综放窄煤柱巷道稳定性及注浆加固技术研究.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 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 不包含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 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名喜阮日期歹一】◆√／ 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名二嘶日期2 9 哆．‘．，I 导师签名日期 2 。厅．6 ．汐 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 综放窄煤柱巷道稳定性及注浆加固技术研究 摘要 针对煤矿开采技术的不断发展，综合机械化放项煤开采技术己被广泛 应用于煤矿工程实践中。同时为了提高煤炭资源的利用率，回采巷道一侧 为开采煤体另一侧多采用窄煤柱布置。窄煤柱的留设一方面可提高资源的 采出率，避免造成资源浪费；另一方面却面临在工作面周期来压不断作用 下，回采巷道变形明显，支护变得困难。在众多条件下，对于综放工作面 窄煤柱回采巷道支护研究就显得十分必要。根据工作面顶板岩层垮落规律 和矿压显现规律分析，同时结合实际工作面矿压规律的实测数据，理论计 算得出了窄煤柱的尺寸大小，并借助F L A C 3 0 数值模拟技术模拟了不同条件下 窄煤柱应力和位移的变化。在确定窄煤柱尺寸大小的基础上，通过分析窄 煤柱破碎岩体注浆加固技术，确定注浆加固参数，并最终确定了窄煤柱回 采巷道锚注支护方案和参数。 本文主要针对三元煤业综放工作面窄煤柱回采巷道技术研究，主要结 论如下 1 通过对工作面上覆岩层的垮落特征分析并结合工作面实际矿压规 律的观测得到1 3 0 8 工作面回风顺槽在回采过程中的表面位移、深部位移均 控制在合理范围之内，锚一网支护效果较好，可以保证该巷道使用寿命满 足开采需求；1 3 0 8 工作面回风顺槽在工作面超前5 0 米范围内变形加速，锚 索、锚杆受力较大，应注意加强支护，控制其变形；1 3 0 8 工作面保护煤柱 支承压力峰区在6 ．5 m 以外，根据巷道煤柱宽度确定要求，可以将煤柱宽度 设计在6 m 以内；沿空掘巷布置工作面回风顺槽时，应加大巷道断面，防止 顶板下沉量、两帮移近量过大影响生产；加长锚杆、锚索长度并增加其均 匀布置的数量，保证巷道围岩成为一个锚固整体；1 3 1 0 工作面小煤柱宽度 应控制在6 米的范围以内。 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 通过F L A C 3 0 软件进行数值模拟建立模型，分别模拟了掘进期间和 回采期间煤柱围岩屈服破坏特征、小煤柱的应力和位移分布特征，及随工 作面向前推进煤柱宽度对巷道围岩位移变化的影响，同时确定了小煤柱的 合理宽度为5 ．0 m 。 3 对破碎岩体注浆加固机理进行研究得到，注浆加固主要有以下特 点浆液固化网络骨架作用；充填压密提高围岩强度；减少巷道围岩破碎 区；注浆固化封闭水源；改善锚杆受力状况。并结合工作面实际地质情况 确定了注浆加固参数。 4 经分析计算最终得出了回采巷道支护方案和参数，选用“锚杆 金属网 钢筋梁 锚索补强 注浆加固”的联合支护方案；顶锚杆锚杆长度 2 4 0 0 m m ，间排距9 0 0 m m x 8 0 0 m m ，锚固长度1 2 0 0 m m ，顶锚索锚索长度 8 0 0 0 m m ，锚固长度为1 8 0 0 m m ，锚索排距2 4 0 0 m m ，帮锚杆锚杆长度2 0 0 0 m m ， 锚固长度为6 0 0 m m 。 关键词综放开采，窄煤柱，支护技术，数值模拟 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 R E S E A R C HO NT H ES T A B I L I T YO FR O A D Ⅵ／A Yo F N A R R O WP I L L A RA N DG R O U T I N GR E I N F o R C E M E N T T E C N I Q U E A B S T R A C T W i t ht h ec o n t i n u o u s d e v e l o p m e n to f c o a l m i n i n gt e c h n o l o g y , f u l l y m e c h a n i z e dc a v i n gm i n i n gc a nb eu s e di nw o r k i n gf a c eo f t e n ．I no r d e rt o i m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fc o a lr e s o u r c e sa tt h es a m et i m e ，t h er o a d w a yo nb o t h s i d e so ft h en a r r o wc o a lp i l l a rc o m m o n l yu s e dp r o t e c t i v ec o a lp i l l a r ．N a r r o w c o a lp i l l a ro nt h eo n eh a n dc a ni m p r o v et h er e s o u r c e sr e c o v e r yr a t e ，a v o i dt h e w a s t eo fr e s o u r c e s ．B u to nt h eo t h e rh a n di tf a c e sp r e s s u r ei nc o a lf a c ep e r i o d i c u n d e rt h ea c t i o no fc o n t i n u o u s l y , d e f o r m a t i o no fr o a d w a y , o b v i o u s l y , i td i f f i c u l t t os u p p o r t ．