深部开采巷道围岩的综合控制技术研究.pdf

分类号分类号TD32TD32密密级级公公开开 U U U U D D D DCCCC单位代码单位代码1042410424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 深部开采巷道围岩的综合控制技术研究 卓永建卓永建 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士领域名称领域名称矿业工程矿业工程 指导指导教师姓名教师姓名 温兴林温兴林职职称称 副教授副教授 副指导副指导教师姓名教师姓名谭仕侃谭仕侃职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零六年十二月二零零六年十二月 论文题目论文题目论文题目论文题目 深部开采巷道围岩的综合控制技术研究 作者姓名作者姓名作者姓名作者姓名 卓 永 建入学时间入学时间入学时间入学时间2004 年 3 月 领域名称领域名称领域名称领域名称矿业工程研究方向研究方向研究方向研究方向采矿方法与工艺工程 指导教师指导教师指导教师指导教师温 兴 林职职职职称称称称副教授 副指导教师副指导教师副指导教师副指导教师谭 仕 侃职职职职称称称称高级工程师 论文提交日期论文提交日期论文提交日期论文提交日期2006 年 12 月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期2006 年 12 月 授予学位日期授予学位日期授予学位日期授予学位日期 RESEARCHRESEARCHRESEARCHRESEARCH ONONONON THETHETHETHE SYNTHETICALSYNTHETICALSYNTHETICALSYNTHETICAL CONTROLLINGCONTROLLINGCONTROLLINGCONTROLLING TECHNOLOGIESTECHNOLOGIESTECHNOLOGIESTECHNOLOGIES FORFORFORFOR ROCKMASSROCKMASSROCKMASSROCKMASS OFOFOFOF MININGMININGMININGMINING TUNNELTUNNELTUNNELTUNNEL ININININ DEEPDEEPDEEPDEEP MININGMININGMININGMINING A A A ADissertationDissertationDissertationDissertation tedtedtedtedinin in in fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofofthethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirements ofofofof thethethethe degreedegreedegreedegree ofofofof MASTERMASTERMASTERMASTER OFOFOFOFENGINEERINGENGINEERINGENGINEERINGENGINEERING F F F Fromromromrom ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand TechnologyTechnologyTechnologyTechnology bybybyby ZhuoZhuoZhuoZhuo YongJianYongJianYongJianYongJian SupervisorSupervisorSupervisorSupervisorAssociateAssociateAssociateAssociate ProfessorProfessorProfessorProfessorWenWenWenWen XinglinXinglinXinglinXinglin SeniorSeniorSeniorSenior EngineerEngineerEngineerEngineerTanTanTanTanShikanShikanShikanShikan CollegeCollegeCollegeCollegeofofofof NaturalNaturalNaturalNatural ResourcesResourcesResourcesResourcesandandandand EnvironmentalEnvironmentalEnvironmentalEnvironmental EngineeringEngineeringEngineeringEngineering DecemberDecemberDecemberDecember2002002002006 6 6 6 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。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 AFFIRMATIONAFFIRMATION I I declaredeclare thatthat thisthis dissertation,dissertation, tedted inin fulfillmentfulfillment ofof thethe requirementrequirement forfor thethe awardaward ofof MasterMaster PaperPaper inin ShandongShandong UniversityUniversity ofof ScienceScience andand Technology,Technology, isis whollywholly mymy ownown workwork unlessunless referencedreferenced ofof acknowledge.acknowledge. TheThe documentdocument hashas notnot beenbeen tedted forfor qualificationqualification atat anyany otherother academicacademic institute.institute. SignatureSignature DateDate 山东科技大学工程硕士论文摘要 摘摘 要要 采煤工作使地壳浅部的煤炭逐渐被采完，所以煤矿开发深度逐年加大是世界上许多 产煤国家所面临的共同问题。 本文结合金源煤矿具体开采条件，对巷道围岩的应力-应变 状态进行了分析，主要完成了下列工作。 概述了国内外深部开采研究的历史、现状及发展趋势，并结合我国金源煤矿的生产 实际，指出了对深部开采进行研究的必要性和迫切性。 