沿空动压巷道变形预测及稳定性控制技术研究.pdf

论文题目 沿空动压巷道变形预测及稳定性控制技术研究 国家自然科学基金N o ．5 1 3 0 4 1 2 6 霍英东青年教师基金N o ．1 4 1 0 4 6 高等学校博士学科点专项科研基金N o ．2 0 1 2 3 7 1 8 1 2 0 0 0 9i 国家重点基础研究计划N o ．2 0 12 C B 7 2 310 4 入学时间2 Q 里2 生2 旦 专业名称塞垒挫型亚程 研究方向 文志杰 职 职 论文提交日期2 Q 曼量生旦兰Q 旦 论文答辩日期2 Q 里生鱼旦2 旦 授予学位日期 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。 硕士生签名 日 A F F I R M A T I O N ／衷逸 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi n S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s s r e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 士尸 山东科技大学硕二L 学位论义 摘要 摘要 随着矿井开采强度的提高，许多矿井采掘接续紧张，为保证矿井的正常生产一些矿 井采取了留设窄煤柱的沿空掘巷与相邻工作面开采相向推进的掘巷方式。这种情况下． 不但要考虑到煤柱的留设以及顶板岩体的稳定性因素，更要分析侧向关键顶板的破断回 转对沿空巷道稳定性的影响。因此，巷道的支护难度更大，对支护体的强度与耦合性要 求更高。 本文首先建立窄煤柱沿空掘巷力学模型，为相向掘巷上覆岩层的结构及稳定性分析 提供理论基础。在沿空掘巷上覆岩层结构及稳定性分析的基础上，对相向掘巷上覆岩层 结构与稳定性进行了分析，根据沿空掘巷与相邻工作面的之间的位置关系，将相向掘巷 上覆岩层结构划分为基本顶初始稳定结构、基本顶侧向连续结构和弧形三角块结构。 以东大煤矿三采区相向掘巷为实例，对掘巷期间以及受1 2 3 0 2 采动影响阶段巷道的 稳定性进行定性分析，并利用实际地质条件数据，通过计算分析，对1 2 3 0 6 轨道巷相向 掘巷的可行性进行了判定。通过理论计算确定相向掘巷窄煤柱的留设宽度为5 ．0 m 。 利用灰色预测G M 1 ，1 模型对相向掘巷期间1 2 3 0 6 轨道巷围岩变形进行预测，并对 预测精度进行了评价。预测结果表明，巷道上帮和顶板受采动影响比较大，已采取的巷 道支护未起到较好的支护效果。经过现场观测，对支护结构的合理性进行了分析，并提 出了三种优化方案。通过F L A C 3 D 软件对优化方案进行数值模拟，分析了采动与掘巷复 合影响下对围岩的变形控制效果，并进行了方案优选。现场观测证明支护方案合理有效。 关键词动压巷道；相向掘巷；围岩变形；灰色预测 山东科技人学硕士学位论文 A B SlR A C I A BS T R A C T W i t ht h eg r a d u a li n c r e a s eo fm i n i n gs t r e n g t h ，m a n ym i n e sf a c es u c c e s s i o nt e n s i o no f m i n i n g ．I no r d e r t og u a r a n t e en o r m a lp r o d u c t i o no ft h em i n e s ，af e wo ft h e ma d o p t e dg o b ’s i d e e n t r yd i ‘i v i n gw i t hr e t e n t i o no ft h i np i l l a r , w h i c hd i g sr o a d w a yo p p o s i t ed i r e c t i o nw i t ht h e n e a r b yc o a lf a c e ．I nt h ec i r c u m s t a n c e s ，n o to n l yr e t e n t i o no ft h ec o a lp i l l a ra n ds t a b i l i t yo ft h e r o o fr o c km a s sw o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n ，b u ts t a b i l i t yo ft h eg o b - s i d ee n t r yi n f l u e n c e d b yb r o k e na n dr o t a t i o np r o c e s so fl a t e r a lk e yr o o fr o c k ．T h e r e f o r e ，t h eg o b s i d ee n t r y i sh a r d e r t os u p p o r ta n dt h es t r e n g t ha n dc o u p l i n go fS u p p o r tr e q u i r eh i g h e r ． F i r s t l y , T h i sp a p e r e s t a b l i s h e sam e c h a n i c a lm o d e la b o u tg o b - s i d ee n t r yd r i v i n gw i t h r e t e n t i o no fn a r r o w , w h i c hp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o ra n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n ds t a b i l i t y o fo v e r ly i n gs t r a t a ．i n “C o u n t e r p r o p a g a t i n gr o a d w a yd r i v i n g ”．B a s e do nt h i sa n a l y s i s ，t h e s t r u c t u r ea n ds t a b i l i t yo fo v e r l y i n gs t r a t ai nt h ed r i v e dr o a do p p o s i t et ot h el a s tf a c ec o u l db e a n a l y s e d ．A c c o r d i n gt op o s i t i o nr e l a t i o nb e t w e e ng o b - s i d ee n t r ya n d t h en e a r b yc o a lf a c e ，t h e s t r u c t u r eo fo v e r l y i n gs t r a t ac o u l db ed i v i d e di n t of o u rt y p e s ，i n c l u d i n g “B a s i cr o o fo r i g i n a ls t a b i l i t y s t r u c t u l ‘e ”．