急斜特厚煤层回采巷道支护技术研究.pdf

硕 士 学 位 论 文 急斜特厚煤层回采巷道支护技术研究 Research on Supporting Techniques of Mining-Entries in Extremely Steeper Thick Coal Seams 申请人姓名 蓝海东 指 导 老 师 来兴平 专 业 名 称 采矿工程 研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 西安科技大学 二〇一四年 六 月 万方数据 学 位 论 文 独 创 性 说 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其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。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 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，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西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以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，可以采用阴影、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位 为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 万方数据 论文题目急斜特厚煤层回采巷道支护技术研究 专 业采矿工程 硕 士 生蓝海东 签名 指导教师来兴平 教授 签名 摘要 回采巷道支护技术是急斜特厚煤层安全开采亟需研究的重要课题之一。针对神华新 疆公司乌东煤矿碱沟采区特殊地质条件和回采巷道变形特征， 采用现场调查、 理论分析、 数值模拟和现场监测相结合的综合分析方法，研究了乌东煤矿碱沟采区急斜特厚煤层回 采巷道变形规律和支护技术，得到以下结论和认识 急斜特厚煤层回采巷道变形方式主要是顶板下沉、两帮鼓出收敛，巷道顶板变形破 坏最严重，底板侧巷道南帮变形量大于北帮，顶板侧巷道北帮变形量大于南帮；顶板侧 直墙顶部是顶板侧巷道应力集中的重点区域，底板侧直墙顶部是底板测巷道应力集中的 重点区域；下分段回采巷道围岩不仅受本分段采掘活动影响，还受上分段“跨层拱”应力 传递的影响，造成下分段围岩垂直应力叠加，且拱跨越长、埋深越大应力增量越大，θ0 一定时距拱脚垂直距离越远应力增量越小；“跨层拱”拱轴线向底板侧偏转，平行于倾向； 围岩应力集中系数的数值模拟结果与理论分析基本吻合。 根据研究成果，设计了 518B1巷的支护方案，选用了更为合理的锚杆、锚索与锚网 等材料，确定了相关支护参数，有效控制了围岩变形，取得了良好的应用效果。研究结 果对于指导急斜特厚煤层回采巷道支护具有一定意义。 关 键 词急斜特厚煤层；回采巷道；应力传递；支护设计 研究类型应用研究 本研究得到国家自然基金重点项目No.U1361206、陕西省重点科技创新团队计划项目No.2013KCT-16和新疆维吾尔 自治区科技支持计划项目No.20143120资助 万方数据 万方数据 Subject Research on Supporting Techniques of Mining-Entries in Extremely Steeper Thick Coal Seams Specialty Mining Engineering Name Lan Haidong （（Signature）） InstructorLai Xingping （（Signature）） ABSTRACT Mining-Entries supporting technology is one of the most important research topic in safty mining of extremely steeper thick coal seams. Based on the spacial geography conditions of Jiangou colliery, we utilized the comprehensive monitoring system, including field investigation, theoretical analysis, field monitoring and numerical simulation, to research the mining-entries supporting techniques and the law of roadway deation of extremely steeper thick coal seams. The main results was demonstrated as follows The deation style of extremely steeper thick coal seam was ceiling subsidence, bilateral astringent;The most serious damages appeared in ceiling; the deation in southern side was bigger than northern side, the deation at upper northern side was bigger than the deation at southern side. The crucial area which stress of ceiling mining-entries focused on upper northern side. Mining-entries of deeper panel was influenced by both the excavation in previous sublevel and stress transmission of the spanning strata arch in the following sublevel, which inducing the superposition in the following sublevel. The conclusion basicly coincided with the theoretical value. The longer the Arch span and the deeper the depth, the bigger the stress superposition