开滦林西矿复杂地质条件下沿空掘巷技术研究.pdf

中图分类号TD322论文编号HBLH 2015-391 UDC密级公开 硕士学位论文硕士学位论文 开滦林西矿复杂地质条件下沿空掘巷技术研究开滦林西矿复杂地质条件下沿空掘巷技术研究 作者姓名王哲豪作者姓名王哲豪 学科名称矿业工程学科名称矿业工程研究方向采矿技术及工艺研究方向采矿技术及工艺 学习单位河北联合大学学习单位河北联合大学学习时间学习时间 2.5 年年提交日期提交日期2014 年年 11 月月 26 日日 申请学位类别工程硕士申请学位类别工程硕士 导师姓名浑宝炬教授导师姓名浑宝炬教授单位河北联合大学矿业工程学院单位河北联合大学矿业工程学院 霍广智高工霍广智高工单位开滦（集团）有限责任公司单位开滦（集团）有限责任公司 论文评阅人匿 名论文评阅人匿 名单位单位 匿 名匿 名单位单位 论文答辩日期论文答辩日期2015 年年 01 月月 18 日日答辩委员会主席郭立稳 教授答辩委员会主席郭立稳 教授 关键词复杂地质条件；沿空掘巷技术；煤柱参数优化；数值模拟；矿压监测关键词复杂地质条件；沿空掘巷技术；煤柱参数优化；数值模拟；矿压监测 唐山河北联合大学唐山河北联合大学 2015 年年 3 月月 Study on the Gob-side Entry Driving Technology Under the Complicated Geological Condition in Linxi Mine of Kailuan Dissertation ted to Hebei United University in partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Engineering by Wang Zhehao Mining Engineering Supervisor Professor Yun Baoju Huo Guangzhi March, 2015 独创性说明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得河北联合大学以外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。 论文作者签名日期年月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北联合大学有关保留、使用学位论文的规定， 即已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论 文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检 索和交流。 作者和导师同意论文公开及网上交流的时间 □ 自授予学位之日起 □ 自年月日起 作者签名导师签名 签字日期年月日签字日期年月日 摘要 - I - 摘要 煤矿采准巷道沿空掘巷参数优化是巷道支护及其变形有效控制的核心技术问 题，特别是针对大采深、高应力、顶板断层节理裂隙发育、采动波及叠加等复杂地 质条件，深入研究实现区域煤层巷道的沿空掘巷技术，对于大幅度降低矿井掘进 率，解决采掘衔接紧张矛盾，实现矿井生产的安全与高效有重大意义。 以开滦林西矿深部-850m 十一水平七石门区域 1773 工作面为背景，在充分调 查分析区域煤层赋存及开采技术条件基础上，依据矿山压力及其控制关键层理论， 采用理论计算并结合 FLAC3D计算机模拟对比等手段，深入研究了沿空掘进巷道上 覆关键岩块的结构特征和受力情况以及关键岩块在不同阶段的稳定条件；分析沿空 掘进巷道周围受力情况及其破坏原因；确定沿空巷道采用矩形断面设计，煤柱留设 合理尺寸为 8m，掘进施工滞后回采时间为 68 个月，采用注浆增强沿空巷道煤柱 力学性能并结合“锚网（索）钢带注浆”联合的方式，对开滦林西矿沿空巷道 进行支护。 将这种支护技术应用于开滦林西矿 1773 工作面的采准巷道，并对巷道施工管 理、巷道变形监测、监测数据分析处理以及巷道成型效果进行统计分析。结果表 明，该技术的应用可有效地控制林西矿复杂地质条件下沿空巷道的变形，矿井掘进 率降低，煤炭资源回收率提高，大大缓解矿井采掘衔接的紧张矛盾。 图 41 幅；表 2 个；参 54 篇。 关键词关键词复杂地质条件；沿空掘巷技术；煤柱参数优化；数值模拟；矿压监测 分类号分类号TD322 河北联合大学硕士学位论文 - II - Abstract Parameter optimization of gob-side entry driving to preparation roadway of coal mine is a core technical problem of deation effective control roadway supporting, especially for complicated geological conditions, including large mining depth, high stress, fault joint fracture development of roof, superposition of mining dynamic pressure and so on. It is with great significance to make gob-side entry driving of regional seam roadway come true to greatly decrease drivage rate, resolve linking up digging, and achieve safe and efficient mine production. With the background of 1773 working face in kailuan linxi mine -850m 11 level 7crosscut regional, on the basis of investigation of regional seam hosting and mining condition. FLAC3Dsimulation, in accordance with ground pressure and control key stratum theory, was used to research the key rock structural characteristics and force condition, as well as the stability condition of the key rock under different stage, the force condition and destruction causes of the surrounding rock, so that the design of rectangular section was determined, with the reasonable size of coal pillars is 8m, the time of excavation construction stoping is 6 to 8 months. The mechanical property of coal pillar was strengthened by slip casting and anchor net, steel strip and slip casting were used jointly to support the roadway of LinXi. This supporting technology was applied to the development drifts of 1773 working face. The construction management, roadway deation monitoring, date analyzing and processing and molding effect were analyzed with the statistical . It is indicated that the application of this technique controls the deation of the underground roadway under the complicated geological condition effectively; the excavation