‘B a s i cr o o fl a t e r a lc o n t i n u o u ss t r u c t u r e ’’a n d ‘‘A r ct r i a n g u l a r - b l o c ks t r u c t u r e ”． T a k i n gt h er o a dd l ‘i v i n go p p o s i t et ot h el a s tf a c ei nt h et h i r dm i n i n ga r e ao fd o n g d ac o a l m i n et “ o l ‘[ i ne x a m p l e ，t h es t a b i l i t yo fr o a dd u r i n gr o a dd r i v i n ga n d12 3 0 2m i n i n gi n f l u e n c e h a v eb e e nq u a l i t a t i v ea n a l y s e d ．U s i n ga c t u a lg e o l o g yc o n d i t i o nd a t aa n dc a l c u l a t i o na n a l y s i s ， t h ef e a s i b i l i t yo f1 2 3 0 6r a i l w a yl a n e w a y ’Sc o u n t e r p r o p a g a t i n gr o a d w a yd r i v i n gh a sb e e n d e t e r m i n e d ．T h ew i d t ho fn a r r o wc o a lp i l l a ri s5 m ，d e t e r m i n e db yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ． U s i n gG M 1 ，1 g r e yp r e d i c t i o nm o d e l ，t h es u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o no f1 2 3 0 6 r a i l w a yl a n e w a yh a sb e e np r e d i c t e da n dt h ep r e d i c t i o na c c u r a c yh a sb e e ne v a l u a t e d ．T h e p r e d i c t i o nr e s u l t ss h o wt h a tm i n i n gi n f l u e n c eh a sm o r es e r i o u se f f e c to nt h eu p p e rw o r k i n g s l o p ea n dt h er o o f , t h et a k e nr o a d w a ys u p p o r th a s ’t a c h i e v e dag o o de f f e c t ．B yf i e l d m o n i t o l l i l l 坚，t h er a t i o n a l i t yo fs u p p o r ts t r u c t u r eh a sb e e na n a l y s e da n do p t i m i z a t i o ns u p p o r t s c h e m eh a sb e e np u tf o r w a r d ．U s i n gt h eF L A C 3 Ds o f t w a r et h eo p t i m i z a t i o ns u p p o r ts c h e m e h a sb e e n1 ．e s e a r c h e da n dt h ed e f o r m a t i o ns u r r o u n d i n gr o c kw a sa n a l y s e d ．F i e l do b s e r v a t i o n p r o v e dt h a tt h es u p p o r t i n gs c h e m ei s1 ’e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e ． K m ．7w o r d s D y n a m i cp r e s s u r er o a d w a y ，C o u n t e r p r o p a g a t i n gr o a d w a yd r i v i n g ， S u r r o u l l di 1 1 9r o c kd e f o r m a t i o n ，G r e yp r e d i c t i o n 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1 绪论．。⋯⋯．。．⋯．⋯．．．．．。．⋯⋯⋯．⋯。。。⋯⋯。．⋯．⋯。。．．．．．．．．⋯。。．．．．⋯。⋯．．。⋯．．．．．．．。。．．1 1 ．1 课题的提出与工程研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 窄煤柱沿空掘巷围岩结构模型及稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 沿空掘巷上覆岩层结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 沿空掘巷围岩应力分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 2 ．3 沿空掘巷窄煤柱稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 相向掘巷围岩结构模型及稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 5 3 ．1 相向掘进巷道围岩结构及稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．2 掘巷期间1 2 3 0 6 轨道巷稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．3 受1 2 3 0 2 工作面超前采动影响阶段巷道围岩结构及稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．