余吾煤业顶板高抽巷合理布置与控制技术研究.pdf

江苏省高校优势学科建设工程资助项目（PAPD） 国家自然科学基金面上项目（51174195） 国家自然科学基金项目（51204166） 国家自然科学基金项目（51204167） 硕士学位论文 余吾煤业顶板高抽巷合理布置与支护 技术研究 Study on Reasonable Layout and Control Technology of the Gas Drainage Roadway in Roof in Yuwu Coal Mine 作 者马卫波 导 师王襄禹 副教授 中国矿业大学 二○一四年五月 中图分类号 TD353 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公 开 中国矿业大学 硕士学位论文 余吾煤业顶板高抽巷合理布置与控制 技术研究 Study on Reasonable Layout and Control Technology of the High-Level Roadway for Gas Extraction in Yuwu Coal Mine 作 者 马卫波 导 师 王襄禹 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业学院 学科专业 采矿工程 研究方向 矿山压力及控制 答辩委员会主席 高明仕 评 阅 人 樊银辉 徐营 二○一四年五月 66 学位论文原创性声明 学位论文原创性声明 Declaration of Thesis Originality 本人郑重声明所呈交的学位论文余吾煤业顶板高抽巷合理布置与支护技 术研究 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作 所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学 位论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版 和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为 教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案 馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规， 同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 论文审阅认定书 研究生 马 卫 波 在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案 的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成 本学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认 同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申 请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 致 谢致 谢 Acknowledgements 本论文是在尊敬的导师王襄禹的悉心指导下才得以完成的， 从论文的选题、 理论研究与分析、现场实践到论文定稿，每一个环节都凝结着导师的心血和谆 谆教导。师从三载，收获颇深，王老师优秀的做人品质，严谨求实的治学态度， 平易近人的工作作风和对科学精益求精、不懈追求的精神，深深地感染并激励 着我努力学习、低调做人、踏实做事，所有这些都对我产生了极大的影响，王 老师渊博的学识与高尚的品格是我永远努力的方向。值此论文完成之际，在此 谨向王老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。 三年的学习生活中，柏建彪教授无论在生活上还是学术上都给予了极大的 关心和指导，并且在论文的撰写过程中给予了悉心的指导，在此对尊敬的柏老 师表示深深的谢意 衷心感谢夏军武教授、徐营副教授、陈勇老师和闫帅老师在学术、生活等 各个方面的关心和帮助；感谢赵地杰师兄与潘跃文师兄在煤矿实践中给予我的 谆谆指导和殷殷期望。 特别感谢李文峰博士与王猛博士师兄，感谢同窗朱才坤、袁龙飞、胡明明、 刘禹辰、廉常军、种德雨、张自政、张继、王术睿、李萌等在论文完成期间给 予作者在学术上、工作生活上的帮助和支持。 感谢潞安矿业集团余吾煤业马长乐科长与各位工程技术人员在现场试验给 予的大力支持和帮助。 感谢父母，寸草春晖，养育之恩，无以回报，没有他们无私的支持与鼓励 我不可能顺利完成学业，感谢哥嫂在生活与学业上一直以来的关心与支持，是 他们的鼓励成就了我的学业。 最后，感谢各位专家和教授在百忙之中评审本文，并期待得到更多的指导 和启迪。 I 摘 要 摘 要 随着煤炭产量的增加，高瓦斯矿井的瓦斯涌出量也随之增加，瓦斯制约生 产的现象越来越普遍，日益成为制约高瓦斯煤矿开采的瓶颈。顶板高抽巷可以 担负起工作面采前预抽与采后抽放采空区瓦斯的双重任务，可以起到比较显著 的抽放效果。 为掌握高抽巷的巷道布置与围岩变形规律， 本文以余吾煤业 N1202 顶板高抽巷现场地质为基础，综合应用理论分析、数值模拟与现场试验等方法， 得到了比较系统的研究结果 （1）研究确定了工作面上覆岩层塑性区的扩展过程，确定了裂隙带高度范 围；进一步分析了顶板不同高度岩层的应力分布规律，并揭示了顶板岩层内部 垂直应力传播与扩散规律。 （2）了解瓦斯运移与存储规律的基础上，提出了顶板高抽巷布置的基本原 则。通过选取了多组高抽巷位置布置方案并进行对比分析，得到了高抽巷围岩 应力环境与变形移动规律，最终确定了高抽巷的最佳位置。 （3）以高抽巷的围岩变形情况为依据，提出了科学合理的围岩控制技术， 并成功应用于实践。 本文系统确定了裂隙带的高度范围、高抽巷的合理布置与围岩控制技术， 为煤矿类似高抽巷的布置与维护提供了科学依据与技术支撑。 该论文有图 43 幅，表 12 个，参考文献 58 篇。 关键词关键词裂隙带高度；上覆岩层；巷道布置；围岩控制技术；锚杆支护； II Abstract With the increase of coal production，gas emission quantity also increase in gas-high coal mine, the phenomenon of coal production restincted by gas reveals more and more common，the gas gradually becomes the bottleneck of restricting the gas-high coal mining. The high-level roadway for gas extraction in roof could take the double responsibility of extraction of gas in working face during mining and in the goaf after mining,which takes a more significant effect of drainage gas. In order to mastering the reasonable arrangement and the deation law of surrounding rock of the high-level roadway, the paper, which was based on the site geological condition of the high-level roadway in N1202 in the Yuwu coal mine ， adopted integrated s of theoretical Analysis，numerical simulation and laboratory experiments and field test to the research，the systematic research results was obtained as follows 1 Using the numerical simulation ，it was determined. for the height range of the fractured zone the paper further analyzed and researched the distribution law of the stress distribution law of overburden rock, it was also revealed for the transmission and diffusion law of vertical stress of the roof strata. 2 Based on comprehensive analysis of the rule of gas migration and storage,the paper put forwards the basic principle of the reasonable position of the high-level roadway.By selecting multiple sets of positions of the high-level roadway and contrastive analysis, the paper obtained the stress environment and the deational law of surrounding rock of the hige-level roadway,finally the best position of the high-level roadway was determined. 