采空区下近距离煤层巷道围岩控制技术研究.pdf

论文题目 作者姓名 领域名称 指导教师 采空区下近距离煤层巷道 围岩控制技术研究 里瓷筮 丞芷王程 昱良 论文提交E l 期 论文答辩E l 期 授予学位日期 入学时间 研究方向 职称 2 Q l 生Q 垒目 2 Q 兰量生Q 鱼目 乎 S T U D Yo NT H ES U R R o U N D I N GR O C KC o N T R o Lo F R o A D Ⅵ7 A YU N D E RG O A FW I T HC L O S ED I S T A N C E AD i s s e r t a t i o ns 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 so ft h ed e g r e eo f M A S T E RO F P H I L O S O P H Y f r o m 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 dT e c h n o l o g y M aZ i M i n S u p e r v i s o r P r o f e s s o rW uS h i l i a n g C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g J u n e2 0 1 5 声明 1 1 l 步k U 易、t 。 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。 A F F I R M A T I o N 硕士生签名马珩锭 日 强汐姨6 。| 口 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 s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS 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 sr 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 c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 近距离煤层采用下行开采方式时，下部煤层布置巷道将受到上部采空区的影响，巷 道支护难度较大。恒兴煤矿3 号煤层上方为2 号煤层采空区，层间距4 ．4 0 - - - 2 1 ．8 5 m ，为 采空区下方近距离煤层开采，需要进行采空区下巷道围岩控制技术研究。 为了解地应力分布状况，运用应力解除法对3 号煤层地应力进行了测量，得到地应 力大小及其分布规律。由于地应力量值较小，巷道在合理支护方式和参数下，其影响系 数较低。通过实验室岩石力学实验得到巷道顶板抗压、抗拉等基本力学参数顶板多为 泥岩，抗压强度小于2 0 M P a ，属于地质软岩，但不具备工程软岩特征。 通过巷道顶板岩性及结构分析，提出了5 类复合顶板结构。将3 号煤层巷道顶板力 学结构分为原生顶板结构和次生顶板结构，并分别进行了力学分析，得到煤层原生顶板 结构和次生顶板结构的分类指标也，3 号煤层日。 6 ．5 m 。运用F L A C3 D 数值分析软件 对采空区下巷道支护进行模拟，结果显示巷道可锚性良好，锚索支护形式对巷道围岩变 形控制较好。巷道顶板为次生顶板结构时，围岩控制难度大，锚杆支护不足以维持巷道 的稳定性，需要进行加强支护。 通过对巷道顶板力学结构及复合顶板结构类型研究，形成以“顶板力学结构模型一 巷道支护方式一顶板岩层组合结构一支护理论一主要支护参数”为基本技术路线的采空 区下近距离煤层巷道围岩控制技术。 原生顶板结构的支护方式分为在坚硬型顶板结构、上软下硬组合型顶板结构和下软 上硬组合型顶板结构下的“锚杆 锚索”一般支护方式和在软弱型顶板结构和软硬相问 型顶板结构下的“锚杆 钢筋梯子梁 锚索”加强支护方式。次生顶板结构巷道的岩层组 合结构一般为软弱型顶板结构和软硬相间型顶板结构，巷道支护方式以“锚杆 工字钢” 支护为主，主要根据上部煤层距下部巷道顶板距离S 来具体确定巷道支护方式。当 3 m S 日，时，可采用“锚杆 工字钢”支护方式当S 3 m 时，可采用“双重金属网 工字钢棚”支护方式；当巷道围岩破碎压力大时，可采用“锚杆 双重金属网 工字钢 棚”支护方式。监测表明采空区下近距离煤层巷道围岩控制技术实施后巷道围岩控制效 果良好，满足矿井的正常安全生产的需要。 关键词采空区，近距离，巷道支护，围岩控制，顶板结构 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A b s t r a c t T h el o w e rc o a ls e a mr o a d w a yw i l lb ea f f e c t e db yt h eu p p e rg o a fa n dr o a d w a ys u p p o r ti s d i f f i c u lw h e nc l o s ec o a ls e a m sa d o p tt h ed o w n w a r dm i n i n gm e t h o d ．H e n g x i n gC o a lM i n ec o a l m i n e2g o a fi sa b o v ec o a ls e a m3 ，l a y e rs p a c i n go f4 ．4 0 - 21 ．8 5m ．I tn e e d st os t u d yt h e r o a d w a ys u p p o r td e s i g n ． T h ei n i t i a lg e o s t r e s sd i s t r i b u t i o nr u l ew a sg o t t e nb yu s i n gs t r e s sr e l i e fm e t h o d ．王西e i n f l u e n c eo fi n s i t us t r e s si ss m a l lD u et ot h ei n s i t us t r e s sm a g n i t u d ei ss m a l l ，t h ei n f l u e n c e c o e f f i c i e n ti sl o wu n d e rt h er e a s o n a b l es u p p o r t i n gm e t h o da n dp a r a m e t e r s ．