对不同巷道围岩的应力分布进行了深入分析，特别是运用弹性理论分析了圆形截面 巷道的应力分布特性。 用数值模拟方法，结合金源煤矿提供的地质资料，对圆拱形以及梯形巷道围岩的应 力状态进行了分析，特别地，分析了两巷道相互影响，巷道围岩的应力与巷道之间的矿 柱的宽度以及最大主应力作用方位的关系， 给出了一些在巷道开掘时有参考意义的结果。 关键词关键词深部开采 围岩应力分布 弹性解 数值模拟 巷道开掘 山东科技大学工程硕士论文摘要 ABSTRACT As the coal in the shallow lithosphere has been gradually mined, many countries which have collieries encounter the same problem. Thatisthe depth of the collieries increases yearly. In this paper, combiningwiththe specific mining condition of Jinyuan Colliery, we analyze the stress-strain state around the laneway. The author has engaged in the following research works. The history, present situation and trend of deep exploitation research are summarized both at home and abroad. Combiningwiththe domestic product practiceofJinyuan Colliery, the necessity and urgency of deepminingresearch in China are pointed out. The stress state around the laneways with different shapeisanalyzed. Especially, particular the laneways whose shape are circle are fully studied using elastic theory. The stress state of Laneways with the shape of arch and trapezoidiscalculated by numeral simulation with the data offered by Jinyuan Colliery. In particular, the influence of two lanewaysisstudied and the relations between the stress around laneways, the widthofjamb and the direction of the largest main stress are given. Some proposals for construction of laneway are put forward. KeyKeyKeyKey wordswordswordswords Deep mining; Stress state around laneways;Elastic solution; Numerical simulation; Construction of laneway 山东科技大学工程硕士论文目录 目目录录 1 1 1 1 绪论绪论绪论绪论................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................1 1 1 1 1.1 课题研究的意义................................................................................................1 1.2 深井开采的研究现状........................................................................................2 1.3 论文研究的主要内容和技术路线....................................................................6 2 2 2 2 工程地质概况工程地质概况工程地质概况工程地质概况............................................................................................................ ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................7 7 7 7 2.1 井田概况............................................................................................................7 2.2 地质特征............................................................................................................7 2.3 采区布置..........................................................................................................11 3 3 3 3 巷道围岩应力变形状态的弹塑性分析巷道围岩应力变形状态的弹塑性分析巷道围岩应力变形状态的弹塑性分析巷道围岩应力变形状态的弹塑性分析.................................................................................................................................................................................................................................................................... 