孤岛煤柱安全开采及巷道维护技术研究.pdf

安徽理工大学 硕士学位论文 孤岛煤柱安全开采及巷道维护技术研究 姓名陈宇 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师高明中 20070609 摘 要 摘要 本文结合淮北袁庄煤矿的3 1 1 6 孤岛工作面，对该孤岛煤柱的安全开采和巷道 支护技术作了研究。通过F L A C 2 D 建立孤岛面的走向、倾向模型，分析孤岛煤柱 开采前后应力场和位移场的变化和影响；参照前面孤岛煤柱数值模拟的结果并根 据3 1 1 6 孤岛煤柱的地质条件、开采特点，提出了四个开采方案巷柱式采煤法， 大孔径钻机采煤法，螺旋钻采煤法和深孔松动爆破卸压法。通过四个方案的优缺 点分析比较，最后确定螺旋钻采煤法开采方案；再者运用F L A C 3 D 模拟了孤岛煤 柱回采巷道的逐步开挖和支护的过程，分析了开挖过程中巷道围岩应力和位移的 变化影响，并论证了回采巷道所用支护参数的合理性；最后运用弹性力学知识， 得出孤岛煤柱支承压力在底板下任一点处的应力解和导出巷道底板发生底臌的压 曲临界荷载计算公式，通过F L A C 2 D 对底板硐室进行加固修复的数值模拟，优化 其支护形式和结构参数。这都为孤岛煤柱的安全开采提供了理论参考，奠定了理 论基础，并且有一定的指导作用。 图[ 6 7 ] ；表[ 9 ] ；参[ 7 3 ] 关键词孤岛工作面孤岛开采；螺旋钻采煤法；数值模拟；支护参数 A b s t r a c t A b s t r a c t T h ep a p e r ，c o m b i n i n gt h e3116i s l a n dc o a lf a c eo fY u a nz h u a n gc o a lm i n e ，h a sd o n e t h er e s e a r c ht ot h i si s l a n dc o a lp i l l a rs a f em i n i n ga n dr o a d w a ys u p p o r t i n gt e c h n o l o g y ． T h r o u g hF L A C 2 De s t a b l i s h m e n tm i n i n gm o d e l o fi s l a n dc o a lf a c e ，t h ep a p e ra n a l y z e ss t r e s s f i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l dc h a n g ea n di n f l u e n c ei ni s l a n dc o a lp i l l a rm i n i n gc o u r s e ； A c c o r d i n gt oi s l a n dc o a lp i l l a rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ，t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n dt h e m i n i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h e3 1 1 6i s l a n dc o a lf a c e ，p r o p o s e df o u rm i n i n gp l a n s r o a d w a y ，a n d p i l l a rm i n i n g ，b i ga p e r t u r ed r i l l i n gm a c h i n em i n i n g ，a u g e rc o a lm i n i n gm e t h o da n dd e e p h o l ec o n c u s s i o nb l a s t i n gd e p r e s s u r i z e dm i n i n g ．