T h r o u g ht h er o c k m e c h a n i c so fT h er o a d w a yr o o fr o c k ’Sb a s i cm e c h a n i c a lp a r a m e t e r sw e r eg o t t e nb yl a b o r a t o r y e x p e r i m e n t ．T h er o o fb e l o n g st ot h eg e o l o g i c a ls o f tr o c k ，b u td o e s n ’th a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so f e n g i n e e r i n gs o f tr o c k ． T h ef i v et y p e so fc o m p o u n dr o o fs t r u c t u r ew e r ep u tf o r w a r dt h r o u g ht h er o a d w a yr o o f l i t h o l o g ya n ds t r u c t u r ea n a l y s i s ．T h er o a d w a yr o o fm e c h a n i c a ls t r u c t u r eC a nb ed i v i d e di n t o p r i m a r ys t r u c t u r ea n ds e c o n d a r ys t r u c t u r e ．T h ec l a s s i f i e di n d e xH o ft h ep r i m a r ys t r u c t u r e a n ds e c o n d a r ys t r u c t u r em e c h a n i c sC a nb eg o R e nb ym e c h a n i c sa n a l y s i s ．H 。 6 ．5mi nc o a l s e a n 33 ．R o a d w a ys u p p o r tu n d e rg o a fw a ss i m u l a t e db yF L A C3 D ．I tt u m e do u tt h a ta n c h o r a g e p e r f o r m a n c ew a sg o o d ．I tw a sd i f f i c u l tt oc o n t r o lt h es u r r o u n d i n gr o c kw h e nt h er o a d w a yr o o f i st h es e c o n d a r yr o o fs t r u c t u r e ．I tn e e d e dr e i n f o r c e m e n tf o rb o l ts u p p o r tw a sn o te n o u g ht o s u s t a i nt h es t a b i l i t yo ft h er o a d w a y ． B ym e a n so fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dc o m p o s i t er o o fs t r u c t u r et y p eo fr o a d w a y , w e f o r m e d ”r o o fm e c h a n i c ss t r u c t u r em o d e lt or o a d w a ys u p p o r t i n gm e t h o d ，c o m b i n a t i o no fr o o f s t r a t as t r u c t u r et os u p p o r tt h e o r y , a c t u a l l ye n d su pg e t t i n gm a i n l ys u p p o r t i n gp a r a m e t e r s ”a s t h eb a s i ct e c h n i c a lr o u t eo ft h es u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lt e c h n o l o g yo fr o a d w a yu n d e rg o a f w i t hc l o s ed i s t a n c e ． P r i m a r yr o o fs t r u c t u r ei sd i v i d e di n t ot w os u p p o r tm o d e s ．O n ei sb o l t i n ga n dr o p es u p p o r t m e t h o di ng e n e r a lu n d e rah a r dt y p eo fr o o fs t r u c t u r e ，s o f td o w nh a r du pc o m b i n a t i o nr o o f s t r u c t u r ea n dh a r dd o w ns o f tu pc o m b i n a t i o nr o o fs t r u c t u r e ，t h eo t h e ri sb o l t i n ga n dr o p ea n d s t e e ll a d d e rb e a ms u p p o r tm e t h o di nr e i n f o r c e du n d e rt h ew e a kt y p er o o fs t r u c t u r eo rs o f th a r d a l t e r n a t et y p er o o fs t r u c t u r e ．T h et y p eo fc o m p o u n dr o o fs t r u c t u r eo fs e c o n d a r ys t r u c t u r ei st h e w e a kt y p er o o fs t r u c t u r eo rs o f th a r da l t e r n a t et y p er o o fs t r u c t u r e ．r o a d w a ys u p p o r t i n gm e t h o d 山东科技大学硕士学位论文摘要 i sg i v e np f i o f i t ，t ow i t h ”I - s t e e l a n c h o r ”．