14141414 3.1 巷道围岩的物理力学特性..............................................................................14 3.2 岩石本构关系和强度理论..............................................................................20 3.3 巷道周围岩石的应力-变形状态....................................................................24 3.4 本章小结..........................................................................................................34 4 4 4 4 采准巷道的应力数值模拟采准巷道的应力数值模拟采准巷道的应力数值模拟采准巷道的应力数值模拟........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................35353535 4.1 金源矿井巷道基本情况..................................................................................35 4.2 原岩应力与采深的关系..................................................................................35 4.3 单个半圆拱巷道下岩石应力状态的数值模拟..............................................37 4.4 巷道相互影响条件下的岩石应力状态的数值模拟......................................43 4.5 本章小结..........................................................................................................49 5 5 5 5 金源煤矿开拓巷道综合控制技术金源煤矿开拓巷道综合控制技术金源煤矿开拓巷道综合控制技术金源煤矿开拓巷道综合控制技术........................................................................................................................................................................................................................................................................................................51515151 山东科技大学工程硕士论文目录 5.1 深部开采时巷道支护方式..............................................................................51 5.2 现场应用..........................................................................................................53 6 6 6 6 研究主要结论研究主要结论研究主要结论研究主要结论........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................54545454 参考文献参考文献参考文献参考文献........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................55555555 致致致致谢谢谢谢........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................58585858 山东科技大学工程硕士论文目录 ContentsContentsContentsContents 1 1 1 1 IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction. . . ..1 .1 .1 .1 1.1 Importanceof Study .1 1.2 Present Situation of Study.....2 1.3 Study Contents and s.6 2 2 2 2 GeologyGeologyGeologyGeology ofofofofthethethethe ProjectProjectProjectProject 7 7 7 7 2.1 General Situation of the Colliery...7 2.2 Geology of Colliery...7 2.3 Disposal of theMining Section........11 3 3 3 3E E E Elasticlasticlasticlastic andandandandP P P PlasticlasticlasticlasticA A A Analynalynalynalysissississisononononthethethethe Stress-StrainStress-StrainStress-StrainStress-Strain StateStateStateState AroundAroundAroundAround thethethethe L L L Lanewayanewayanewayaneway 14141414 3.1 Physical and Mechanical Character of Rock. ....14 3.2 TheConstitutive Relation and Strength Theory of Rock. ..20 3.3 TheStress-strain StateAround theLaneway........24 3.4 Conclusion.............34 4 4 4 4 NumeralNumeralNumeralNumeral SimulationSimulationSimulationSimulation ofofofofthethethethe LanewayLanewayLanewayLaneway35353535 4.1 TheBasic Situation of Jinyuan Coal Mine.......35 4.2 TheRelation Between the Stress and