新安矿综放沿空留巷围岩活动规律与巷旁支护研究(1).pdf

全日制硕士学位论文 新安矿新安矿综放沿空留巷综放沿空留巷围岩活动规律围岩活动规律 与与巷旁支护研究巷旁支护研究 Research on Moving Rule of Surrounding Rock of Gob-side Entry Retaining and It’s Roadside Support in Fully Mechanized Top Coal Caving Face of Xin’an Coal Mine 申请人姓名 丁智豪 指导教师 魏锦平 学位类别 工学硕士 专业名称 采矿工程 研究方向 巷道矿压及其控制 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二二○○一一三三年年六六月月 中图分类号中图分类号TD353 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 新安矿综放沿空留巷围岩活动规律 与巷旁支护研究 Research on Moving Rule of Surrounding Rock of Gob-side Entry Retaining and It’s Roadside Support in Fully Mechanized Top Coal Caving Face of Xin’an Coal Mine 申请人姓名申请人姓名 丁智豪丁智豪 申请学位申请学位 工学工学硕士硕士 学 科 专 业学 科 专 业 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 巷道矿压及其巷道矿压及其控制控制 导导 师师 魏锦平魏锦平 职职 称称 副教授副教授 提 交 日 期提 交 日 期 2013 年年 6 月月 答辩日期答辩日期 2013 年年 6 月月 河南理工大学 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何 其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发 和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学 位 论 文 使 用 授 权 声 明学 位 论 文 使 用 授 权 声 明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即 学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，允许采 用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版 本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 致致 谢谢 本文是在导师魏锦平老师的指导下完成的，从论文的选题、思路形成、新安 矿的现场监测及撰写完成，每一个环节都凝结着导师的心血。三年来，我不但学 到了丰富的专业知识，而且培养了认真敬业的工作态度。在此，谨向我的导师致 以崇高的敬意和衷心的感谢 感谢河南理工大学对我的培养感谢为我授课的所有老师对我的谆谆教导和 在生活、学习中给予的帮助感谢已参加工作的师兄对我学习和生活上的帮助， 感谢高强、张乐、王兵、陶占宇等同学在相似模拟实验中付出的辛勤劳动，感谢 梁向辉等同学在数值模拟实验和论文撰写中给予的帮助。在现场实验期间，得到 了义煤集团卢军明、李书文等的热情帮助。在此，向他们表示衷心的谢意。 在论文撰写过程中，参阅了大量的文献资料，感谢论文中所引用文献的各位 著、编、译者。 最后向在百忙之中对论文进行评审的专家和老师致以深深的谢意并恳请各 位专家和老师多提宝贵意见 丁智豪 二〇一三年四月 I 摘摘 要要 本文以新安煤矿 15061 综放工作面为工程背景，综合运用现场观测、相似模 拟、理论分析和数值模拟等方法对沿空留巷围岩活动规律和巷旁支护体的关系进 行了研究。 论文通过工作面矿压观测，研究了工作面矿压显现规律，对工作面围岩进行 了分类，确定巷旁支护宜选用切顶型支护方式，确定了极限平衡区宽度和煤体支 承压力参数值。通过相似模拟实验得出对巷道支护起决定作用的顶板大结构在深 入煤体 10m 处断裂，在采空区侧悬伸长度 8m，层位是泥岩、中砂岩和粉砂岩。根 据顶板在煤体深处断裂前的状态建立固支梁力学模型，断裂后建立简支梁力学模 型，计算了在不同巷旁支护体宽度条件下巷旁支护体的工作阻力，结合材料强度 对现有支护方案进行优化。通过数值模拟研究了工作面后方不同距离处留巷段巷 道围岩应力分布规律，分析了不同巷旁支护体宽度条件下巷道围岩变形与受力情 况。通过对留巷段巷道压力实测，结合理论计算，以砌筑带的工作阻力为依据按 滞后工作面距离对留巷段进行了分区,分析了留巷段围岩活动规律。 本文的研究成果可以指导现场生产实践，提高沿空留巷巷道支护的科学性和 合理性，为进一步扩大沿空留巷应用范围提供理论基础。 关键词关键词沿空留巷；围岩活动规律；相似模拟；数值模拟；巷旁支护 II III Abstract Based on the engineering background of fully mechanized top-coal caving face 15061, the relationship of surrounding rock behavior law and the roadside support was resesrched by the s of field measurement, similar simulation, theoretical analysis and numerical simulation, etc. Firstly, through the observation of strata behavior regularity, the face’s behavior of periodic pressure was analyzed, the roof and floor rocks at coal face were classified, and the breaking roof was chosen to support roadside. The limit balance district width and abutment pressure of the caol were measured. Secondly, on the basis of laboratory similar simulation experiment, the roof structure of gob-side entry retaining was perceived. The size and position of the key block were obtained, which had one end fracture at 10m in the coal, the other hanging 8m, and the position was siltstone and medium-sandstone. Thirdly, according to the law of roof movement by stages, mechanical models based on the beams were built. The working resistance of the masonry zone was calculated, parameters and scheme of the gob-side entry were optimized. Fourthly, the failure modes of roadway surrounding rock in different placements and behavior law were researched through numerical simulation. Fifthly, roadway behind coal face was partitioned according to the support resistance of field observation, and the surrounding rock behavior law was analysed. The results of the paper can be applied to guide the practice, and improve the support of gob-side entry retaining. Key words gob-side entry retaining; surrounding rock behavior law; similar simulation; numberical simulation; roadside support IV V 目目 录录 摘摘 要要 ............................................................................................................................... I 目目 录录 ............................................................................................................................. V 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 课题的研究背景和意义 ........................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ....................................................................................................... 2 1.2.1 国外研究现状 ............................................................................................................................ 2 1.2.2 国内研究现状 ............................................................................................................................ 3 1.2.3 沿空留巷理论的研究现状 ........................................................................................................ 