T h r o u g hf o u rp l a na n a l y s i sc o m p a r i s o n so n a d v a n t a g e a n dd i s a d v a n t a g e ，f i n a l l yd e t e r m i n et h ea u g e rc o a lm i n i n gm e t h o d ；T h e n s i m u l a t et h ep r o c e s so fg r a d u a l l ye x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n go fi s l a n dc o a lp i l l a rg a t e w a yb y F L A C 3 D ，a n a l y z et h ec h a n g eo fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ti n e x c a v a t e dp r o c e s s ，p r o v et h er a t i o n a l i t yo fg a t e w a ys u p p o r t i n gp a r a m e t e r ；F i n a l l yt h ep a p e r u t i l i z e se l a s t i c i t ym e c h a n i c sk n o w l e d g e ，o b t a i n st h ei s l a n dc o a lp i l l a ra b u t m e n tp r e s s u r ea n y p o i n ts t r e s ss o l u t i o nu n d e rt h ef l o o ra n de d u c e st h ec o m p r e s s i o nb e n d i n ga d j o i ns t r e s s f o r m u l aw h e nr o a d w a yo c c u r sf l o o rh e a v e ；t h ep a p e rc a r r i e so nt h er e i n f o r c e m e n ta n dr e p a i r n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt of l o o rc h a m b e rb yF L A C 2 D ，o p t i m i z e si t ss u p p o r t i n gf o r ma n d s t r u c t u r ep a r a m e t e r ．A l lt h i sp r o v i d et h et h e o r yr e f e r e n c ef o rs a f em i n i n go ft h ei s l a n dc o a l p i l l a r ，e s t a b l i s ht h e o r yb a s e ，a n dh a v ec e r t a i ni n s t r u c t i o nf u n c t i o n ． H g t t r e [ 6 7 J ；T a b l e [ 9 ] ；R e f e r e n c e [ 7 3 ] K e y w o r d s i s l a n dc o a lf a c e i s l a n dc o a lm i n i n g ；a u g e rc o a lm i n i n gm e t h o d ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s u p p o r t i n gp a r a m e t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名巨丕至1 3 期砬年j 月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀望王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论 文在解密后适用本授权书 签字日期另o D 7 年舌月，彦日 签字日期垆7 年f 月沪佃 蕊冲1 名 盯 麟 川 ∥v 劢 作 ．