深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制及让压型锚索箱梁支护系统对比研究.pdf

分类号TD353 分类号TD353 密 级公 开 密 级公 开 U D C U D C 单位代码单位代码1042410424 学学 位位 论论 文文 深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制及深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制及 让压型锚索箱梁支护系统对比研究让压型锚索箱梁支护系统对比研究 江江 贝贝 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业名称专业名称系统理论系统理论 指导教师姓名指导教师姓名 郭惟嘉郭惟嘉 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 深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制及深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制及 让压型锚索箱梁支护系统对比研究让压型锚索箱梁支护系统对比研究 作者姓名作者姓名 江江 贝贝 入学时间入学时间 2010 年年 9 月月 专业名称专业名称 系统理论系统理论 研究方向研究方向 系统决策理论与应用系统决策理论与应用 指导教师指导教师 郭惟嘉郭惟嘉 职职 称称 教教 授授 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 9 日日 授予学位日期授予学位日期 COMPARATIVE RESEARCH ON SUPPORT SYSTEM OF PRESSURE RELIEF ANCHOR BOX BEAM IN DEEP THICK TOP COAL ROADWAY AND DEATION FAILURE MECHANISM OF SURROUNDING ROCKS A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Jiang Bei Supervisor Professor Guo Weijia College of Natural Resources and Environmental Engineering April 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。 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。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy 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 摘摘 要要 随着煤矿开采进一步向深部发展，深部厚顶煤巷道支护问题越来越成为制约如巨野 等深部厚煤层矿区高效开采的难题之一。现有的支护技术和材料难以满足此类深部厚顶 煤巷道支护的需要，巷道易出现较大范围的破裂区，顶板煤体碎胀变形严重，极易出现 离层，造成巷道顶板下沉量大且变形持久，给巷道围岩控制带来极大的困难，顶板事故 风险大。 针对上述深部厚顶煤巷道支护难题，本文以巨野矿区赵楼煤矿为工程背景，利用现 场监测、室内实验、数值分析、模型试验和现场试验等手段，进行深部厚顶煤巷道围岩 变形破坏机制及让压型锚索箱梁支护系统对比研究，主要研究内容及成果如下 （1）进行工程地质条件研究及原支护条件下现场监测研究，发现高地应力、煤质松 软、煤岩交界面粘结力低及支护构件刚度、强度低且不耦合等因素的综合作用是造成该 矿深部厚顶煤巷道顶板围岩碎胀变形严重、离层量大、变形持久不可控的主要机制。 （2）以“先控后让再抗”理念为指导，研制了让压型锚索箱梁支护系统，并提出了 箱梁横向、纵向单梁、纵向双梁不同布置情况下的支护方案。 （3） 对上述 3 种不同让压型锚索箱梁支护系统相关方案与原支护方案进行数值试验 研究表明让压型锚索箱梁支护系统相对于原支护方案对巷道顶板围岩具有更好的控制 效果，且经济合理；其中效果最好的为纵向单梁方案，其次为纵向双梁方案，最后为横 梁方案。 （4） 通过对让压型锚索箱梁支护系统两种支护方案进行模型试验， 研究了其围岩内 部应力演化规律和内部基点变化规律。试验结果表明采用让压型锚索箱梁支护系统纵 单方案对巷道围岩的控制效果优于横梁方案。 （5）在赵楼煤矿 3302 运输顺槽进行了现场试验研究，进一步验证了让压型锚索箱 梁支护系统， 尤其是纵向单梁方案对深部厚顶煤巷道具有较好的控制效果， 且经济合理。 本文研究成果，为深部厚顶煤巷道提供一种行之有效的新型支护方式，具有重要的现实 意义。 关键词关键词厚顶煤巷道，变形规律，破坏机制，支护系统，让压，数值试验，模型试 验，现场试验 山东科技大学硕士学位论文 摘 要 ABSTRACT With the coal mining development going deeper, the support in deep roadways with thick top-coal has become one of the difficult problems that restrict the efficient mining for mine areas, such as Juye coal mine, of which the ground stress is high and the top coal is thick. Existing technique and materials can not meet the requirement to support these deep roadways with thick top-coal. Wide range of fractured zone, serious bulking deation and abscission layer on roof are easily appear in these coal roadways, causing large sinkage and lasting deation on roof, bring difficulty to control surrounding rock, and then result to accidents. Aiming at above supporting difficulties and taking Zhaolou coal mine as basement, comparative research was carried out on deation failure mechanism of surrounding rocks in deep roadways with thick top-coal and support system of pressure relief anchor box beam, by means of field monitoring, laboratory experiment, numerical analysis, model test and field test. The main research contents and results are listed as follows 1. Through the research on engineering geological condition