3 Based on the deation of surrounding rock of the roadway,the paper put forward scientific and reasonable control technology of the surrounding rock and successfully applied in practice. The paper systematically discussesed the stress distribution and the subsidence rule of the overburden rock, the reasonable arrangement and the control technology of surrounding rock of the high-level roadway，it provided scientific basis and technical support for the similar roadway in the layout and maintenance. There are 43 figures, 12 tables and 58 references. Keywords Fractured zone height; overlying rock strata; roadway layout; control technology of surrounding rock; bolt supporting; III 目 录目 录 摘摘 要要............................................................................................................................ I 图清单图清单........................................................................................................................ VII 表清单表清单......................................................................................................................... XI 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................. XIII 1. 绪论绪论........................................................................................................................... 1 1.1 概述 ......................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 2 1.3 主要研究内容 ......................................................................................................... 6 1.4 主要研究方法 ......................................................................................................... 7 2 试验巷道生产地质条件试验巷道生产地质条件 ......................................................................................... 8 3 上覆岩层破坏及应力分析上覆岩层破坏及应力分析 ................................................................................... 11 3.1 裂隙带高度的范围确定 ....................................................................................... 11 3.2 采动岩层应力分析 ............................................................................................... 19 3.3 本章小结 ............................................................................................................... 21 4 顶板高抽巷的优化布置顶板高抽巷的优化布置 ....................................................................................... 22 4.1 高抽巷布置原则 ................................................................................................... 22 4.2 高抽巷位置的合理确定 ....................................................................................... 24 4.3 高抽巷最佳位置 ................................................................................................... 38 4.4 本章小结 ............................................................................................................... 38 5 顶板高抽巷围岩控制技术顶板高抽巷围岩控制技术 ................................................................................... 40 5.1 巷道支护设计方法 ............................................................................................... 40 5.2 锚杆支护理论分析设计 ....................................................................................... 41 5.3 锚杆支护数值模拟验证 ....................................................................................... 45 5.4 锚杆支护参数确定 ............................................................................................... 53 5.5 高抽巷的密闭施工技术 ....................................................................................... 54 5.6 本章小节 ............................................................................................................... 54 6 工业性试验工业性试验 ........................................................................................................... 56 IV 6.1 围岩控制效果 ....................................................................................................... 56 6.2 矿压监测结果分析 ............................................................................................... 58 7 结论结论........................................................................................................................ 61 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 62 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 65 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 66 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 67 V Contexts Abstract ........................................................................................................................ II List of Figures ........................................................................................................... VII List of Tables .............................................................................................................. XI List of Variables ...................................................................................................... XIII 1. Introduction .............................................................................................................. 1 1.1 Introduction .............................................................................................................. 1 1.2 Current Research Status at Home and Abroad ......................................................... 