U n d e rm a n yc o n d i t i o n s ，t h en a r r o wp i l l a re x t r a c t i o nf u l l m e c h a n i z e d c a v i n gm i n i n gf a c er o a d w a ys u p p o r t r e s e a r c hi sv e r yn e c e s s a r y ．A c c o r d i n gt ot h e r e s e a r c ho nw o r k i n gs u r f a c eb yc a v i n gr u l ea n dr u l eo fm i n ep r e s s u r ea p p e a r a n a l y s i s ，a n dc o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a lw o r k i n gf a c et h em e a s u r e m e n t so ft h e m i n ep r e s s u r er e g u l a r i t ya n dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fn a r r o wc o a lp i l l a rs i z e ， a n db ym e a n so fF L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt o s i m u l a t et h e d i f f e r e n tc h a n g e so fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o no fn a r r o wc o a l p i l la r ．U n d e rt h ec o n d i t i o no fd e t e r m i n a t i o no fn a r r o wc o a lp i l l a rs i z e ，t h r o u g h t h ea n a l y s i so fn a r r o wc o a lp i l l a rb r o k e nr o c kg r o u t i n gr e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g y , g r o u t i n g r e i n f o r c e m e n tp a r a m e t e r s ，a n d f i n a l l y d e t e r m i n e d ，n a r r o wp i l l a r e x t r a c t i o nr o a d w a ya n c h o rr e i n f o r c e m e n ts c h e m ea n di n j e c t i o np a r a m e t e r s ． T h i sa r t i c l em a i n l ya i m sa tS a nY u a nc o a lc o m p a n yc o a ln a r r o wp i l l a r e x t r a c t i o no ff u l l ．m e c h a n i z e dc a v i n gm i n i n gf a c er o a d w a yt e c h n o l o g yr e s e a r c h ， t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s 1 B a s e do nt h ew o r k i n gp l a n ec a v i n gc h a r a c t e r i s t i c so fo v e r b u r d e n t r a t u ma n a h “m d , m b i n i nw i t ht h e ‘ u l a r i t yo ft h eworkingSa t u ma n a l y s i sa n dc o m b i n i n gw i t ht h em i n ep r e s s u r er e g u t a n t yO Im ew o r k i n gt r I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 f a c eo b s e r v a t i o n sr e t u r na i ra l o n gt h et r o u g hi nt h ee x t r a c t i o np r o c e s so f130 8 f a c es u r f a c ed i s p l a c e m e n ta n dd e e pd i s p l a c e m e n ta r ec o n t r o l l e di nar e a s o n a b l e s c o p e ，a n c h o r n e ts u p p o r t i n ge f f e c ti sg o o d ，c a ne n s u r et h a tt h er o a d w a yw i t h i n t h es e r v i c el i f eo ft h en o r m a lu s e ；R e t u r na i ra l o n gt h et r o u g ho f13 0 8f a c ei nt h e w o r k i n gf a c ea d v a n c i n gd e f o r m a t i o ns p e e do f5 0m e t e r ss c o p e ，a n c h o rc a b l e ， a n c h o rf o r c ei sb i g g e r , s h o u l dp a ya R e n t i o nt os t r e n g t h e nt h es u p p o r ta n dc o n t r o l i t sd e f o r m a t i o n ；13 0 8f a c ep r o t e c t i o nc o a lp i l l a ra b u t m e n tp r e s s u r ep e a ka r e a o u t s i d et h e6 ．