rate is reduced; coal recovery rate is improved and contradiction between the mining and digging is released.. Figure41; Table2; Reference 54 KeywordsComplex geology condition, gob-side entry driving technology,optimization coal pillar, numerical simulation, mine pressure monitoring. Chinese books catalog TD322 目次 - III - 目次 引言........................................................................................................................1 第 1 章 绪论..................................................................................................................2 1.1 沿空掘巷稳定性研究现状..............................................................................2 1.1.1 国外煤柱研究现状................................................................................2 1.1.2 国内煤柱研究现状................................................................................3 1.2 开滦林西矿煤层巷道变形破坏及原因分析..................................................5 第 2 章 沿空掘巷巷道围岩力学分析..........................................................................6 2.1 沿空巷道围岩变形及破坏分析......................................................................6 2.1.1 沿空掘巷围岩稳定性影响因素............................................................6 2.1.2 沿空掘巷巷道破坏形式........................................................................7 2.2 沿空巷道顶板稳定性分析..............................................................................7 2.2.1 沿空掘巷顶板结构力学模型................................................................7 2.2.2 掘巷前顶板结构的稳定性分析..........................................................11 2.2.3 掘巷后顶板结构的稳定性分析..........................................................16 2.2.4 采动影响顶板结构的稳定性分析......................................................17 2.3 沿空掘巷煤柱应力分析................................................................................19 2.3.1 煤柱稳定性的影响因素及其破坏形式..............................................19 2.3.2 煤柱宽度的合理性..............................................................................20 2.3.3 煤柱应力分布规律..............................................................................21 2.4 本章小结........................................................................................................22 第 3 章 沿空掘巷煤柱受力数值模拟与煤柱参数优化............................................23 3.1 开滦林西矿地质条件概况............................................................................23 3.2 优化区域煤层开采技术条件........................................................................24 3.3 煤层巷道沿空掘巷煤柱留设........................................................................24 3.3.1 煤柱合理宽度留设的原则..................................................................24 3.3.2 煤柱合理宽度的理论分析..................................................................25 3.4 沿空巷道受力数值模拟分析与煤柱尺寸优化............................................26 河北联合大学硕士学位论文 - IV - 3.4.1 数值模型的建立..................................................................................26 3.4.2 数值模拟结果分析..............................................................................27 3.4.3 沿空掘巷煤柱宽度优化......................................................................31 3.5 本章小结........................................................................................................32 第 4 章 开滦林西矿复杂地质条件下沿空巷道支护技术........................................33 4.1 巷道不同支护方式作用机理........................................................................33 4.1.1 喷浆对巷道支护作用机理..................................................................33 4.1.2 注浆对巷道支护作用机理..................................................................34 4.1.3 锚网梁对巷道支护作用机理..............................................................34 4.2 沿空巷道支护的原则....................................................................................34 