、 文 名 论 签 位 师 学 导 l 绪论 l 绪论 1 ．1 问题的提出及研究意义 为避免生产和接续工作面之间的干扰，同时也是出于防治煤层自燃和瓦斯 的需要，采区内工作面之间有时被追采用跳采接续方式，不可避免地在采区内 形成至少一个沿工作面走向方向两侧均为采空区的工作面，或工作面三边、四 周均为采空区的工作面，这样的工作面称为孤岛工作面【n 。 根据资料统计，随着煤炭资源不断的开采，我国煤矿开采深度逐年的增加， 为了避免连续工作西之间的干扰和安全开采的需要，全国各大矿区都普遍存在 着孤岛工作面开采的现象。而且，从2 0 世纪8 0 年代初期开始，我国各大矿区 陆续就有了对孤岛工作面的成功开采研究，例如兴隆庄矿，山东枣庄矿务局柴 里煤矿和兖矿集团南屯煤矿都对各自的孤岛工作面进行过成功的开采。 但是，孤岛工作面应力集中，矿山压力显现非常明显，围岩破坏严重，并 容易产生冲击矿压，易自然发火，会对工作面安全开采造成危害。如兖州矿业 集团济宁二号煤矿2 3 0 3 孤岛工作面曾经发生一次轻强度的冲击矿压，使巷道掘 进头的底板在半个小时之内臌起5 0 0 m m ，该矿区另一个矿在类似的孤岛工作面 条件下，也曾发生冲击矿压，并造成了人员的伤亡和巷道的破坏；徐州矿务集 团三河尖煤矿7 1 4 1 、9 1 0 1 孤岛工作面都发生过冲击矿压事故，迫使7 1 4 1 孤岛 综放面提前停采，9 1 0 1 孤岛炮采面跳面回采 孤岛煤柱开采工作面上覆岩层运动规律和采场矿压显现规律与非孤岛开采 条件下有很大差别【2 J 。对比一般采场非孤岛开采时上覆岩层运动规律，孤岛开 采条件下，地应力大，工作面应力集中明显，巷道支护困难，覆岩离层和断裂 高度明显增大，工作面上方会出现马鞍型的顶部离层。由于孤岛煤柱开采项板 控制难度的增加及煤层自然发火的威胁，会给工作面的快速推进带来较大的困 难。这决定了孤岛工作面安全高效生产将会遇到下列突出问题 1 孤岛开采引起工作面应力集中程度增大，来压强度提高，采用常规的措 施将不能对工作面围岩实施有效控制，影响工作面的快速推进。 2 采用己有的巷道布置和支护技术体系，难以有效地控制孤岛开采顺槽巷 道围岩变形量，影响工作面正常回采。 3 目前有限采动条件下孤岛工作面两侧覆岩处于非充分采动状态，孤岛开 采将对本工作面及相邻工作面覆岩结构特征产生重大影响，可能会对工作面支 安徽理工大学硕士论文 护和顶板水防治及地表沉陷产生重大影响。 “ 周边采空的孤岛工作面掘进和回采时，已采空闯可能成为补给永源，会 对工作面水害防治带来更大困难，防水任务艰巨。 孤岛工作面矿压显现剧烈，围岩破坏严重，回采巷道支护比较困难，在孤 岛煤柱开采的过程中，煤与瓦斯突出、煤层自燃、冲击地压、巷道布置、巷道 支护、顶板管理等一系列问题一直是制约煤矿安全生产的头等大事。 本课题来源于淮北袁庄煤矿的3 1 1 6 孤岛工作面，上下两侧的3 1 1 4 和3 1 1 8 工作面均已采空，3 】1 6 工作面在回采过程中，为了保护下方的井底车场，还有 一块煤层没有开采，因此形成了3 1 1 6 孤岛煤柱。该孤岛煤柱走向长为1 8 0 m ， 倾斜长为1 8 0 m ，平均煤厚2 ，0 m ，工作面四周均已经采空，存在地应力高，倾 角大 3 0 。 ，巷道支护困难等问题。 本文结合淮北袁庄煤矿的3 1 1 6 孤岛工作面，通过理论分析、F L A C 数值模 拟、运用工程力学解析、现场验证等多种综合性的研究方法，对该孤岛面开采 的巷道位置选择、开采方案、巷道维护和安全生产技术进行了深入全面的研究， 为袁庄煤矿和其它相似条件下的孤岛工作面开采提供参考。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国内外孤岛开采技术研究现状 早在2 0 世纪8 0 年代初期，我国就开始对孤岛工作面开采进行了研究工作。 山东枣庄矿务局柴里煤矿于1 9 8 1 年在对顶板来压预测预报的基础上对3 0 9 孤岛 工作面进行了成功的开采。 兴隆庄矿于1 9 8 3 年在5 3 0 2 孤岛工作面采用分层综采技术进行了成功开采。 结合文献【”的实测数据资料，可以看出孤岛工作面顺槽成巷期间变形的两顺槽 超前支承压力、巷道项底板移近速度、顶底板移近量、顶底板移近速度、超前 影响范围和影响明显区都显著增大。 