4 受1 2 3 0 2 工作面滞后采动影响阶段巷道围岩结构与稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．5 相向掘巷支护条件的理论计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 沿空动压巷道围岩变形预测与工程监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．1 工作面地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．2 沿空动压巷道围岩变形预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．31 2 3 0 6 轨道巷破坏特征的工程监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5 沿空动压巷道支护效果优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 3 5 ．1 巷道支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 5 ．2 数值仿真优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．3 数值模拟与结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 山东科技大学硕士学位论文目录 6 工程支护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 6 ．1 巷道围岩表面位移监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．2 观测结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 6 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 7 主要结论及努力方向⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 7 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 7 ．2 努力方向⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 l 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 攻读硕士期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 5 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．7 6 山东科技大学硕士学位论文 C o n t e n t s 1 I n t r o d u c t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．。．．。。．。．．．．．．．．．1 1 ．1P r e s e n to f s u b j e c ta n db a c k g r o u n do f t h es t u d y ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 】【．2R e s e a r c hs t a t u si nc h i n aa n da b r o a d ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 1 ．3M a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dt e c h n i c a lr o u t e ．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯．．．⋯4 2S t r u c t u r ea n ds t a b i l i t ya n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c ki ng o b - s i d ee n t r y d r i v i n gw i t ht h i np i l l a r 7 2 ．1A n a l y s i so f o v e r l y i n gs t r a t as t r u c t u r ei ng o b - s i d ee n t r yd r i v i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．2S t r e s sd i s t r i b u t i o no f t h es u r r o u n d i n gr o c ki ng o b - s i d ee n t r yd r i v i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．3S t a b i l i t ya n a l y s i so f t h i nc o a lp i l l a ri ng o b s i d ee n t r yd r i v i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 2 ．4C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．．2 3 3S t r u e t u l 他o fs u r r o u n d i n gr o c ku ds t a b i l i t ya n a l y s i si nc o u n t e r p r o - p a g a t i n gr o a d w a yd r i v i n g ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 5 3 ．1A n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c ks t r u c t u r ea n di t ss t a b i l i t yi nc o u n t e r p r o p a g a t i n gr o a d w a y d r i v i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．2S t a b i l i t ya n a l y s i so f1 2 3 0 6 r o a d w a yd u r i n gr o a d w a yd r i v i n g ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 8 3 ．