and field monitoring of original supporting system, the comprehensive factor as high geo-stress, soft coal, low interface bond force between coal and rock, low stiffness and strength and non-coupling of support units was recognized, which is the main mechanism that cause serious bulking deation, large abscission layer and lasting uncontrollable deation of the roof and surrounding rocks in deep roadways with thick top-coal. 2. Guided by the support idea, which is first anti-pressure, second pressure relief, third anti-pressure, pressure relief anchor box beam support system PRABB was developed. Supporting schemes according to different arrangement modes as cross anchor beam, longitudinal single anchor beam and longitudinal double anchor beams were designed respectively. 3. Numerical experiment of above three support schemes of PRABB compared with original scheme show that PRABB suppor system has better control effect on roof and surrounding rocks in roadways and lower investment. Among the three schemes, longitudinal 山东科技大学硕士学位论文 摘 要 single anchor beam scheme was best in surrounding rock controlling, longitudinal double anchor beam scheme was lest best, cross anchor beam scheme was relatively poor. 4. The stress evolution law and base point varation law in surrounding rock were studied through the two model tests, which were supported separately with the two schemes of PRABB support system. The test results show that the control effect of longitudinal single anchor beam is better than the cross one. 5. The field test research was carried out in 3302 track crossheading of Zhaolou mine coal, verifying the support effect of PRABB support system, especially the control effect of longitudinal single anchor beam scheme, which is also economical and reasonable. The research results provide a new efficient supporting for deep roadways with thick top-coal, which is of important practical significance. Keywords thick top coal roadway, deation discipline, failure mechanism, support system, pressure relief, numerical test, model test, field test 山东科技大学硕士学位论文 目 录 目目 录录 1 绪论.........................................................11 绪论.........................................................1 1.1 选题背景与意义...........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...........................................................................................................2 1.3 本文主要内容与创新点.............................................................................................12 2 工程概况....................................................152 工程概况....................................................15 2.1 矿井工程概况.............................................................................................................15 2.2 3302 工作面及顺槽概况.............................................................................................16 2.3 地应力测试.................................................................................................................18 2.4 围岩物理力学性能测试.............................................................................................21 2.5 3302 工作面顺槽前期现场监测.................................................................................23 2.6 本章小结.....................................................................................................................30 