兖矿集团南屯煤矿于1 9 9 4 年在对有关顶板控制、通风预测技术全面研究的 基础上，对复杂条件下6 3 - 上1 0 孤岛工作面进行了成功的综放开采。结合文献f 4 】 的实测数据资料，可以得出，孤岛综放工作面与非孤岛工作面的动载系数、支 护强度、顶板下沉量和片帮深度等均有明显增大。 文献【5 】介绍了兖矿集团济宁二号煤矿2 3 ，0 3 孤岛综放工作面回采时遇到的 各种困难，制定了工作面快速推进的措施，目采过程中实现了高产高效。实践 证明，孤岛综放工作面快速推进技术是可行的。同时，也为其它相似开采条件 2 1 绪论 的孤岛综放工作面提供了依据和经验。 文献【6 】通过对常村矿S 2 ．5 孤岛工作面矿压观测及对顶板的变化规律的摸索， 并对支架支护阻力和支护强度的分析，采取有效的支护手段，成功地采完s 2 ．5 孤岛工作面，对以后孤岛面的开采具有指导意义。 文献【7 J 论述了义煤集团公司常村矿原2 1 0 7 2 孤岛工作面两巷在沿底掘进过 程中，煤炮频繁、压力大，掘进和支护十分困难，后被迫停止掘进。为此，常 村煤矿运用了雷达探测、矿压观测和数值模拟分析等手段，对2 1 0 7 2 孤岛面支 承压力分布规律进行综合分析，从而合理确定两巷布置位置，有效控制了巷道 变形量，并安全地回采了该孤岛面，经济效益和社会效益十分明显。 文献【s J 在分析综采工作面旋转式开采现状的基础上，结合庞庄煤矿2 4 4 3 孤 岛面开采实际，进行了综采旋转开采回收孤岛煤柱工艺方式、矿压显现规律、 旋转区巷道布置和支护技术等方面关键技术研究，在实际开采中取得了较好的 技术经济效果，并为在复杂条件下孤岛综采开采提供了参考。 文献1 9 】针对古书院矿1 2 3 0 2 放顶煤孤岛工作面推进至百米时，进、回风巷压 力明显增大，巷道变形十分严重，导致该工作面生产一度处于停滞状态的问题， 提出了相应的回采技术解决方案，采取了在两巷超前工作面1 5 0 m 套棚、打柱 支护措施。在回风巷道变形十分严重的地段采用靠巷道一侧打木跺的措施，有 效地防止了变形量进一步增大。巷道掘进时，在巷道顶部留卸压区，以释放矿 山压力，减少巷道变形等技术措施，以及制定了一系列行之有效的管理，为孤 岛工作面的安全回采提供了可借鉴的经验。 文献【l o 以徐州大黄山矿三个孤岛面2 2 6 下分层 、3 3 0 3 上分层 、3 3 0 4 上分 层 工作面开采情况为依据，对工作面超前段采用“宽巷维护法”，即通过刷帮， 增加断面，超前3 0 ．5 0 m 范围内，两帮采用双排走向棚，棚间加半圆木护顶，并 分析了孤岛面的顶板运动和支承压力的分布规律，总结在孤岛面开采过程中的 矿压显现特点，提出了孤岛采煤措施。 文献【1 1 1 结合八一煤矿九号井筒孤岛煤柱的实际情况，介绍了孤岛煤柱水力 采煤方法，坚持“自上而下，由浅入深”的开采程序，把九号井筒煤柱最上都 作为首采块段，既符合开采程序，又可对车场、车房提前卸压、消除随后开采 时的矿压影响，同时在开采过程中暴露出来的问题得以及时解决。九号井筒孤 岛煤柱开采取得的成功，为孤岛煤柱开采积累了经验，对今后类似压力集中区 的成功开采奠定了基础，提供了借鉴。 3 安徽理工大学硕士论文 1 ．2 ．2 国内外孤岛巷道布置及维护技术研究现状 针对孤岛工作面压力大，端头、端尾及超前支护困难的特点，必须合理确 定两巷断面尺寸和布置方式，选择可靠的支护方式，改进端头、端尾支护，加 强监测监控管理等一系列生产技术措施，才能保证工作面的回采推进速度，保 证掘进、回采顺利进行，进而实现高效集约化生产。孤岛面支承压力分布规律 是确定巷道合理位置的重要理论依据，同时巷道位置是否合理，也直接影响巷 道维护好坏和维护费用的高低，当一侧工作面采放后，与普通工作面相类似， 在采空区边缘形成侧向支承应力，可分为应力降低区、应力升高区和原岩应力 区【1 2 , 1 3 , 1 4 ] ，为减少巷道围岩压力和煤炭损失，应沿采空区边缘留窄煤柱，将巷 道布置在应力降低区。 文献【1 5 1 通过对义煤集团公司常村矿2 1 0 7 2 孤岛面成功开采的实践，指出如 果孤岛面煤柱宽度较大，两个压力区没有产生叠加影响，则将一条巷道布置在 煤柱中央位置，而将另一条巷道布置在靠采空区边缘的应力降低区，这是一种 合理的选择，此时布置在煤柱中央的巷道因远离峰值位置而易于维护，而另一 巷道因布置在应力降低区也较易维护。