3A n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c ks t r u c t u r ea n di t s s t a b i l i t ya f f e c t e db yl e a dm i n i n go f 1 2 3 0 2w o r k i n gf a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．4A n a l y s i so fs u r r o u n d i n gr o c ks 缸1 l c t l l r ea n di t ss t a b i l i t ya f f e c t e db yl a g l e a dm i n i n go f 1 2 3 0 2w o r k i n gf a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．5T h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no f c o u n t e r p r o p a g a t i n gr o a dd r i v i n g ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 3 3 ．6C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4D e f o r m a t i o np r e d i c t i o na n de n g i n e e r i n gm o n i t o r i n g ，o fg o b - s i d ee n t r y w i t hd y n a m i c p r e s s u r e ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I I 4 ．1G e n e r a lg e o l o g yo f w o r k i n gf a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．2D e f o r m a t i o np r e d i c t i o no f g o b s i d ee m r yw i t hd y n a m i cp r e s s u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．3 9 4 ．3E n g i n e e r i n gm o n i t o r i n go f f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c sa b o u t1 2 3 0 6 r o a d w a y ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 8 山东科技大学硕士学位论文 C o n t e n t s 4 ．4C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5 O p t i m i z e dS u p p o r to f t h eg o b - s i d ee n 5 ．1S u p p o r ts c h e m eo f t h eg o b - s i d ee n t r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．2O p t i m i z e dd e s i g nb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．3A n a l y s i so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．4C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 6 E n g i n e e r i n gs u p p o r t i n ge f f e c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．”一6 5 6 ．1D i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n go fs u r r o u n d i n gr o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 6 ．2R e s u l t sa n da n a l y s i so fo b s e r v a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 6 ．3C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 7M a i nc o n c l u s i o na n d s t r i v i n go r i e n t a t i o n ．．．．．．。．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．7 0 7 ．1M a i nc o n c l u s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 7 ．2S t r i v i n go r i e n t a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 攻读硕士期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 5 致谢．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 6 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 课题的提出与工程研究背景 1 ．1 ．1 课题的提出 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国之一，煤炭消耗量占我国能源消耗量的6 0 ％ 以上。煤炭在一次能源的生产、消耗中所占的比重达到约2 ／3 。随着国民经济的发展，我 国对煤炭的需求量也不断增加，煤炭的产量呈现逐年增加的趋势。保证煤炭产量的稳定 增长对于国民经济发展具有非常重要的意义。 但是，随着煤炭开采量的不断增加，越来越多的问题不断开始出现。随着煤炭资源 开采强度的增加，浅部煤炭资源日益枯竭，国内外都逐步开始了深部煤炭资源的开采。 