5m ，a c c o r d i n gt ot h ew i d t ho fc o a lp i l l a ro ft u n n e lt od e t e r m i n e r e q u i r e m e n t s ，c a nb ed e s i g nw i t h i n6m w i d t ho fc o a lp i l l a r ；R o a d w a yd r i v i n g a l o n gg o a fd e c o r a t ea f a c ew h e nt h er e t u ma i ra l o n gt h et r o u g h ，r o a d w a ys e c t i o n s h o u l ds t e pu p ，t op r e v e n tt h er o o fs u b s i d e n c e ，t w ol a r g ea m o u n to fh e l pn e a r e r i n f l u e n c ep r o d u c t i o n ；L e n g t h e nb o l t ，a n c h o rc a b l el e n g t ha n di n c r e a s ei t sd e n s i t y , g u a r a n t e eo fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ka sa na n c h o rw h o l e ；1310w o r k i n gf a c e o fs m a l lc o a lp i l l a rw i d t hs h o u l db ec o n t r o l l e dw i t h i nt h er a n g eo f6m e t e r s ． 2 B yF L A C 3 Dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r et oe s t a b l i s hm o d e l ， s i m u l a t e dt h ed i s t r i b u t i o nd u r i n gt h ee x c a v a t i o na n ds t o p p i n gp i l l a r sy i e l df a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c k ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i ci nt h e n a r r o wc o a lp i l l a r , t h ed i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei n f l u e n c e o fc o a lp i l l a rw i d t ho nr o a d w a yd e f o r m a t i o n ，a n dd e t e r m i n et h er e a s o n a b l eo f n a r r o wc o a lp i l l a rw i d t hi s5 ．0m ． 3 T h r o u g ht h eb r o k e nr o c kg r o u t i n gr e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s m ，g r o u t i n g r e i n f o r c e m e n tm a i n l yh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s s l u r r yc u r i n gn e t w o r k s k e l e t o n ； F i l l i n gp r e s s u r ei n c r e a s e dt h es t r e n g t ho fs u r r o u n d i n gr o c k ；R e d u c eb r o k e nz o n e o fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k ；G r o u t i n gw a t e rc u r i n gc l o s e d ；T oi m p r o v eb o l t s t r e s ss t a t e ．4C o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a lg e o l o g i c a ls i t u a t i o nd e t e r m i n e st h e g r o u t i n gr e i n f o r c e m e n tp a r a m e t e r s ． 4 B ya n a l y z i n gt h es u p p o r tp l a na n dp a r a m e t e r s ，u l t i m a t e l yd e t e r m i n e st h e e x t r a c t i o nt u n n e ls u p p o r ts c h e m es e l e c t st h ea n c h o r n e t s t e e lb e a m a n c h o r 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 c a b l er e i n f o r c e m e n to fr e i n f o r c e db e a mc o m b i n e ds u p p o r t ；R o o fb o l t ，a n c h o r l e n g t hi s 2 ．4m ，s p a c i n gi s9 0 0m m ，f r o m8 0 0m i l l ，a n c h o r a g el e n g t hi s 12 0 0m m ， t h et o pa n c h o rc a b l e ，a n c h o rc a b l el e n g t hi s8m ，a n c h o r a g el e n g t hi s18 0 0m m ， a n c h o rc a b l er o ws p a c i n go f2 ．