但如果孤岛面煤柱宽度较小，两个压力 区之问相互叠加影响，则不宜将一条巷道布置在煤柱中央位置，而将两条巷道 均布置在靠采空区边缘的应力降低区，两条巷道相对较易维护。 文献f 16 】采用F L A C 3 0 软件模拟了孤岛工作面侧向支承压力的分布规律，并 利用雷达探测研究了塑性破坏区沿倾斜方向的变化规律。通过综合分析与对比， 找出了支承压力高峰位置及应力降低区范围，使设计的工作面上、下巷位置成 功避开了压力高峰区的不利影响，使巷道维护状况明显改善，经济与技术效果 显著。 文献[ 1 7 】总结了在王庄矿6 1 0 8 孤岛工作面回风巷进行了留窄煤柱沿空掘巷 的试验，经工作面回采过程中的矿压观测，得出窄煤柱在巷道掘进期间和本工 作面采动影响时，垂直应力的增加是煤柱稳定性发生变化的主要外因的一些结 论。通过数值分析方法对围岩应力进行分析，对类似条件下区段煤柱的选取有 借鉴意义。 文献【1 8 】论述了采用三维离散单元法对孤岛煤柱区巷道围岩破碎范围的发育 规律进行了理论分析。高应力区巷道围岩破碎范围普遍较大，但其水平位移不 再明显发展；高应力区的小煤柱已充分预发育裂隙，且水平位移大。应力水平 降低。通过实践，表面探地雷达技术是现场测定巷道围岩破碎区的有效方法， 并定性地验证了三维离散元法的理论研究成果，对采煤工作面现场上下顺槽的 4 1 绪论 位置选择具有指导意义。巷道围岩破碎区的探地雷达现场探测条件与建立的数 值模拟条件相一致，通过理论与实践的结合，确定距采空区一侧边缘5 ～8 m 为 该条件下巷道布置的合理位置。 文献1 1 9 1 介绍了中国矿业大学副教授柏建彪博士通过对王庄矿6 1 0 8 孤岛综 放面巷道围岩应力和赋存状态的分析，研究了孤岛综放面巷道围岩控制机理， 并将研究结果应用于现场实践，得到以下结论 1 对于综放工作面，留窄煤柱护巷，掘进期问及掘后稳定期间的巷道围岩 变形量较小，而回采期间围岩变形量较大；留较宽煤柱护巷，掘进期间及掘后 稳定期间的巷道围岩变形量就较大，巷道维护更困难。 2 高强锚杆支护系统提高围岩的力学参数、具有较高的支护阻力和较大的 延伸率，显著提高了围岩及窄煤柱的承载能力，同时适应围岩的较大变形，因 而能有效地维护综放面沿空巷道的稳定。 3 高水速凝材料注浆固化提高围岩的完整性，显著改善破碎围岩巷道的维 护状况。 文献[ 2 0 1 针对东滩煤矿4 3 0 7 孤岛综放工作面高应力集中区内的工作面顺槽， 经常发生巷道底臌、两帮煤壁变酥、顶板下沉破碎，矿工钢棚扭曲、部分锚杆 拉断失效、锚固力下降等问题，采用了符合矿井实际的注浆锚索支护技术，进 行煤巷加固，注浆加固可显著提高固结体的强度和刚度，从整体上增强了巷道 围岩的抗变形强度，取得了显著的支护效果和经济效益。 文献【2 l J 根据东滩煤矿4 3 0 3 孤岛综放工作面跨采下部5 条软岩巷道的情况， 在分析跨采巷道支护作用原理的基础上，提出了架后充填加固修复支护技术， 并针对跨采巷道的具体变形破坏状况进行了修复，收到了较好的支护效果。 文献【z 2 1 针对常村煤矿s 2 ．3 孤岛面留小煤柱沿空掘巷巷道矿压大，难以支护 的特点，通过采用锚杆支护，使得巷道得以有效维护，保证了回采工作面的快 速推进，节约了材料投入，降低了原煤生产成本。 文献1 2 驯介绍了权台煤矿东二采区3 4 2 2 3 孤岛综放工作面，煤层及硕底板强 度均较低，属“三软”煤层，该工作面巷道采用锚杆锚索联合支护、巷道两帮 增打锚索，有效地减少了工作面巷道顶底板及两帮的移近量，确保了工作面回 采期间通风、行人断面，为工作面稳产高产打下了坚实的基础。 文献1 2 4 J 介绍邢台煤矿7 8 0 9 孤岛工作面在复合顶板条件下，为实现煤矿生产 高产高效，通过分析计算确定合理的煤柱宽度和锚网支护参数，对两巷掘进采 用留3 ．5 3 ．8 m 小煤柱，成功试验了窄煤柱沿空掘巷锚网支护技术。 安徽理工大学硕士论文 文献f 2 5 l 针对义煤集团公司常村矿复杂地质条件下2 1 0 7 2 综放孤岛面的沿空 巷道进行支护控制，对影响沿空巷道顶煤稳定性的因素进行了分析，提出了巷 道顶煤支护和两帮支护的控制原则，在此基础上给出了孤岛面综放沿空巷道锚 架联合支护方案。实践证明支护效果较理想，对孤岛面综放沿空巷道支护具有 一定指导意义。 