5 1.3 存在的问题 ............................................................................................................... 7 1.4 研究内容、方法及路线 ........................................................................................... 7 1.4.1 研究内容 .................................................................................................................................... 7 1.4.2 技术路线 .................................................................................................................................... 8 2 综放工作面矿压规律研究综放工作面矿压规律研究 .......................................................................................... 9 2.1 15061 工作面开采技术条件 ..................................................................................... 9 2.2 矿压观测方案 ......................................................................................................... 11 2.3 工作面矿压观测结果 ............................................................................................. 14 2.3.1 周期来压特征 .......................................................................................................................... 14 2.3.2 支架阻力特征 ........................................................................................................................... 19 2.3.3 工作面超前支承压力分布 ...................................................................................................... 21 2.3.4 侧向支承压力分布 .................................................................................................................. 26 2.4 煤层顶板分类 ......................................................................................................... 27 2.4.1 直接顶分类 .............................................................................................................................. 27 2.4.2 基本顶分类 .............................................................................................................................. 28 2.5 底板比压测试及分类 ............................................................................................. 29 2.5.1 底板比压测试原理 .................................................................................................................. 29 2.5.2 底板比压测试结果 .................................................................................................................. 30 2.6 本章小结 ................................................................................................................. 32 VI 3 综放工作面沿空留巷相似模拟研究综放工作面沿空留巷相似模拟研究 ......................................................................... 35 3.1 相似模拟实验原理 .................................................................................................. 35 3.1.1 相似模拟实验理论 .................................................................................................................. 35 3.1.2 相似准则 .................................................................................................................................. 36 3.2 围岩物理力学参数测定 .......................................................................................... 37 3.2.1 取样及主要实验设备 .............................................................................................................. 37 3.2.2 围岩物理力学参数 .................................................................................................................. 38 3.3 实验模型设计 .......................................................................................................... 38 3.3.1 相似系数的确定 ...................................................................................................................... 38 3.3.2 相似材料用量及模型的制作 .................................................................................................. 40 3.3.3 模型加载 .................................................................................................................................. 40 3.3.4 测点的布置及观测方法 .......................................................................................................... 42 3.4 实验过程 .................................................................................................................. 45 3.5 实验结果 .................................................................................................................. 46 3.5.1 沿空留巷顶板破断的基本规律 .............................................................................................. 46 3.5.2 顶板小结构 .............................................................................................................................. 47 3.5.3 顶板大结构 .............................................................................................................................. 48 3.5.4 上覆岩层下沉规律 .................................................................................................................. 48 3.5.5 巷道围岩变形规律 .................................................................................................................. 