theDepth.......35 4.3 Numeral Simulation of aSingle Laneway. ...37 4.4 Numeral Simulation of theInfluenceAmong Two or More Laneways.43 4.5 Conclusion.........49 5 5 5 5 ControllingControllingControllingControlling TechnologiesTechnologiesTechnologiesTechnologiesf f f fororororRockmassRockmassRockmassRockmass o o o of f f fMiningMiningMiningMining TunnelTunnelTunnelTunneli i i in n n nJiyuanJiyuanJiyuanJiyuan minemineminemine 51515151 5.1 Ways of Tunnelwhen Deep Mining.........51 5.2 PracticeApply.......... ..53 6 6 6 6 ConclusionConclusionConclusionConclusion ofofofofthethethethe ResearcResearcResearcResearch h h h54545454 ReferenceReferenceReferenceReferences s 54545454 A A A Acknowledgementscknowledgementscknowledgementscknowledgements .58585858 山东科技大学工程硕士论文绪论 1 1 1 1 1 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题研究的意义课题研究的意义课题研究的意义课题研究的意义 多年的采煤工作使地壳浅部的煤炭逐渐被采完，所以煤矿开发深度逐年加大是世界 上许多产煤国家所面临的共同问题。 随着矿井开采深度的不断增加，井田内主采煤层的围岩条件和开采技术条件也在不 断发生变化，主要表现为矿山压力逐渐增大，矿压显现越来越强烈，围岩控制越来越 困难，巷道维护难度极大。在增加支护强度的前提下，现有锚网带梯支护虽能勉强控 制住围岩，但巷道围岩已表现出剧烈的变形，顶板破碎下沉，底鼓严重、两帮移近量已 达 500mm 以上，随着巷道围岩的继续流变变形，预计现有的巷道断面是很难能够满足将 来工作面开采期间的需要。另外，可以预计将来的沿空侧巷道掘进与支护问题将比现在 的实体煤巷道更加突出和困难。 同时，为了矿井的可持续发展，深井开采问题对于金源煤矿来说是无法避免的，因 此，从矿井的安全生产和降低开采成本方面来说，必须采取一系列相应的技术措施，并 由此研究提出和形成相关的大采深矿井开采技术，用以指导下一步的矿井生产。 巷道变形破坏严重，维护困难是煤矿深井开采主要和共同的问题之一。巷道矿压显 现随采深增加而增加，一般在采深超过 600～700m 后，软岩条件下采深在 500m 左右， 井 下巷道开始出现深井开采的巷道矿压显现特征。随着开采深度增加，以下这些深井巷道 矿压显现特征愈加明显。 1 巷道围岩变形速度快，变形量大，巷道周边变形范围大。 2 岩性对深井巷道围岩变形有明显的影响，到了深部后，由于岩性的差异引起的 巷道围岩变形的差异强烈地表现出来，采深对软岩巷道、煤层巷道，尤其是“三软”煤 层巷道影响强烈。 3 巷道从使用期间维护困难已发展到掘进期间就维护困难，掘出后就不得不废弃 的巷道增多，采煤工作面的回风平巷、上下山、甚至大巷都有废弃的记录。 4 巷道持续变形、流变已成为深井巷道变形的主要特征。随着时间延续，深部煤 柱下方的多数巷道围岩变形不止，没有降低的趋势，流变速率与边界条件和岩性有关。 5 采煤工作面开采加剧了巷道围岩变形，采深愈大，开采影响范围愈大，影响程 度愈强烈。 山东科技大学工程硕士论文绪论 2 6 多数留设的巷道保护煤柱达不到保护巷道的目的，反而对巷道维护不利。 7 巷道对支架的工作特性要求高，初撑力、工作阻力和可缩量均大是必须的。现 有支架条件下想依靠加大支架型号来阻止巷道围岩变形是不可能的。即使采用工作特性 较好的支架，也不能完全依靠它阻止巷道围岩变形。 8 巷道布置、开采顺序和最终形成的开采边界条件对巷道维护影响很大。 因此研究深部开采巷道围岩的稳定和结构优化对于开采深层煤炭有重大的现实意义 和历史意义。 1.21.21.21.2 深井开采的研究现状深井开采的研究现状深井开采的研究现状深井开采的研究现状 1.2.11.2.11.2.11.2.1 国内外大采深矿井开采现状国内外大采深矿井开采现状国内外大采深矿井开采现状国内外大采深矿井开采现状 煤炭资源从浅部开始开采，随着煤炭采出，开采煤层的埋藏深度必然要增加，开采 规模扩大和机械化水平提高又加速了生产矿井向深部发展。煤矿深井开采是世界上大多 数主要采煤国家目前和将来要面临的问题，只要人类要生产和生活，就离不开对资源的 依赖，即使目前没有进入煤矿深部开采的国家或迟或早要进入深部开采。 由于不同的产煤国家在煤层赋存的自然条件、技术装备水平和开采技术上的差异， 以及在深部开采中出现问题的程度不同，因此国际上尚无统一和公认的根据采深划分深 井的定量标准。根据本国国情，一些采煤国家的学者对深井的界定提出了一些见解和论 述。 前苏联的一部分学者将采深超过 600m 的矿井归于深井， 而另一部分学者把采深 800m 作为统计深井的标准。 原西德学者把采深 800～1200m 定为深部开采，把 1200m 以下称为 超深开采。英国与波兰把煤矿深部开采的起点定为 750m，日本定为 600 m。 我国对深井的界定无明确规定，中国煤矿开拓系统一书提出按开采深度将井田划分 为 4 类，各类的深度范围如表 1.1。 表 1.1中国煤矿开拓系统按开采深度对矿井分类 Tab 1.1 mine classify according to depthin“China mine exploit system” 矿井类别浅矿井中深矿井深矿井特深矿井 采深 H/m400400≤H800800≤H1200≥1200 1980 年我国煤矿平均开采深度为 288 m，1995 年为 128.83m，年平均增加 9.39 m。 根据原煤炭工业部生产协调司 1995 年初对 599 处国有重点煤矿进行调查的结果， 我国煤 矿 1995 年调查时的采深和最终采深分布如表 1-2。 山东科技大学工程硕士论文绪论 3 表表 1.21.21.21.2国有重点煤矿国有重点煤矿 1995199519951995 年调查时的采深和最终采深年调查时的采深和最终采深 T T T Tabababab 1.21.21.21.2thethethethe exploitexploitexploitexpl