and the smaller the vertical stress superposition in farther arch corner. The arch axis of arch spanning strata deflected to the bottom, paralleling with tendency of roadway. We designed the 518B1 supporting proposal, chose the optimized anchor bolt, cable and net, defined the related supporting parameters, effectively controlled the deation of surrounding rock and got praisable results, which could be referencable to collieries with similar condition. 万方数据 Key Worlds Steep Thick Seam Roadway Stress Transmission Supporting Design Thesis Application study 万方数据 目 录 I 目录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景和意义 ........................................................................................................... 1 1.1.1 研究背景 ........................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ........................................................................................................... 2 1.2 急斜煤层开采技术发展及理论研究现状 ................................................................... 2 1.3 锚杆支护技术发展及现状 ........................................................................................... 3 1.4 研究的基本内容 ........................................................................................................... 6 1.5 采取的研究方案和技术路线 ....................................................................................... 7 1.5.1 研究方案 .......................................................................................................... 7 1.5.2 技术路线 .......................................................................................................... 7 2 急斜特厚煤层赋存环境和开采条件 .................................................................................... 8 2.1 乌东煤矿碱沟采区简介 .............................................................................................. 8 2.2 赋存环境 ...................................................................................................................... 8 2.3 开采条件 .................................................................................................................... 10 3 急斜特厚煤层回采巷道围岩受力分析 .............................................................................. 11 3.1 概述 ............................................................................................................................ 11 3.2 “跨层拱”的力学模型的建立 ...................................................................................... 11 3.3 “跨层拱”高度计算...................................................................................................... 13 3.4 上分段“跨层拱”拱脚应力传递对下分段回采巷道影响 .......................................... 14 3.5 本章小结 .................................................................................................................... 18 4 急斜特厚煤层回采巷道围岩应力与变形数值模拟 .......................................................... 19 4.1 FLAC3D程序简介 ....................................................................................................... 