4m ，h e l pa n c h o rr o d ，a n c h o rl e n g t hi s 2 ．4m ， a n c h o r a g el e n g t hi s6 0 0m m ． K e yw o r d s F u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gm i n i n g ；N a r r o wc o a lp i l l a r ；S u p p o r t T e c h n o l o g y ；N u m e r i c a lS i m u l a t i o n V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 论文研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 国内外窄煤柱宽度留设研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2 锚注支护技术国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 论文研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．3 ．2 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 第二章工作面上覆岩层垮落特征及矿压显现规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 工作面上覆岩层跨落特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．1 顶板初次垮落及周期来压规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．2 上覆岩层运动对沿空掘巷的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 开采工作面支承压力显现特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 l 2 ．2 ．1 支承压力在开采工作面前后方分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．2 ．2 ．回采巷道围岩位移变化规律实测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 第三章现场矿压观测方案及数据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 3 ．1 观测方法和测站布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 3 ．1 ．1 巷道围岩位移变化规律观测方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．1 ．2 巷道支护载荷观测方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 3 ．1 ．3 巷道围岩内部应力特征观测方法和测站布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．2 现场观测数据处理及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．2 ．1 回采期间13 0 8 风巷表面位移特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 3 ．2 ．2 围岩深部位移特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l9 3 ．2 ．3 锚杆载荷变化特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．2 ．4 煤柱内部应力特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 第四章窄煤柱稳定机理及合理尺寸确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 V I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 ．1 数值模拟窄煤柱的稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．1 ．1 煤岩层及地应力条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．1 ．2 计算方法及计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．1 ．3 模拟过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 窄煤柱围岩屈服破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．2 ．1 掘巷期间煤柱围岩屈服破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．2 ．2 回采期间煤柱围岩屈服破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．3 窄煤柱应力分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l 4 ．3 ．1 掘巷期间煤柱应力分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3l 4 ．3 ．2 回采期间煤柱应力分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．4 窄煤柱位移变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．