T h ec o n c r e t es u p p o r t i n gm e t h o di sd e t e r m i n e db y t h ed i s t a n c e S b e t w e e nu p p e rc o a ls e a n la n dt h el o w e rr o a d w a y ．W h e n3 m S H c ，c a n u s e ”I - s t e e l a n c h o r ”a Ss u p p o r t i n gm e t h o d ；w h e nS 3 m ．C a nu s e ”d o u b l em e t a ln e t I - s t e e l ’’ a ss u p p o r t i n gm e t h o d ；w h e np r e s s u r ei sb i ga n dr o a d w a yw i 也c r a c k e ds u r r o u n d i n gr o c k ．c a r l u s e ”d o u b l em e t a ln e t I - s t e e l a n c h o r ”a ss u p p o r t i n gm e t h o d ．M o n i t o r i n gs h o w e dt h a tt h e s u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lt e c h n o l o g yo fr o a d w a yu n d e rg o a f 丽t hc l o s ed i s t a n c ei sg o o d ， m e e t t i n gt h en e e d s o f t h en o r m a lm i n ep r o d u c t i o ns a f e t y ． K e y w o r d s g o a l , c l o s ed i s t a n c e ，r o a d w a ys u p p o r t ，c o n t r o lo fs u r r o u n d i n gr o c k ，r o o f s t n u c t u r e 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题的提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．4 研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 地应力分布规律对巷道布置与支护的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 地质生产条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 - 2 地应力测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 地应力分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 2 ，4 地应力对巷道布置及支护的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 巷道围岩力学测试及围岩结构研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 4 3 ．1 岩石力学测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 巷道围岩结构及力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 3 ．3 采空区下近距离煤层巷道围岩控制要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 采空区下近距离煤层巷道支护数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．1概j 盔⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．2 模型构建及运算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 巷道支护模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 采空区下近距离煤层巷道围岩控制技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．1 原生顶板结构巷道支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．2 次生顶板结构巷道特殊支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 l 5 ．3 采空区下近距离煤层巷道围岩控制技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 1 山东科技大学硕士学位论文目录 5 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 6 主要结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 攻读硕士期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 2 山东科技大学硕士学位论文目录 C o n t e n t s 1I n t r o u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．IT h er a i s ea n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo fi s s u e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2R e s e a r c hs t a t u s ⋯- - - - ⋯⋯⋯⋯⋯- - - - ⋯⋯- ⋯．．．．．．．．2 1 ．3M a i nr e s e a r c hc o n t e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．