧向载荷 t o ．3 8 日2 考 1 ．1 2 煤炭科学研究总院博士学位论文 k 等一射 ㈠㈣ 式中H 一埋深；P 一工作面宽度 r 一覆岩容重。 上述公式中L 。对应的是临界和超临界工作面的转移载荷，L 。。对应亚临界工作面的 转移载荷。临界工作面是指工作面开采之后最大沉陷位置刚好出现在地表。 图中2 1 。表示载荷转移角，是根据现场应力实测结果得到的参数，代表所调查煤矿 的平均情况。按载荷转移角得到的一个三角形，L 。表示三角形区域内的岩体重量。0 ．3 8 H 表示载荷转移三角形的水平边长度。 煤柱承担的侧向载荷比例为 R 1 一f 尘堕1 3 1 ．1 4 L D ／ R 煤柱承担的侧向载荷比例 D 侧向载荷影响范围 这样当煤柱系统在第一个工作面回采完成后，煤柱中承担的最大载荷可以用下面的 公式表示 L 。。 三， L s R 1 ．1 5 M a r k 后来又将C M R R 煤矿顶板分级方法 引进A L P S 方法中，使得预测的准确 性大大提高[ 2 1 ] 。在A L P S 成功应用的基础上，M a r k 又提出了A R M P S 房柱式回采煤柱 稳定性分析法 ，用来解决房柱式开采中遇到的煤柱问题[ 2 2 ] 。 随着数值模拟软件和计算机硬件的快速发展，采用数值方法研究煤柱承载力学机理 成为主流的研究手段之一。尤其是大型三维数值模拟软件的成熟，对解决煤柱计算这类 真三维问题有巨大的推动和拓展作用，可以实现过去实验室实验和现场试验无法验证的 各种参数优化难题。当然要用数值方法实现符合实际的煤柱力学行为模拟也是一项非常 复杂的工作。 H s i u n g 和P e n g 在1 9 8 5 年开始采用有限元方法研究煤柱载荷‘2 3 1 ，模型中煤的强度设 定为实验室测试值的五分之一。数值计算方法可以实现复杂的煤柱加载行为，但是数值 模拟中的参数常常需要采用假设值，基本上无法直接采用实验室测试值。这是因为实验 室测试的岩石强度与实际岩体之间有巨大的差异。由于这样的原因，数值模拟结果也常 常遭到各方面的质疑。尽管如此，由于传统测试技术的局限性和高昂成本，使得传统煤 柱设计方法的发展遇到很大的困难。而数值模拟技术具有很大灵活性，几乎可以实现任 何复杂开采条件的模拟，如果将数值模拟技术与测试结果相结合，就可以提高数值模拟 1 0 煤炭科学研究总院博士学位论文 结果的可信度。综观近年来的煤柱研究成果，数值模拟