4 ．1 掘巷期间煤柱位移变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．4 ．2 回采期间煤柱位移变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．5 煤柱宽度对巷道稳定性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．6 窄煤柱的合理宽度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．6 ．1 确定煤柱合理宽度的原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．6 ．2 合理的窄煤柱宽度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 第五章窄煤柱破碎围岩注浆加固技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 破碎岩体注浆加固机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 ．1 浆液固化网络骨架作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 ．2 充填压密提高围岩强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．1 ．3 注浆减小巷道围岩破碎区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．1 ．4 注浆固化封闭水源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．1 ．5 注浆改善锚杆受力状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．2 注浆加固参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 ．1 注浆加固时机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 ．2 注浆加固深度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．3 注浆孔布置方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 ．4 注浆压力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 ⅥT T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ．2 ．5 注浆固化材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 第六章窄煤柱巷道锚注加固方案及参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．1 窄煤柱巷道锚注加固技术要点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 ．213 10 综放面布置及地质力学特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 4 6 ．2 ．1 生产及巷道布置情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 6 ．2 ．2 地质力学特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 6 ．3 锚杆支护方案及参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 ．3 ．1 顶板锚杆支护参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 ．3 ．2 顶板锚索参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 ．3 ．3 帮锚杆支护方案及支护参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．3 ．4 锚杆支护材料及技术规格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 6 ．4 注浆加固参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．4 ．1 注浆材料选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．4 ．2 窄煤柱注浆参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 第七章结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 l 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 附录1攻读学位期间发表论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 附录2 攻读硕士期间参加的科研项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 X 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 ．1 论文研究的目的和意义 三元煤矿是一座生产能力为18 0 万t 的大型现代化矿井，为了实现采煤的高产高效， 采用窄煤柱布置综放工作面回采巷道。本文针对长治三元煤矿进行综放工作面窄煤柱回 采巷道技术研究n ’2 1 。该研究针对三元煤矿煤 岩 层赋存条件、煤 岩 力学特性及开 采条件，通过现场实测、数值模拟结合理论分析等方法对工作面回采巷道窄煤柱稳定性 状况深入研究，确定窄煤柱的合理尺寸，以及窄煤柱巷道的支护方案、支护参数n 1 。 注浆加固能够使围岩的整体承载能力大幅提高，改善围岩结构基础强度及其性质， 还可以降低支护成本、支护效果显著，它是通过灌注浆液来充实围岩的各种弱面，提高 围岩质量，改进围岩整体稳定性和力学特性。