3 厚顶煤巷道围岩破坏机制及控制对策数值试验研究 ................323 厚顶煤巷道围岩破坏机制及控制对策数值试验研究 ................32 3.1 厚顶煤巷道围岩破坏机制分析.................................................................................32 3.2 厚顶煤巷道围岩控制对策.........................................................................................33 3.3 数值试验研究.............................................................................................................37 3.4 本章小结.....................................................................................................................42 4 地质力学模型试验研究........................................434 地质力学模型试验研究........................................43 4.1 模型试验方案设计及模拟材料选定.........................................................................43 4.2 模型试验系统.............................................................................................................55 4.3 模型试验结果分析.....................................................................................................63 4.4 本章小结.....................................................................................................................67 5 现场试验研究................................................685 现场试验研究................................................68 5.1 方案实施及监测.........................................................................................................68 5.2 PRABB 支护系统支护效果实测分析........................................................................69 5.3 本章小结.....................................................................................................................73 山东科技大学硕士学位论文 目 录 6 结论与展望..................................................756 结论与展望..................................................75 6.1 主要结论.....................................................................................................................75 6.2 论文创新点.................................................................................................................76 6.3 展望.............................................................................................................................76 致 谢......................................................78致 谢......................................................78 参考文献......................................................80参考文献......................................................80 攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况 ....................87攻读硕士学位期间从事科学研究及发表论文情况 ....................87 山东科技大学硕士学位论文 目 录 Contents 1 Introduction.1 1.1 Raising of Project and Research Significance.....1 1.2 Research Status at Home and Abroad..2 1.3 Research Contents and technical route..12 2 Research of Field Monitoring ..15 2.1 General Situation of Coal Mining Engineering.........15 2.2 Introduction of 3302 Working Face and Crossheading..16 2.3 In-situ Stress Test.18 2.4 Physical and Mechanics Property Test on Surrounding Rocks.21 2.5 Prophase Field Monitoring of 3302 Working Face and Crossheadings.23 2.6 Summary....30 3 Failure Mechanism Countermeasures of Surrounding Rock in Deep Soft Roadway ...32 3.1 Failure Mechanism Analysis of Roadways with Thick Top-coal.32 3.2 Support Countermeasures of Surrounding Rocks in Thick Top-coal Roadways..33 3.3 Research of Numerical Experiment......37 3.4 Summary....42 4 