19 4.2 计算模型及初始平衡 ................................................................................................ 19 4.3 基于现场条件的模型开挖及结果分析 .................................................................... 21 4.3.1 塑性区分布 .................................................................................................... 22 4.3.2 模型整体应力分布及位移特征 .................................................................... 24 4.3.3 巷道围岩应力分布特征 ................................................................................ 27 4.3.4 巷道围岩变形监测 ........................................................................................ 31 4.4 本章小结 ..................................................................................................................... 33 5 急斜特厚煤层回采巷道支护与变形特征 .......................................................................... 34 5.1 回采巷道支护特征 .................................................................................................... 34 万方数据 目录 II 5.2 回采巷道变形特征 .................................................................................................... 35 5.3 围岩裂隙发育程度监测与分析 ................................................................................ 38 5.3.1 监测仪器及其原理 ........................................................................................ 38 5.3.2 监测方案 ........................................................................................................ 38 5.3.3 监测结果分析 ................................................................................................ 39 5.4 围岩松动范围监测与分析 ........................................................................................ 39 5.4.1 监测仪器及其原理 ........................................................................................ 39 5.4.2 监测方案 ........................................................................................................ 40 5.4.3 监测结果分析 ................................................................................................ 40 5.5 本章小结 .................................................................................................................... 41 6 急斜特厚煤层回采巷道支护应用 ...................................................................................... 43 6.1 回采巷道支护方案设计 ............................................................................................ 43 6.1.1 锚杆长度 ........................................................................................................ 43 6.1.2 锚杆直径 ........................................................................................................ 44 6.1.3 锚杆间排距 .................................................................................................... 44 6.1.4 锚杆预紧力 .................................................................................................... 45 6.1.5 锚索长度 ........................................................................................................ 