深部开采是煤炭开采不可避免的趋势，这种趋势给煤炭开采也带来了许多问题【l J 。其原 因在于与浅部开采相比，深部开采过程中地应力分布特征与矿山岩石力学性质发生了 根本性的变化，在浅部处于脆性状态的岩石，进入深部可能转化为塑性状态，表现出明 显的流变性，从而增加了矿井发生冲击地压、瓦斯突出等动力灾害的危险[ 2 1 。 为避免过早地进入深部开采，尽可能地提高煤炭采出率，无煤柱开采技术在我国煤 炭生产中得到了不断的推广和应用。回采工作面无煤柱开采对于提高采区煤炭采出率具 有重要意义。无煤柱开采沿空掘巷技术作为保证煤矿安全生产的重要途径，在众多采矿 研究人员理论与实践的推动下不断完善与发展。 在无煤柱开采中，沿空掘巷中留设煤柱的宽度及巷道稳定性控制一直是技术难点和 专家学者研究的热点，这是由沿空掘巷复杂的应力环境所决定的。更为甚者，个别煤矿 生产中由于矿井接续紧张而采取相向沿空掘巷的方式开挖下区段回采巷道。相向掘巷是 在上区段回采工作完成之前，提前开掘下区段回采巷道，开掘方向与上区段工作面回采 方向相反。此类情况下，对于煤柱留设宽度以及巷道稳定性控制技术更高。因此，有必 要针对此类巷道进行研究以保证某些煤矿解决工作面生产接续和安全生产的需要。 1 ．1 ．2 工程研究背景 辰龙能源集团东大煤矿煤炭产量逐年增加，随着开采规模的扩大，应用沿空掘巷技 术是不可避免的。特殊情况下，为保证工作面的正常生产接续，提高采出率，不得不采 取相向掘巷。东大煤矿欲采取相向掘巷，此前没有类似情况下相向掘巷的先例，以往多 采用宽煤柱护巷，增加了煤炭资源的浪费，在巷道支护设计方面缺乏经验，面临巷道维 山东科技大学硕士学位论文绪论 护困难，矿压显现明显等问题。为了解决以上问题，针对三采区相向掘进1 2 3 0 6 轨道巷 的问题，研究典型的沿空动压巷道围岩变形特征及控制技术，对东大煤矿以至于整个矿 区实现安全、高效开采具有重要的现实意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国内无煤柱开采的研究现状 无煤柱开采沿空掘巷技术【3 5 】有利于煤炭资源的合理开采，巷道维护的有效改善，巷 以及巷道掘进量的减少，是保证矿井安全、高效生产和改善矿井技术经济效果的一项先 进的地下开采工艺。 从世界范围来看，早在上世纪沿空掘巷技术就在一些产煤国家进行了不同程度的推 广和应用，同时还开展了许多试验和研究工作，取得了丰富的经验和成果。 我国的无煤柱开采技术最早可以追溯到建国时期【6 】。 上世纪五十年代，对于无煤柱护巷的实践 采用人工充填带代替煤柱，充填带用开 掘得到的矸石在巷道一侧或两侧砌成 开始出现。这些实践最终未能形成“无煤柱开采” 的技术思想，也就谈不上是寻求一种理论依据和建立一套完整的、系统的技术体系。 六十年代，我国的无煤柱开采技术进入了初期试验阶段。我国部分矿井进行了窄煤 柱护巷试验，取得了较好的护巷效果，说明无煤柱开采工艺的改革已在我国煤矿中开始 兴起，但未能做到认真总结和推广。 直到七十年代，我国又开始重新重视无煤柱开采技术，开始进行矿压观测研究，无 煤柱开采技术得到了发展。 进入八十年代，沿空掘巷围岩变形特征问世，沿空掘巷的技术思想得到了完善。 从九十年代开始，在众多学者的研究总结下，沿空掘巷技术理论体系逐渐形成。 沿空掘巷是完全沿采空区边缘或仅留设很窄的煤柱进行下区段巷道的掘进。其就是 将巷道布置在位于靠煤柱一侧的低应力场区域，以便减少巷道变形量，更利于巷道的维 护，该技术的关键是控制煤柱宽度。小煤柱留设的目的是将巷道与采空区隔离，防止采 空区的水、有害气体等窜入巷道，影响矿井的安全生产。煤柱的宽度‘5 2 6 】对巷道的维护 状况起到决定作用煤柱宽度过小，采空区侧的煤柱受支承压力的影响己呈塑性状态， 容易发生失稳，巷道片帮严重；若煤柱宽度过大，回采巷道布置在应力增高区内，巷道 压力过大，巷道支护将更为困难。 理论分析表明，沿空巷道应布置在沿采空区侧的塑性区内，即应力降低区。根据宋 2 坐奎型垫奎兰堡主兰垡笙茎 堑堡 振骐院士的“两个应力场”理论【7 】，沿空掘进的巷道应布置在沿采空区侧的内应力场中， 即窄煤柱的宽度与沿空掘进巷道宽度之和要小于内应场宽度。 针对窄煤柱的宽度问题，国内一些学者进行了大量的研究。柏建彪【8 1 等通过力学计 算得出合理煤柱宽度并通过数值模拟的方法分析煤柱煤巷变形破坏规律，提出了煤柱临 界不稳定宽度，运用全量理论的变分原理研究得出窄煤柱位移场及应力场的分布规律。 吴士剐9 1 采用理论计算、现场观测及数值模拟相结合的方法确定窄煤柱合理尺寸，并提 出下区段合理的掘进时间。尚海涛【1 0 】利用相似材料模拟实验的方法对煤柱合理尺寸进行 研究，分析得出了不同煤柱尺寸对开采的影响。冀新伟n 1 1 等通过建立力学模型，采用力 学方法，计算应力平衡区，并在考虑煤柱影响因素及留设一定宽度的弹性核的条件下， 最终确定煤柱宽度。 1 ．2 ．2 国外沿空掘巷开采研究现状 沿空掘巷技术在国外采矿业较为发达的国家，如俄罗斯、澳大利亚、波兰、美国等 也被广泛应用并得到了不断的完善【1 2 1 。 上世纪三十年代，在莫斯科近郊、基泽尔与库茨涅茨各矿便有不留煤柱、砌筑充填 带开采的经验。 上世纪六十年代，美国引进长壁开采方法，为寻求煤炭资源的最大采出率，对煤柱 的合理宽度进行了大量的研究，得出了煤柱的强度受煤柱尺寸、力学特性及动载影响控 制的结论。 澳大利亚把留设煤柱主要运用到条带开采中，研究煤柱合理宽度及采宽与煤柱宽度 之间的关系。 波兰和英国很早就采用留煤柱的方法来支承顶板，隔离采空区。研究发现了从传统 上几十米的宽煤柱缩减到窄煤柱的过程中，煤柱同样能起到支承顶板和隔离采空区的作 用，既提高了回采率又减少了巷道维修费用。 1 ．2 ．3 相向掘巷安全控制技术研究现状 近几年，由于某些矿井出现煤炭采出率低、采掘接续紧张的状况，国内相继开展了 相向沿空掘巷技术的试验研究。 相向沿空掘巷是在邻近工作面回采完毕之前，在工作面回采动压强烈影响区掘进巷 道，形成了受掘进与采煤工作面对穿的强烈动压影响的巷道。由于相向沿空掘进巷道将 承受采煤工作面侧因顶板冒落产生的重复剧烈动压，如果支护型式和参数选择不合理， 将造成沿空巷道严重变形且多次维护，修复工作量大，严重影响施工安全和回采正常使 3 山东科技大学硕士学位论文绪论 用。 目前，某些矿井对此类巷道进行了研究与实践。潞安矿业集团漳村煤矿对与采煤工 作面相向掘进的动压巷道进行了全断面高预应力强力锚索支护技术试验【1 3 】，取得了较好 的支护效果。枣庄矿业集团付村煤矿设计施工了与综放面相向掘进的沿空综放回采巷道 u 4 1 ，研究了沿空3 ．8 m t ] 、煤柱巷道的合理支护型式和参数，采用了“锚网梯 锚索梁”支 护体系，有效控制了巷道变形，确保了安全生产，同时也创造了巨大的经济效益。 1 ．2 ．4 沿空巷道的支护现状 沿空掘巷的矿压显现与一般情况的实体煤中掘巷有所不同，本工作面回采过后，随 着顶板垮落与上覆岩层的运动，围岩应力重新分布，巷道围岩受邻近工作面回采形成的 支承压力与本区段工作面超前支承压力的叠加影响，巷道围岩破坏严重。沿空巷道维