Research of Geomechanics Model Test...43 4.1 Design of Model Test Program and Material Selection.43 4.2 Model Test System...55 4.3 Analysis of Model Test Result.......63 4.4 Summary....67 5 Field Experiment Research...68 5.1 Scheme Implementation and Monitoring 68 5.2 Field Testing Analysis of PRABB Supporting Effect. . ....69 5.3 Summary....73 山东科技大学硕士学位论文 目 录 6 Conclusions and Expectations..75 6.1 Main Conclusions 75 6.2 innovations in the paper.76 6.3 Expectations ....76 Acknowledgement78 References.80 Scientific Research and Published Papers.87 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 1 1 绪论绪论 1.1 选题背景与意义选题背景与意义 能源、人口和环境是当今世界具有国际性的三大科学主题，能源是国家发展的命 脉，是社会进步的基础保障，能源的优先发展战略越来越受到各国重视。煤炭是国民经 济和社会发展的基础，在我国一次能源生产与消费结构中占70左右，而且煤炭在将来 相当长的时期内仍将是我国的主要能源[1]。 据统计，我国煤炭埋深在 1000m 以下的储量为 2.95 万亿 t，占煤炭资源总量的 53[2]。随着资源需求量的日益增加，开采深度不断加大，浅部资源日益减少，国内外 矿山都相继进入深部资源开采状态[3]。目前，我国煤矿开采深度以（8～12）m/a 的速度 增加，东部矿井以（10～25）m/a 的速度发展，预计在未来 20 年，我国很多煤矿将进入 1000～1500m 的深度[4,5]。 随着开采深度的增加，地质条件恶化、破碎岩体增多，地应力增大、涌水量加大、 地温升高，导致提升难度加大、作业条件恶化、通风降温和生产成本急剧增加等一系列 问题，为深部资源开采提出了严峻的挑战[2]。尤其是深部巷道的支护难题，更是为深部 开采带来巨大的困难。 在深部开采的条件下，巷道开挖以后即出现较大范围的破裂区，加之要受到深部高 应力和采动应力的双重作用，围岩力学性质呈现明显的软化特征，巷道顶板下沉明显， 冒顶事故增多，两帮变形严重，底臌强烈，给煤层巷道围岩控制带来极大的困难，许多 巷道的维护费用达掘进费用的2～3倍[6]。同时，近年来的统计资料显示，顶板事故次数 占全国煤矿事故总次数的 5055，顶板事故死亡人数约占全国煤矿死亡人数的 3040。深部巷道的支护问题是困扰煤矿生产和建设的重大难题[7]。 巨野煤田是华东地区的特大型煤田，煤层埋深为 800～1300m，主采煤层 3 号煤平 均厚度在 8m 以上，3 上、3 下煤层厚度在 4m 左右，已探明的总地质储量为 55.7 亿吨， 为华东地区保有储量最大的整装煤田，规划有 7 对矿井。该矿区开采煤层最大水平应力 30～40MPa，水平应力为垂直应力的 1.5～3.2 倍。煤层巷道一般沿煤层底板掘进，顶煤 厚度在 5m 左右，属于典型的深部厚顶煤巷道。 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 2 在深部复杂地质条件下，此类厚顶煤巷道开挖以后即出现较大范围的破裂区，围岩 力学性质呈现明显的软化特征；顶板煤体碎胀严重，整体强度极低，与顶底深部力学性 质稳定的老顶和老底力学性质差别很大，且常常胶结薄弱，极易出现离层；造成巷道顶 板下沉量大，且持续变形，给巷道围岩控制带来极大的困难。且在地下水或断层构造作 用影响下进一步加大了顶板事故风险。 地质力学模型试验作为地下工程研究的必要手段，在采矿工程界得到广泛应用，取 得了较为丰硕的成果。但是从现有资料来看，在深部巷道支护研究中，模型试验存在如 下不足①几何尺寸小、模拟比例范围小；②支护构件模拟不准确、预紧力施加不合 理、监测不完善；③未注重施工过程的模拟；④多为刚性加载，边界效应明显。以上不 足在一定程度上限制了对深部巷道支护的研究。目前，未见对深部厚顶煤巷道支护的模 型试验研究。因此，从解决上述地质力学模型试验存在的问题入手，对深部厚顶煤巷道 支护系统进行模型试验研究，具有重要意义。 总体来说，目前有关深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制及其稳定控制方面的研究较 少。因此，针对深部厚煤层巷道支护难题，结合巨野矿区典型深部厚煤层矿井-赵楼煤 矿巷道支护工程实践，开展深部构造应力作用下厚煤层巷道围岩稳定与控制的模型试验 研究，并结合理论分析和数值模拟研究，为该类巷道支护提供理论依据及技术支撑，具 有重要的理论意义和现实意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 深部煤巷支护理论及技术研究现状深部煤巷支护理论及技术研究现状 1.2.1.1 支护理论研究现状 支护理论是实施地下工程支护设计的理论根据，地下工程支护理论的发展至今己有 百余年的历史。 1）国外相关支护理论 （1） 古典压力理论20 世纪初发展起来的以 Haim 和 Rankine 理论为代表的古典压 力理论认为，作用在支护结构上的压力是上覆岩层的重量[9]。 （2） 坍落拱理论随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论许多方面都有不符 合实际之处，于是坍落拱理论也称为松软压力理论应运而生。此类理论认为坍落拱 山东科技大学硕士学位论文 绪 论 3 的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。其最大贡献是提出巷道围岩具有自承能力 [10]。 （3）悬吊理论20 世纪 50 年代，Louis A.Panek 经过理论分析及实验室和现场测 试，提出了锚杆的悬吊理论，在软弱围岩中，锚杆的作用是将直接顶板的破碎岩石悬吊 在上部的自然平衡拱上，拱高可采用普氏的压力拱理论估算[11]。 （4）组合梁理论德国 Jacobio 等发表了组合梁作用理论，其实质是通过锚杆的作 用将叠合梁的岩层夹紧，增大层间的摩擦力，同时锚杆的抗剪阻力也阻止层间错动，从 而将叠合梁转化为组合梁。组合梁理论较好地解释了层状岩体锚杆的支护作用，但难以 用于锚杆支护设计。根据组合梁作用原理，组合梁是保持岩体稳定的支护体，组合梁的 承载能力未给相应计算公式。 （5）应变控制理论这是由日本学者山地宏和樱井春辅提出的[12]。他们认为，围 岩的应变随支护结构的增加而减少，而许用应变则随着支护结构的增加而增大，因此， 通过加强支护结构可较容易地将围岩的应变控制在允许应变范围内。 （6）能量支护理论20 世纪 70 年代，萨拉蒙（M.D.Salamon）等又提出了能量支 护理论[13]。该理论认为支护结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩 释放一部为分能量，支护结构吸收一部分能量，但总的能量没有变化。因而，主张利用 支护结构的特点，使支架自动调整围岩释放的能量和支护体吸收的能量，支护结构具有 自动释放多余能量的功能。 2）国内相关支护理论 我国在地下工程围岩支护研究方面真正取得较大发展始于 20