45 6.1.6 锚索排距 ........................................................................................................ 46 6.1.7 钢带锚网 ........................................................................................................ 46 6.2 应用效果 .................................................................................................................... 47 6.3 本章小结 .................................................................................................................... 47 7 结论 ...................................................................................................................................... 48 致 谢 ........................................................................................................................................ 49 参考文献 .................................................................................................................................. 50 附录 .......................................................................................................................................... 54 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景和意义 1.1.1 研究背景 巷道支护技术是煤炭开采的前提条件和关键技术。目前，我国国有大中型煤矿每年 新掘巷道里程大于 6000km[1]。然而，巷道支护对象-地下工程围岩稳定性问题是复杂的 力学问题，围岩的变形破坏往往是多种复杂因素相互作用造成的，人们观察到的围岩变 形破坏状态是多种因素共同作用引起的结果[2]。如何高效、经济、安全的对煤炭资源进 行开挖一直是地下工程界研究的热点，而其中的一个关键问题就是如何科学合理的设计 巷道支护参数，确保巷道使用期间安全，降低支护成本，为实现矿井高产高效奠定基础。 急斜煤层赋存状态是成煤后期地质强烈构造运动的结果[3,4]，其赋存、开采条件和形 式都有其特有的规律和特征。乌东煤矿碱沟采区是神华新疆能源有限责任公司（以下简 称神新公司）的主力生产矿井之一，位于乌鲁木齐东北郊八道湾向斜南翼，井田东西走 向长 4.5km，南北宽 1.7km，面积 7.95km2。含煤地层为西山窑组，井田内含可采煤层 34 层，自南向北划分为四个煤组，以特厚煤层和厚、中厚煤层为主，其中一二组煤为特厚 煤层， 三、 四组煤为厚、 中厚煤层， 特厚煤层占可采储量的 50.2， 厚、 中厚煤层占 49.8 左右，单斜构造、地层走向自西向东 46 -55 呈一略向北突出的弧形，煤层倾向平均 85 地层倾向西北，煤层倾角平均 86 。开采范围内无断层等地质构造。 矿井采用斜井阶段石门开拓方式。 开采标高616m-300m， 矿井现划分为三个水平， 第一水平为616回风水平， 第二水平为556运输水平， 第三水平为495延深中间水平延 深水平418 未开拓，采用水平分段综采放顶煤开采工艺，现开拓水平495，开采深度 约 240m，并且每年 10-20m 的速度向深部延伸。 但是，神新公司推广和应用回采巷道锚杆支护技术时间短，还不到 10 年，技术人员 短缺，因此，对回采巷道地压与支护技术的系统性研究相对不够，导致巷道变形破坏严 重，巷道两帮移近量和顶板下沉量大，尤其是当下分段巷道围岩距上分段工作面走向距 离小于 30m 时，巷道变形速度快，甚至发生了巷道煤岩动力失稳破坏现象，需要多次维 修才能基本满足使用要求，与神新公司安全高效生产理念之间的矛盾日益突出。因此， 回采巷道支护技术，是神新公司目前亟需研究的一项重要课题。 需要指出的是，神新公司开采的基本都是急斜特厚煤层，其地质赋存环境和开采条 件与缓倾斜煤层有许多不同之处，且国内开采急斜特厚煤层的矿井较少，需要通过不断 的实践、研究和总结，才能获得具有普遍指导意义的经验技术。因此，急斜特厚煤层回 采巷道支护方法，可供借鉴的经验较少。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 1.1.2 研究意义 论文旨在通过系统的现场调研、理论分析、现场监测和数值模拟相结合的方法，揭 示乌东煤矿碱沟采区急斜回采巷道围岩变形基本规律，解决回采巷道支护困难的难题。 研究确定适合乌东煤矿碱沟采区急斜特厚煤层回采巷道的支护方式，为神新公司其他急 斜特厚煤层回采巷道支护提供可供借鉴的经验。 1.2 急斜煤层开采技术发展及理论研究现状 1986 年，西安科技大学承担了煤炭科学基金项目“急倾斜煤层矿压显现规律的研 宄”[5]，比较全面的分析了国内外急斜煤层开采研宄现状；而且，对弹性基础上的倾斜薄 板、 岩墙和空间岩块做了应力平衡分析， 对急斜煤层矿压显现机理和规律做了深入研究。 研究成果认为 急斜煤层顶板断裂岩梁沿倾斜方向能形成非对称的平行三绞拱结构。 1990 年，西安科技大学石平五根据急斜走向长臂工作面周期性矿压显现和沿倾斜不同地段的 显现的特征，采用薄板的理论探索了急斜煤层顶板的变形破断规律，建立了老顶岩块的 力学模型[6]，对不同条件下的围岩运动与平衡规律进行分析；同时，2006 年，石平五提 出急斜煤层放顶煤开采“跨层拱”理论[7]，建立了“跨层拱”的理论力学模型，系统性对“跨 层拱”受力、 形态及失稳条件进行了分析研究， 并根据工作面液压支架压力对该理论进行 验证。 来兴平、伍永平[8]基于乌鲁木齐矿区急斜特厚煤层开采现状，应用地质调查、室内 试验、理论分析、数值计算等方法，从资源赋存环境工程勘察、阶段高度优化、理论分 析、现场试验等方面，对急斜特厚煤层综放开采力学与工程基础进行了系统深入研究。 