文献1 2 6 】论述了朔里矿5 1 5 综采孤岛工作面近距离采空区下沿空掘巷，由于 煤体松散，采用矿工钢梯形支架维护时，架棚背后多处于空松状态，初期围岩 受约束力很小，煤体松动范围大，受压后支架承载低，表现为梁腿变形急剧加 大，弯曲，折断较多，支护效果很差。针对这个问题提出预应力技术控制顶板 离层的思想及高性能锚带网支护技术手段，并进行了工业性试验研究。实践表 明该种支护比架棚和普通锚架联合支护具有明显的优越性。 文献【2 7 】介绍了晋城煤业集团公司风凰山矿针对2 3 1 7 孤岛工作面顺槽矿压 显现强烈这一普遍性问题，风凰山矿和北京开采所合作，在孤岛工作面2 3 1 7 工 作面进行了顺槽全锚杆支护试验。实践证明，使用锚杆支护简化了工作面端头 支护，片帮现象基本消除，保证了行人畅通。此外，综采顼槽使用锚杆支护， 满足了“双高”综采设备不断更新，社会安全效益和技术经济效益十分显著。 文献l 嚣J 针对古书院矿厚煤层衰老矿井孤岛面增多，巷道及工作面压力显现 特别明显，地质条件越来越复杂等特殊开采条件，分析研究了采用放顶煤采煤 工艺开采时的巷道情况，采用锚、索、棚联合支护，试验取得了成功，基本保 证了综放面运输巷的支护质量，确保了正常囤采，保证了工作面衔接，实现了 区域合理集中生产，从而确保矿井实现高产高效，达到矿井合理集中安全生产。 文献1 2 9 1 通过对济宁二矿第一个三侧沿空的2 3 ，下0 3 孤岛综放工作面动压巷道 受压的分析，根据2 3 ，0 3 孤岛综放工作面沿空巷道的地质条件和周围的开采状 况，进行了锚网支护设计。在实施中，根据地质条件变化，采取了增加辅助架 棚支护、在超宽的区域增加锚{ 干或打设点柱、增加顶板辅助支护、和补打锚杆 等若干加强支护方法，具有一定的借鉴意义。 文献【3 0 】通过对潞安矿7 5 0 8 上分层孤岛工作面锚网支护回采巷道的矿压观 测与分析，提出采用超前卧底释放压力，扩大超前支护距离，增加支护密度等 技术措施来控制巷道围岩变形速度，从后期观测效果看，超前支承压力区域内， 底板移近速度，帮移近速度，项板下沉速度，回巷两帮最大移近量，运巷两帮 最大移近量，回巷最大底鼓量和运巷最大底鼓量都大大降低，取得良好效果。 文献【3 1J 针对潞安矿业集团王庄煤矿6 1 0 8 孤岛综放面回风巷道顶板松散，破 6 1 绪论 碎层厚度大的特点，孤岛综放工作面窄煤柱沿空掘巷采用树脂药卷加长锚固高 强螺纹钢锚杆，并配小孔径预应力锚索加固的支护技术，掌握了类似条件下， 围岩变形规律及锚杆载荷分布规律。 文献【3 2 】介绍了常村煤矿2 1 0 7 2 综放孤岛工作面巨厚砾岩下穿越顶分层煤柱 区时，随着工作面向前推移，煤柱上的支承压力越来越大，煤体失稳破坏的危 险性也逐步加大。根据钻孔应力测试原理，采用钻孔应力计测试了煤体的应力， 分析了煤柱区煤体应力的变化规律，确定了煤柱区煤体的危险程度，在此基础 上给出了工作面矿压控制的措施和对上下巷的变形进行分段扩修让压控制的措 施。 1 ．2 ．3 国内外孤岛安全生产技术研究现状 由于孤岛工作面开采比非孤岛开采条件下更容易发生瓦斯突出，自然发火， 冲击矿压等灾害，因此，更应该做好孤岛工作面的事故防治工作，保证矿井的 安全生产。 文献【3 3 】通过对兖矿集团公司东滩煤矿4 3 0 3 孤岛面瓦斯赋存状况及瓦斯涌 出规律的分析，根据不同时期的瓦期涌出情况，有针对性地采取了区域性均压、 工作面两顺槽堵漏和合理配风的措施防治瓦斯，取得了良好的效果，为孤岛综 放面有效治理瓦斯、实现安全开采提供了成功的经验。 文献1 3 4 】分析了山西凤凰山矿各孤岛工作面的瓦斯赋存情况与涌出因素，并 提出几种在实际中切实可行的防治方法在孤岛型工作面掘进时的瓦斯防治采 用大功率风机、大直径风筒或并联风机的方法对长距离掘进巷道或瓦斯涌出预 测可能大的巷道进行供风，有效地稀释排走瓦斯；孤岛型工作面回采时的瓦斯 防治采用了减少漏风，及时合理调整孤岛工作面的通风系统，保证可靠稳定配 风，采用合理采煤工艺等措施，多年来未出现过通风瓦斯事故影响安全生产。 文献p 副介绍了东滩煤矿对4 3 0 3 孤岛综放工作面“两巷”、相邻及自身采空 区采取了综合防灭火措施，保证了该工作面安全、顺利、快速地回采。