4M a i nr e s e a r c hm e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2T h ei m p a c ta n a l y s i so nr o a d w a y l a y o u ta n ds u p p o r tb yt h ei n i t i a lg e o s t r e s sd i s t r i b u t i o n r u l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 ．1G e o l o g i c a la n dp r o d u c t i o nc o n d i t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“1 2 2 ．2I n - s i t us t r e s st e s t - - - - - ⋯- - - - t - - - - - ⋯⋯⋯⋯⋯- ．．- - 。．- ．- ．。．。．。。．．1 5 2 ．3T h ei n i t i a lg e o s t r e s sd i s t r i b u t i o nr u l e ‘- ‘‘- - - - - t - - 2 1 2 ．4T h ei m p a c ta n a l y s i so nr o a d w a yl a y o u ta n ds u p p o r tb yt h ei n i t i a lg e o s t r e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．5C h a p t e rS u m m a r y ‘- ⋯⋯⋯⋯⋯- - - - - - - 2 3 3T h er o a d w a yr o o fr o c k ’sl a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dt h er o a d w a yr o o fl i t h o l o g ya n d s t r u c t u r ea n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．1T h er o o f r o c k ’sl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2T h er o a d w a yr o o fl i t h o l o g ya n ds t r u c t u r ea n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯- - - - - - 31 3 ．3T h es u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lr e q u i r e m e n t so f r o a d w a yu n d e rg o a f w i t hc l o s ed i s t a n c e 3 9 3 。4C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4N u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o df o rt h es u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lr e q u i r e m e n t so f r o a d w a yu n d e rg o a fw i t hc l o s ed i s t a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．1S u m m a r i z e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 4 ．2S e tu pm o d l ea n do p e r a t i n g ‘’- - ⋯⋯⋯⋯⋯- - - - - t 4 2 4 ．3A n a l y z ee v o l u t i o n a r yp r o c e s so f r o o f s t r u c t u r e - - - - - - - ⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．4C h a p t e rS u m m a r y 。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 S t u d yo nt h es u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lt e c h n o l o g yo fr o a d w a yu n d e rg o a fw i t hc l o s e d i s t a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．- ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯“5 5 3 山东科技人学硕十学位论文目录 5 ．1R o a d w a ys u p p o r td e s i g nu n d e rp r i m a r ys t r u c t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘5 5 5 ．2R o a d w a ys u p p o f ld e s i g nu n d e rs e c o n d a r ys t r u c t u r e ‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ’- - ‘6 1 5 ．3T h es u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lt e c h n o l o g yo f r o a d w a yu n d e rg o a f w i t hc l o s ed i s t a n c e ‘⋯‘6 3 5 ．4C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘6 6 6M a i nC o n c l u s i o n sa n d P r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．