50 3.6 本章小结 .................................................................................................................. 50 4 巷旁支护体主要参数理论计算巷旁支护体主要参数理论计算 ................................................................................. 51 4.1 关键层判断 .............................................................................................................. 51 4.1.1 关键层理论 .............................................................................................................................. 51 4.1.2 上覆岩层特征 .......................................................................................................................... 52 4.1.3 关键层的判别 .......................................................................................................................... 52 4.2 沿空留巷巷旁支护-围岩关系力学模型 .................................................................. 56 4.3 巷旁支护体对直接顶的支护阻力计算 .................................................................. 59 4.3.1 巷旁支护体对直接顶支护阻力计算 ...................................................................................... 59 4.3.2 巷旁支护体对直接顶剪力与弯矩计算 .................................................................................. 63 4.4 巷旁支护体对基本顶的支护阻力计算 .................................................................. 66 VII 4.4.1 巷旁支护体对基本顶支护阻力计算 ...................................................................................... 66 4.4.2 巷旁支护体对基本顶剪力与弯矩计算 .................................................................................. 71 4.5 巷旁支护体主要参数选取 ..................................................................................... 73 4.6 本章小结 ................................................................................................................. 75 5 沿空留巷围岩活动规律数值模拟研究沿空留巷围岩活动规律数值模拟研究 .................................................................... 77 5.1 数值模拟过程 ......................................................................................................... 77 5.1.1 模型的尺寸 .............................................................................................................................. 77 5.1.2 边界条件 .................................................................................................................................. 78 5.1.3 模拟方案 .................................................................................................................................. 78 5.2 数值模拟结果分析 ................................................................................................. 78 5.2.1 工作面后方侧向垂直应力的分布情况 .................................................................................. 78 5.2.2 工作面后方围岩破坏情况 ...................................................................................................... 80 5.3 不同巷旁支护体宽度条件下巷道围岩受力与变形 ............................................. 82 5.3.1 不同巷旁支护体宽度条件下巷道围岩受力 .......................................................................... 82 5.3.2 不同巷旁支护体宽度条件下巷道围岩变形 .......................................................................... 84 5.4 本章小结 ................................................................................................................. 87 6 沿空留巷现场试验沿空留巷现场试验 .................................................................................................... 89 6.1 沿空留巷施工 ......................................................................................................... 89 6.2 沿空留巷巷道支护压力实测 ................................................................................. 90 6.2.1 压力观测方案 .......................................................................................................................... 91 6.2.2 巷内单体支柱压力 .................................................................................................................. 92 6.2.3 砌筑带压力 .............................................................................................................................. 93 6.3 本章小结 ................................................................................................................. 94 7 结论结论 ............................................................................................................................ 97 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 99 作者简历作者简历 ...................................................................................................................... 103 学位论文数据集学位论文数据集 .......................................................................................................... 105 VIII 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题的研究背景和意义 综放开采技术是我国煤矿实现高产高效并具有国际领先水平的一项煤炭开采 技术，特别是对赋存不稳定煤层适应性比较强。随着该项技术的大面积推广与应 用，引起单产高和瓦斯涌出源多，使得综放工作面瓦斯积聚和超限现象频繁出现， 已成为制约工作面高效和矿井集中生产的主要因素之一。特别是在开采瓦斯含量 高透气性低抽放难度大的煤层时，工作面瓦斯超限问题日益突出，已严重威胁矿 井的安全生产[1]。采用沿空留巷或沿空掘巷的无煤柱开采有利