利用注浆加固技术，以达到通过注浆控制 巷道围岩变形使其稳定的目的。随着联合支护技术的广泛应用，注浆加固联合锚杆支护， 使得锚杆支护作用在注浆加固保证围岩质量的前提下得到更好的发挥口巧1 ，保证锚杆支护 的连续性和可靠性，而且两者构成有效的支护体系，大大提高了围岩自承能力、有利于 更好地约束及适应巷道围岩变形，改善巷道维护。 锚杆支护由于对围岩实现较大预紧力，改善围岩受力状况，使得围岩强度得以提高， 围岩的承载能力得到有效发挥阳1 。但对于应力环境复杂、围岩比较破碎的情况，锚杆支 护难以发挥作用。会出现锚固力较小、或锚固力衰减、甚至出现锚固失效。而注浆加固 可有效改善锚杆可锚性差，锚固力失效或减弱，对围岩的支撑作用不佳的情况，注浆加 固能够很好修复因应力环境变化而产生的新旧裂隙，重新胶结裂隙面，改善围岩结构， 使锚杆的锚固作用得到有效发挥。对于围岩比较破碎巷道，采用注浆加固结合锚杆支护 的联合方案，可以使得两种支护方案优势互补，进而提高围岩强度，改善复杂应力环境 下围岩比较破碎的巷道维护。从根本上提高围岩强度，充分发挥锚杆支护作用，充分利 用围岩的自承能力，改善围岩的结构和力学性能，注浆加固是一条有效，切实可行的维 护巷道的途径。 开展大采高小煤柱巷道围岩控制及支护技术研究，特别对于改进应力环境复杂、巷 道围岩破碎导致巷道维护困难安全性低的情况提供了重要依据和技术支持。实践证明， 对于围岩破碎的小煤柱巷道，想要提高其支护效果，保证巷道的稳定性，确保煤炭生产 的安全、高产、高效，通过采用高强度锚杆进行锚杆支护，配以高水速凝材料进行注浆 加固，使得煤炭回收率提高、工人劳动强度得以减轻，综合效益各自得到很大提高№。8 J 。 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国内外窄煤柱宽度留设研究现状 国外对煤柱尺寸研究的理论比较多，时间也较国内早。美国学者M o o r e 和D a n i e i s 于2 0 世纪初就进行了煤岩块受力分析的研究，通过多次试验研究，得到试验成果试 块尺寸大小与强度大小成反比，而非正比，即试块越大强度越小；当试块宽度不变，试 块高度越大强度越小。这同学者B u n t i n g 的认识达成一致，也就是所谓的“形状效应” 和“尺寸效应”。在2 0 世纪中期，科学家G a d d y 等人进行煤岩试块相应煤柱强度的研究， 得到了试块尺寸与其强度成反比的规律和结论。到了2 0 世纪中后期，学者S a l a m o n 等 人提出了新的的煤柱强度经验公式，它是基于南非矿区进行研究并适用于本矿区；后来 学者C a b r a l 研究出了煤柱强度内核区不等理论，虽然这个理论实用性很低，但是在煤柱 研究方面的意义很大；接着，学者W i l s o n 依据C a b r a l 的理论提出了两区约束理论，五 点假设和无核区与有核区煤柱强度的计算公式为之后的理论和实践奠定了重要的基础。 我国在2 0 世纪7 0 年代之前矿井巷道支护技术还很落后，与西方国家还有一定差距， 锚杆支护技术还不成熟，当时我国最多采用的方法就是在巷道留设煤柱，但是要通过一 定宽度的煤柱留设既要达到高产高效，又要保证巷道易于维护安全可靠，成为当时的主 要技术难题。这种方法在当时含有明显的不足之处1 ．进行厚煤层分层开采时，由于上 分层区段留设煤柱导致应力集中，使得下分层开采存在技术难题和安全隐患。2 ．两条巷 道之间留设的区段煤柱也隐藏着不安全因素，即容易引起煤自燃，这会对本区段工作面 开采的工人带来灾害威胁。3 ．当时的工程实施水平不高，设备技术不先进，所以两巷留 煤柱比较费工费时，而且巷道支护效果也不好睁1 0 1 。 到2 0 世纪7 0 年代之后，先进的生产技术和先进的设备使得我国煤矿开采整体的技 术得到了很大的提高，沿空留巷和沿空掘巷技术也得到了广泛推广n 1 。12 | 。沿空掘巷位于 应力降低区，应力环境随着掘巷前后以及工作面采动而发生变化，掘巷后，回采巷道由 于项板活动使得上部围岩发生变形，成为巷道围岩控制的关键，这会对巷道围岩的承载 能力及整体稳定性造成不利影响，当开采本区段工作面，二次采动的影响会使得回采巷 道的支护难度更大。所以回采巷道顶板结构如何运动是确定煤柱宽度时必然考虑的因 素，这样留设煤柱宽度才够合理。 目前，国内外关于煤柱宽度的留设研究结果有很多，还没有形成一致的煤柱宽度留 设的认可，对煤柱宽度界限也没有统一标准。有些学者依据煤岩试块的形状效应和尺寸 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 效应，认为煤柱宽度的设计应该越小越好，可以设计5 m 以下的煤柱宽度；有些学者则 认为煤柱宽度越小回采巷道越不稳定，当处于回采过程中，工作面会受二次采动的影响， 煤柱尺寸设立的太小会支撑不起二次采动带来的影响，所以他们认为煤柱宽度的设计越 大越好，可设计2 0 m 以上煤柱宽度。根据我国所采矿区的地质条件和煤层赋存情况，煤 柱宽度的设计主要偏向小煤柱的研究。冯夏庭教授的智能岩石力学中提到的人工精神网 络法，对确定煤柱宽度和检测矿区工作面变化情况有实际效果；中国矿业大学侯朝炯和 柏建彪等教授通过研究沿空掘巷项板围岩结构特征及其稳定性，总结了提高小煤柱巷道 安全可靠性的技术要点，根据砌体梁结构下关键块的运动规律特点建立力学模型，进行 分析小煤柱回采巷道上覆岩体结构和小煤柱巷道锚杆支护形成的支护体系，进而得到工 作面回采对上覆岩体结构和支护体系的矿压显现和影响变化，用来更合理的进行小煤柱 围岩控制，提高围岩质量n 3 。4 l 。 我国在沿空掘巷小煤柱留设的问题上已经有近六十年的研究了，研究成果也在工程 实践中得到了应用。小煤柱的特点1 ．在掘巷期间和工作面采动期间，沿空掘巷窄煤柱 的变形都很剧烈。2 小煤柱的塑性区宽度与其本身宽度的比值相对较大，是回采巷道支 护的一大难题。所以要确保回采巷道围岩的稳定，必须注重影响煤柱宽度的主要两点 1 ．回采巷道的围岩应力分布状态；2 ．煤柱自身的稳定性。煤柱强度的计算方法是在一定 假设基础上，综合考虑现场矿压观测和数值模拟，用经验公式进行计算，进而确定煤柱 宽度。 1 ．2 ．2 锚注支护技术国内外研究现状 煤矿上采用锚注加固是由建筑工程领域引进而来，通过采用特殊注浆锚杆作为材料 进行外锚内注加固煤岩体。通过将注浆加固配合锚杆支护，使两者在围岩控制的能力上 相得益彰，这是锚注加固的优势所在。锚注技术应用广泛，主要体现在桥梁建设、冶金、 隧道工程以及采矿等领域，优点是工程造价低，实用效果显著，而且