张国辉等[9]针对神华新疆公司对急斜综放回采巷道围岩分类和稳定性进行了研究。 王明立，张玉卓，张华兴等[10]通过对急斜煤层开釆覆岩非均衡破坏机理的研宄，建 立了楔形破坏区、滑移变形区的岩层移动分区模型。 20 世纪 80 年代，平寿康[11]提出了相应的顶板控制方法比较系统和深入地研宄了大 倾角煤层开采时的矿压显现、围岩灾变及其防治技术。 中国矿业大学张益东，程敬义等[12]利用薄板理论，结合力学分析、数值计算方法对 急斜煤层矿压显现规律进行了研究。 辽宁工程技术大学杨帆[13,14]提出了急斜煤层覆岩移动 “厂”型移动拱结构模式。 河南理工大学张义顺[15]采用水平分层煤皮假顶采煤进行了现场实测分析，对上覆岩 层的变形与移动进行研宄，认为在一定情况下，老顶不会发生周期来压。 鞠文君等[16]运认为急斜煤层开采产生的釆空区是一个逐渐扩大与移动的动态陷落漏 斗。 黄建功等[17]对小结构平衡的极限条件与结构失稳形式进行了探讨。 万方数据 1 绪论 3 高明中[18]研究通过对新集三矿西三采区煤层开采进行具体分析，得出了引起岩体移 动与地表沉陷的一般规律。 20 世纪 70-80 年代，前苏联对急斜煤层的研究比较系统，在此之后由于政治体质的 变更和经济发展下滑，在工业发展停滞不前的大气候下，对煤炭开采技术的研究也受到 影响。在美国、澳大利亚、德国、法国、西班牙、印度等国家也进行了研究，但他们的 研究重点主要集中于如何用用先进的设备去解决急斜煤层开采面临的矿压问题，而对急 斜煤层矿压本身研究相对较少。 1.3 锚杆支护技术发展及现状 锚杆支护作为一种主动支护方式，不仅能对巷道围岩表面施加托锚力，约束围岩变 形，而且能对锚固范围内岩体施加锚固力，充分发挥和提高围岩自稳能力和强度，提高 锚固范围内岩体强度，起到加固围岩的作用[20,21]。当前，锚杆支护已经被公认为是有效 和经济的支护方式，广泛应用于采矿、铁路、公路、大坝、隧道基础等方面。世界上主 要的产煤国家锚杆支护技术的发展过程概括如下[20-36] 锚杆支护技术最早在英国和德国应用。 1872 年英国北威尔士露天页岩矿首先应用锚 杆加固边坡，1912 年德国谢列兹矿最先在井下巷道中采用锚杆支护技术，挪威 A/SsulitJelma 煤矿最先将锚杆支护应用与煤矿巷道支护， 把锚杆支护称为“悬岩的缝合”。 美国是世界上较早使用锚杆并将锚杆作为唯一顶板支护方式的国家。 1943 年锚杆开 始被有计划有系统地使用；1947 年锚杆支护被普遍接受；20 世纪 50 年代，发明了世界 上第一个涨壳式锚头；60 年代，树脂全长锚固技术被大多数矿井所采用；70 年代末，首 次将涨壳式锚头与树脂锚固剂联合使用，大大增加了锚杆的预拉力，达到杆体自身强度 的 50-75。 澳大利亚强调锚杆强度要高，全长树脂锚固锚杆被广泛使用。将地质调研-设计-监 测-信息反馈等部分相互联系起来，组成一个动态的系统，形成了比较完善的锚杆支护设 计体系和设计方法。 英国自 1946 年开始进行锚杆支护实验和应用，到 1959 年井下锚杆支护巷道达到 9600m，但是，由于当时锚头、锚固剂等发展缓慢，锚杆支护对英国软岩特性顶板的支 护效果并不理想，锚杆支护技术也一直未取得大的进展。直到 1987 年，从澳大利亚引入 了成套的锚杆支护技术，锚杆支护在煤巷中的应用范围迅速扩大。 由于使用 U 型钢支架支护费用高，而且随着开采深度的增加巷道维护口益困难，德 国自 20 世纪 80 年代以来，开始试用锚杆支护，并首先在鲁尔矿区取得成功，现如今已 应用到千米采深的巷道中。 俄罗斯在采区巷道支护中同时发展多种支护方式，研制了多种类型的锚杆，锚杆支 护发展引人瞩目。但由于缺乏资金，对现代化锚杆支护配套机器、设备的维护、改进工 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 作进展缓慢。 南非大部分地下开采煤矿顶板属硬砂岩， 顶板条件良好， 采用了多种锚杆安装形式， 锚杆安装作业和顶板支护并不是矿井生产的“瓶颈”，但一些煤矿也安装了顶板岩层监控 系统，用以防止顶板岩层的局部冒落。 法国 20 世纪 60 年代中后期引进了全长锚固锚杆，由于发生过严重的安全事故，对 锚杆支护技术进行了深入分析研究，煤巷锚杆支护技术发展迅速。 印度大多数井工矿采用的是点锚固锚杆或承载能力为 60-80kN 的水泥锚杆支护技 术，全脂锚杆行的使用相对较少。 我国煤巷锚杆支护技术经历了 3 个发展阶段。 20 世纪 80--90 年代为起步阶段， 将锚 杆支护作为软岩支护科技公关项目，在少数几个矿区，如徐州、西山、淮南等局进行了 现场试验。1991--1995 年煤炭部又将煤巷锚杆支护技术列入煤炭工业“九五”重点科技公 关项目， 煤巷锚杆支护应用率达到 15， 并且形成了成套高强螺纹钢树脂锚杆支护技术， 进一步完善 I-III 类顶板支护方法。但是，这期间形成的锚杆支护技术在 IV、V 类巷道中 使用时存在以下问题①断面得不到有效控制，围岩变形剧烈；②常发生局部冒顶现象， 锚杆锚固区内发生离层、锚杆锚固区整体冒落等恶性事故常有发生。其根本原因在于 ①顶板离层、冒落机理认识不清；②支护方法没有实质性创新，支护手段较单一。煤巷 锚杆支护 3-5 万米一次死亡事故和万米冒顶率 3-5制约着该技术的进一步推广[12]。 1996 年至今为引进技术和提高阶段，煤巷支护技术被列为煤炭工业“九五”公关项目，通过引 进澳大利亚成套技术，快速提高了煤巷锚杆支护研究和应用水平，应用范围扩大到复杂 和不稳定的煤巷。针对深部高应力巷道等复杂困难条件，提出了高预应力、强力支护等 设计理论，开发了新型锚杆、锚索，大幅度提高了巷道支护效果和安全性。 在锚杆支护技术发展过程中，国内外专家学者提出了众多的锚杆支护理论 1悬吊理论悬吊理论 1952年路易斯阿帕内科Louis.A.Panek等提出了第一个锚杆支护理论悬吊理论， 该理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板浅部较软弱破裂岩层悬吊在深部稳固的岩层 上，增强浅部较软弱岩层的稳定性。 2组合梁理论组合梁理论 1952 年德国 Jacobio 等基于层状地层提出了组合梁理论。该理论认为通过在岩体内 施加锚杆，可以将多层薄岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，因此，锚杆锚固范围内岩 层被视为组合梁，并认为组合梁作用的实质就是通过锚杆的预拉应力将锚固区内岩层挤 紧，增大岩层之间的摩擦力；同时，锚杆本身也具有一定的抗剪能力，可以约束岩层间 的错动。锚固范围内岩层同步变形，这种组合厚岩层在载荷作用下，其最大弯曲应力和 应变较之前单一薄岩层都将大大减小，该理论充分考虑了锚杆对离层及层间滑动的约束 作用。组合梁理论适用于若干层状岩层组成