在历时 两年的过程中，该孤岛综放面未出现过煤层自燃事故，实践表明采取的综合 防灭火技术是成功的，这为兖州矿区及其他易燃中厚煤层孤岛综放面的安全回 采积累了经验。 文献m j 针对兴隆庄煤矿孤岛网下放顶煤开采在防治采空区自然发火方面的 特殊性，就已开采完的5 3 1 4 和正在开采的4 3 0 5 两个孤岛网下综放面的自燃隐 患点进行了分析，总结出孤岛网下放顶煤开采的主要隐患点在邻面的切眼、停 采线、本面一分层停采线及存在可能漏风通道的其它地点，并对上述隐患点采 7 安徽理工大学硕士论文 取全部喷浆、施工防火钻孔，注黄泥浆、均压等措施，提出这些地点在准备掘 进期间就需要采取措施及时治理，并定期进行检测，做好预测预报。 文献【3 7 】分析了厚煤层孤岛工作面综放开采过程中煤炭自然发火的特点，提 出了防火重点在其上下顺槽、开切眼及停采线周围的遗煤带，并采取了相应的 防治措旆。 文献1 3 8 】针对徐州矿务集团三河尖煤矿发生冲击矿压频繁的现状，结合已有 经验，对较为典型的9 1 0 1 孤岛工作面进行冲击矿压监测与防治的实践研究，提 出孤岛面必须合理地布置巷道，尽可能减少巷道交岔，避开上层煤柱及邻近区 段的应力高峰影响区域，充分利用工艺破煤效果进行卸压和采用综合检测技术 进行预测等措施。 文献l ”】介绍了老虎台矿自2 0 0 1 年通过高压注水和震动爆破应用于防治冲 击矿压工作以来，效果比较显著，但是这两项技术在实际工作中存在着许多问 题，针对高压注水和震动爆破存在的问题的分析，提出了卸压钻孔技术，并在 实际应用中证明了卸压钻孔技术不仅能够有效的防治冲击矿压，而且还能弥补 高压注水和震动爆破措施的缺陷。 文献【4 0 1 结合鹤岗矿由于向深部开采以及三面采空形成孤岛煤柱或半孤岛煤 柱、冲击地压显现情况，研究适合该地区的防治冲击地压途径，提出了用诱发 爆破，卸载爆破，使应力释放，宽巷掘进，注水软化煤体或顶板打卸压钻孔等 卸压方法在生产实践中控制或解除冲击地压，实现了安全生产。 文献【4 l 】介绍了中国矿业大学博士何烨对济宁二号矿2 3 0 3 孤岛工作面开展 的冲击矿压危险检测预报研究工作，提出分析冲击矿压危险程度，确定冲击危 险指数，采用卸压爆破进行处理和用电磁辐射和钻屑法进行及时预报，实践证 明了这套技术安全、可靠、有效，保证了该工作面的安全高效生产。 文献【4 2 】论述了随着我国煤矿开采深度的不断增加，围岩应力越来越大，瓦 斯突出和冲击矿压发生频繁，采用卸压的方法不失为解决这一难题的一种选择。 钻孔卸压是采用人为的方法改变围岩中的应力分布，使支撑压力峰值向围岩深 部转移，使围岩处于应力降低区，控制瓦斯突出和冲击矿压的发生。并就其机 理和效果结合一个工程实例进行了数值模拟，并将模拟结果用于指导具体的施 工，收到了较好的控制效果。 文献【4 3 】介绍了防治煤与瓦斯突出领域而最新发展起来的一种崭新的局部防 突措施深孔控制卸压爆破防突措施。论述了深孔控制卸压爆破的爆破参数， 对其防突机理进行了理论分析，与深孔松动卸压爆破的防突效果进行了比较。 3 l 绪论 并且在焦作矿务局焦西矿严重突出危险区4 1 采区，采用深孔控制卸压爆破防突 措施迸行了现场的实践，取得了明显的经济效益和社会效益。 文献【4 4 1 应用弹塑性力学、相似理论、岩体力学等知识，探讨了煤巷卸压槽 的防突作用机理；并进行了实验室的模拟试验，得出了煤巷卸压槽开挖后煤体 周围应力分布状态。并且得出煤巷卸压槽能够有效防止煤和瓦斯突出，但能有 效防止煤和瓦斯突出的必要条件在于卸压槽开掘后应能形成较大范围的卸压 区。 1 ．3 研究内容及方法 1 ．3 ．1 研究内容 本文主要针对淮北袁庄煤矿3 1 1 6 孤岛煤柱，进行安全开采和巷道维护技术 的研究，通过建立孤岛工作面的数值模型，对工作面应力场和位移场进幸亍分析， 分析比较四个不同的开采方案，合理的确定一个最优的开采方案，建立孤岛煤 柱回采巷道和孤岛煤柱下方底板硐室数值模型，确定巷道的支护参数，运用工 程力学对孤岛工作面进行力学解析，在此基础上通过现场的信息反馈，验证所 选择的开采方案、巷道支护方式和支护参数的合理性，最终安全开采出孤岛煤 柱，以达到卸压的目的。 本论文主要研究的内容有以下4 个方面 1 孤岛工作面开采的数值模拟分析； 2 孤岛煤柱开采方案的比较与确定； 3 孤岛工作面回采巷道及孤岛工作面下方底板硐室的数值模拟分析； 4 工程力学解析 1 ．3 ．