1M a i nC o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”6 7 6 ．2R e s e a r c hP r o s p e c t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- - - - - - - t _ ⋯‘6 8 T h a n k s R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ M a i nr e s e a r c hr e s u l t sd u r i n gt h eP h ．M ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘ 4 ⋯⋯7 5 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 ．1 课题的提出及研究意义 改革开放以来，煤炭作为国家主要能源为保证社会经济的高速发展和满足能源增产 需求，起到了至关重要的作用。目前国内的临汾矿区、大同矿区、淮南矿区、平顶山矿 区和新汶矿区等大部分矿区都赋有不同地质条件的近距离煤层【l ‘3 】，随着开拓水平的延 伸，煤炭开采技术的不断进步及煤炭需求加大，当煤层群开采顺序采用下行式开采时， 必然要面对采空区下近距离煤层巷道的布置及支护等问题[ 4 。9 1 。目前采空区下近距离煤层 巷道围岩控制存在主要问题包括以下几个方面。 1 上部煤层回采过程中的超前支撑压力和工作面回采完后遗留侧向煤柱形成的集中 支承压力，会对采空区的底板造成一定程度的破坏性损伤，使得下部巷道围岩稳定性较 差、顶板破碎难以维护【1 0 - 1 3 】。 2 因采空区内跨落矸石和遗留煤柱而造成的应力传递的不均匀性加剧了下位煤层巷 道顶板应力状态的复杂性，使得其顶板结构区别于单一煤层开采[ 1 4 】，根据现有单一煤层 开采的顶板岩层控制经验和理论，不能较好的解决采空区下近距离煤层巷道支护问题。 3 采空区下部近距离煤层巷道在掘进过程中，仅通过表面观测或者简单的打钻探孔 的方式，不能全面准确的掌握巷道围岩裂隙发育状况及巷道顶板结构，同时上部采空区 中的水和瓦斯可能会向下部掘进巷道渗透[ 15 | ，极易造成巷道顶板冒落及其他安全事故。 基于上述问题，国内对采空区下近距离煤层巷道支护技术研究尚未形成系统的理论 体系，因此有必要根据现场实际地质生产条件，结合实践和理论分析，深入研究采空区 下近距离煤层巷道围岩结构及其力学特性，丰富巷道支护理论并提出采空区下近距离煤 层巷道围岩控制技术。实施科学合理、行之有效的采空区下近距离煤层巷道围岩控制技 术对采空区下近距离煤层的安全开采具有重要的意义。 山西煤炭进出口集团洪洞恒兴煤业有限公司作为重组矿井，重组前矿井已对2 号煤 层二采区进行开采，重组后矿井3 号煤层首采3 2 0 1 工作面布置在二采区，上方为2 号煤 层采空区，煤层间距4 ．4 0 ～2 1 ．8 5 m ／1 4 ．7 7 m ，为采空区下方近距离煤层开采。矿井准备丌 掘的3 号煤层运输大巷和3 2 0 1 工作面运输顺槽，大部分巷道位于2 号煤层采空区下方， 3 号煤层与2 号煤层间隔岩层的岩性和间距变化较大，地质条件较复杂，对采空区下近 距离煤层巷道的顶板结构与压力分布缺乏实测和理论研究，采用以往的普通支护方式和 山东科技大学硕士学位论文 绪论 参数，不足以维持巷道稳定性，因此需对空区下近距离煤层巷道围岩支护技术进行研究， 确定巷道支护方式和参数并形成可行有效的围岩控制技术体系。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 地应力测量在巷道开拓中的应用状况 1 地应力在矿山工程中的应用 地应力可定义为存在于岩体中且未受人工开挖扰动影响的自然应力，也称为原岩应 力‘1 6 ] 。地应力场主要包含重力应力场和构造应力场，并且其有规律地呈三维状态分布于 岩体中。地下工程的开挖，如煤矿井巷工程的掘进或工作面的回采，必然会引起围岩应 力场的重新分布，进而形成二次应力，同时导致围岩的损伤，严重时围岩会失稳、垮塌 和破坏。初始应力状态在很大程度上决定了地下工程开挖后的二次应力状态，因此进行 地应力测量，摸清地应力状态，了解地应力大小及其分布规律对于地下开挖工程的设计 和施工，尤其是对巷道的布置和支护设计具有重要的指导意义[ “ 珈】。 地应力大小和方向及围岩性质是影响地下工程稳定性的重要因素‘2 1 。2 5 1 。在矿山工程 稳定性控制设计中，要将工程地质状况调查和岩石力学性质实验，同原岩地应力测量结 合起来，并加以应力场数值模拟验证，为工程稳定性控制设计与评价提供全面可靠依据。 地应力测量在矿山工程中主要应用于以下几个方面【2 6 ‘3 0 】①选择巷道布置方向；②选择 采场推进方向；③选择巷道断面形状；④选择支护形式和支护参数；⑤选择开采顺序； ⑥选择顶板管理方法。 2 国内外地应力测量技术及其特点[ 3 1 - 3 3 ] 1 应力恢复法 应力恢复法是应用较早的绝对应力测量方法之一，应力恢复法测量实质是先记录岩 块初始应力状态，然后掏槽解除应力，用平面千斤顶使将已解除了应力条件的岩块恢复 到初始应力状态。该测量方法测试方便并可以直接测读应力，但由于测量深度小，并且 测出的是围岩的二次应力，且只能测主应力大小，方向测量不准。 2 应力解除法 应力解除法也称为套芯法，是国际岩石力学学会推荐使用的地应力测量方法，目前 应用最为广泛。其基本原理为为测量岩体某点的原岩应力状况，可从该点取出一块岩 石 钻孔取芯 ，应力解除后岩石会产生形变，用相关测量仪器测量出块岩石应变值及其 山东科技大学硕士学位论文绪论 弹性模量，一般认为岩体是均匀连续且各向同性的弹性体，进而可以借助线性虎克定律 计算岩体中原始应力的大小和方向。其流程要点主要包括切断联系、解除应力、应变恢 复、测试应变和计算应力。根据量测方法的不同，应力解除法可以分为表面应力解除法、 孔底应力解除法和孔壁应力解除触法。应力解除法的原理如图1 ．1 所示。 图1 ．1 应力解除法原理示意图 F i g ．1 ．1 T h ep r i n c i p l eo fs t r e s sr e l i e fm e t h o d 3 水压致裂法 水压致裂法又称水力压裂法，其基本原理为选取一定深度的一段裸露的钻孔，利 用橡胶封隔器对其进行封隔，通过液压泵对封隔段加液压，直至钻孔围岩产生破裂，同 时记录压力和流量随时问的变化，并通过仪器观测破裂方位，根据测量结果和观测结果 即可得到主应力的大小和方位。 水压致裂法兴起于上世纪5 0 年代，后经过不断完善得到更为广泛的应用。其适用于 完整性好的脆性岩体，并且可以在深部地下工程进行地应力测量。 4 地球物理方法 地球物理方法主要包括声发射法、光弹性应力测定法、波速法和x 射线法等。