2 1.3 Major Research Contents ......................................................................................... 6 1.4 Major Research s ......................................................................................... 7 2 Production Geological Condition of Test Roadway ............................................... 8 3 Analysis of the Law on the Failure and Press of the Overlying Rock Masses ... 11 3.1 The Determination of Altitude Range on the Fractured Zone ............................... 11 3.2 Press Analysis of the Overlying Rock Masses ....................................................... 19 3.3 Chapter Summary .................................................................................................. 21 4 The Location Optimization of High-Level Roadway for Gas Extraction .......... 22 4.1 the Arrangement Principle of High-Level Roadway for Gas Extraction ............... 22 4.2 the Determination of Reasonable Position on High-Level Roadway for Gas Extraction ..................................................................................................................... 24 4.3 the Optimum Position of High-Level Roadway for Gas Extraction ...................... 38 4.4 Chapter Summary .................................................................................................. 38 5 Control Technology of Surrounding Rock of High-Level Roadway for Gas Extraction ................................................................................................................... 40 5.1 Roadway Supporting Design s .................................................................. 40 5.2 Theoretical Analysis Design on Roadway Supporting .......................................... 41 5.3 Numerical Simulation Verification of Bolting Supporting .................................... 45 5.4 Parameters Determination of Bolting Supporting .................................................. 53 5.5 Closed Construction Technology of High-Level Roadway for Gas Extraction ..... 54 5.6 Chapter Summary .................................................................................................. 54 6 Industrial Tests ........................................................................................................ 56 VI 6.1 Control Effect of Surrounding Rock ...................................................................... 56 6.2 Results Analysis of Mine Pressure Monitoring ..................................................... 58 7 Conclution ................................................................................................................ 61 References ................................................................................................................... 62 Author Resume ........................................................................................................... 65 Declaration of Thesis Originality.............................................................................. 66 Dissertation Date Collection ...................................................................................... 67 VII 图清单 图清单 List of Figures 图序号 图名称 页码 图 1-1 覆岩离层矿压模型 2 Fig1-1 Mine pressure model of overburden separation 2 图 1-2 论文研究的技术路线图 7 Fig1-2 Technical route of the paper 7 图 2-1 707 钻孔柱状图 9 Fig2-1 Borehole 707 strata columnar section 9 图 2-2 N1202 工作面巷道布置简图 10 Fig2-2 Roadway layout diagram in the N1202 face 10 图 3-1 工作面走向围岩垂直应力与塑性区分布图 15 Fig3-1 Vertical stress and plastic zone distribution of the surrounding rock of the roadway along the strike direction of working face 15 图 3-2 工作面倾向围岩垂直应力与塑性区分布 16 Fig3-2 Vertical stress and plastic zone distribution of the surrounding rock of the roadway along the dip direction of working face 16 图 3-3 沿工作面倾向与走向方向位移等值线分布 17 Fig3-3 Contour map of roadway displacement along the strike and dip direction of working face 17 图 3-4 井下顶板裂隙钻孔窥视图 18 Fig3-4 The underground peep figure of roof bolthole fracture 18 图 3-5 井下钻孔观测示意图 18 Fig3-5 The underground schematic diagram of roof bolthole 18 图 3-6 采空区上覆岩层垂直应力分布 19 Fig3-6 Vertical stress distribution of overburden rock above goaf 19 图 3-7 煤层倾向垂直应力传播图 20 Fig3-7 Diffusion map of vertical stress along the dip direction of coal seam 20 图 4-1 采动裂隙带 O 型圈示意图 23 VIII Fig4-1 Process diagram of O-rings in the fractured zone 23 图 4-2 采动裂隙带煤层倾向形态示意图 23 Fig4-2 Process diagram of the fractured zone along the dip direction of coal seam 23 图 4-3 数值计算模型图 25 Fig4-3 Numerical simulation model 25 图 4-4 掘进期间围岩应力分布 26 Fig4-4 Stress distribution of the surrounding rock during excavation 26 图 4-5 高抽巷掘进期间围岩位移变化 26 Fig4-5 Displacement distribution of the surrounding rock during the excavation of the high-level roadway for gas extra