2 主要研究方法 1 孤岛工作面的数值模拟主要运用F L A C 2 0 软件建立孤岛面的走向、倾 向模型，分析孤岛煤柱开采过程中应力场和位移场的变化； 2 孤岛煤柱开采方案的确定根据孤岛煤柱的地质条件，提出了四个开采 方案，通过优缺点比较，最后确定螺旋钻采煤法开采方案； 3 巷道维护技术研究对工作面回采巷道及底板硐室的支护形式、结构参 数进行计算机模拟并优化支护参数，进行现场试验。 “ 理论分析应用工程力学的方法推导出孤岛煤柱支承压力在底板传递的 力学解析解和巷道底板发生底臌的压曲临界荷载计算公式。 9 安徽理【大学硕士论文 1 ．4 存在的问题 以往偏重于孤岛工作面矿压显现及上覆岩层运动破坏规律的研究，而关于 孤岛面开采对底板应力分布规律的影响研究还不是很多，应用数值模拟对孤岛 面应力场和位移场的研究文献比较少。 1 ．5 研究技术路线 拟采用的技术路线如图1 图1 研究方法路线图 F i g lR e s e a r c ht e c h n i q u er o u t e 1 0 2 孤岛煤柱开采的数值模拟分析与研究 2 孤岛煤柱开采的数值模拟分析与研究 2 ．1 数值模拟方法及基本原理 2 ．1 ．1 数值模拟方法的特点 数值模拟方法是通过对结构系统构造数学模型，利用计算机求解大规模的 代数联立方程组来模拟结构系统的反映过程的。数值方法的突出优点就是能够 较好地考虑诸如介质的各向异性、非均质特性及其随时间的变化、复杂边界条 件和介质不连续等复杂地质条件。 ． 巷道围岩特别是沿空掘巷的巷道围岩在深部应力作用下产生大变形问题已 经成为公认的现象。近年来发展起来的快速拉格朗日分析 F a s tL a g r a n g i a n A n a l y s i so f C o n t i n u a ，简称F L A C ，是一种新型的数值分析方法，对解决大变形 问题十分有效。 它首先由C t m d a l l 在8 0 年代提出并将其程序化 实用化。F L A C 基本原理 与离散元单元法相似，但它却能像有限元那样适用于多种材料模式与边界条件 的菲规则区域的连续问题求解；在求解过程中，F L A C 又采用了离散元的动态 松驰法，不需求解大型联立方程组 刚度矩阵 ，便于在微机上实现。在计算中 可以模拟真实的围岩特征，例如岩石的力学性质、节理层理等不连续面以及其 它复杂的地质条件。采用的岩石及节理破坏准则主要是莫尔～库仑准则和应变 软化准则，并可以利用设置的接口建立其它准则。该软件还可以模拟巷道开挖 对围岩稳定性的影响，同时很方便地计算分析锚杆、支架与围岩的相互作用关 系。另一方面，F L A C 还能针对不同材料特性，使用相应的本构方程来比较真 实地反映了实际材料的动态行为。F L A C 软件具有很强的后处理功能，可以绘 制多种应力、应变曲线。此外，它的前处理功能也较强。 故本论文采用它来对孤岛煤柱安全开采及巷道支护进行数值模拟分析是可行 的。 2 ．1 ．2 显式拉格朗日差分分析的基本原理 对于函数F ，由高斯定理 f 只凼 f 竺0 x d 矿 2 1 式中矿一函数求解域 , 或单元的体积 ； 曰一y 的单位外法线矢量。 安徽理- t 大学硕士论文 定义的平均值为 _ 石1 【罢∥ 2 - 2 反．y ，面， 式中◇表示求平均值。 对于一个具有N 条边的多边形，上式可写成对条边求和的形式。 V 7 y 醌蜗 2 - 3 式中A S j 一多边形的边长。 F 一，在上醯，的平均值。 假定以速度代替式中的F ，且“．取各条边两端的节点 即差分网络的角点 a 和 b 的速度平均值，则 - 土2 V y 一删- ， 酽玩馘∽ ∞j ∞ 妒 吩鲢∽ 掣 ∥加，笛㈦ ∥ ∥溉鲻‘以】 2 5 同理可求得 的值。 劣． 由几何方程可求得单元的平均应变增量 她k 三嚆⋯等凇 由广义虎克定律，各向同性材料的本构方程为 1 2 2 6 2 孤岛煤柱开采的数值模拟分析与研究 o } 2 雌4 七拍6 口 式中彳，∥一拉梅常数； 口一体积应变，日 ‰ 毛l 占2 2 屯。 毛 器嬲 因此单元的平均应力增量为 2 - 7 绝 2 9 2 8 同时，若以应力表示应变，则其本构关系为； A e 。Ⅻ警 鲁‘岛 2 - 9 式中Ⅳ一泊松比 占一弹性模量。 厶一第一应力不变量。 这样，通过上述各式的迭代求解，便可求出每一迭代时步相应各单元的