4.3 沿空巷道支护效果模拟分析........................................................................35 4.3.1 垂直应力分布......................................................................................36 4.3.2 水平应力分布......................................................................................37 4.3.3 剪切应力分布......................................................................................38 4.3.4 巷道支护数值模拟结果对比分析......................................................40 4.4 本章小结........................................................................................................40 第 5 章 林西矿 1773 工作面沿空掘巷技术实践与应用..........................................41 5.1 林西矿 1773 工作面沿空掘巷支护技术......................................................41 5.1.1 支护方案..............................................................................................41 5.1.2 支护设计..............................................................................................42 5.2 沿空巷道施工工艺........................................................................................44 5.3 沿空掘巷矿压监测与效果分析....................................................................45 5.3.1 巷道表面收敛监测..............................................................................45 5.3.2 巷道深部位移监测..............................................................................51 5.4 本章小结........................................................................................................54 结论..........................................................................................................................55 参考文献......................................................................................................................56 致谢..........................................................................................................................59 目次 - V - 导师简介......................................................................................................................60 作者简介......................................................................................................................61 学位论文数据集..........................................................................................................62 河北联合大学硕士学位论文 - VI - 引言 - 1 - 引言 国家能源中长期发展规划纲要（20042020 年）确定，中国将“坚持以煤 炭为主题、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”。显然，在相当长的 时期内，煤炭作为我国的主导能源不可替代。 随着煤炭资源的高强度开采与利用，矿井浅部资源枯竭，深部高应力复杂条件 下矿井采准巷道掘进率高、施工难度大、巷道变形难以控制、经济效益滑坡等问题 突出，矿井采掘衔接紧张的矛盾严重制约矿井安全、均衡稳定生产，采准巷道施工 及变形控制等一系列的技术问题尤为突出。 众所周知，传统意义上的煤层采准巷道的施工掘进，是在上区段回采工作面开 采结束一定时间后，与运输巷道留设 20m 左右煤柱平行掘进下区段回采工作面的 回风巷道。一方面，采准巷道的掘进施工需要经过相当长时间的采后煤层顶板压 实、稳定的过程，严重制约采准巷道的及时施工；另一方面，留设较宽煤柱，造成 应力集中，破坏巷道受力结构，更为突出的是严重浪费资源或加大资源回收成本。 因此，研究如何提高矿井掘进率，大幅度提高资源回采率的采准巷道施工及变 形控制的核心技术，对于实现资源的高效开采意义重大。煤炭领域从 20 世纪 50 年 代起，开展大量包括沿空掘巷和沿空留巷两种技术的试验研究，采准巷道的沿空掘 巷和沿空留巷相比，沿空留巷在顶底板相对稳定、应力较小、开采涌水量不大、瓦 斯含量较低的薄煤层开采中应用比较经济可靠，而在厚煤层特别是煤层群开采中， 由于采动叠加波、断层节理裂隙发育等复杂地质环境下，采用沿空留巷的技术既不 经济也不安全。研究沿空留巷取得的成果对于减少煤柱损失具有一定的意义，但就 其巷道设计、巷道稳定性的影响因素、煤柱留设参数优化依据等方面的研究还有很 大差距，基于特殊条件的采准巷道沿空掘巷技术还不成熟。所以，深入研究复杂地 质条件下矿井采准巷道的沿空掘巷技术，探索留煤柱条件下沿空掘巷的安全控制机 制与对策，对提高煤炭采出率和保证安全、高效的开采有重要的科学与工程意义。 河北联合大学硕士学位论文 - 2 - 第 1 章 绪论 我国煤矿的巷道掘进量每年约 1.3 万千米，大部分巷道稳定性受到采动的影响 [1]。沿空掘巷通过预留一定宽度的煤柱使得巷道处于低应力区，而煤柱宽度随着巷 道埋深变化而变化，巷道深度与煤柱宽度成一定比例。从而造成煤炭的回采率低 下，巷道的维护困难，且在回采时造成煤柱的应力集中，对于维护巷道的稳定性以 及瓦斯治理等造成不利影响[2-4]。 沿空掘巷和沿空留巷的围岩受力情况不同，使得变形机理也不相同，沿空留巷 上区段的巷道继续保留作为下区段的巷道，该巷道不仅受到上区段回采时的动压影 响，而且在该区段回采时同样会影响其稳定性。而沿空掘巷是在上区段回采完毕， 垮落稳定后，在下区段新掘出一条巷道，该巷道位于应力降低的区域，只在该工作 面回采时受到采动的影响[5-6]。因此，后者在稳定性方面要优于前者[7]。 1.1 沿空掘巷稳定性研究现状 国外对沿空掘巷的发展较早，通过理论分析和实验室模拟实验，并应用于现 场，取得很好的效果。国内在现有理论基础上，结合现场实际情况，分析不同地质 条件下沿空掘巷围岩应力规律，确定合理煤柱宽度。 1.1.1 国外煤柱研究现状 澳大利亚和美国的煤矿机械化程度很高，对于煤柱合理宽度的留设也取得很好 的成果[7]。上世纪中期，美国首先用长壁回采面布置方式代替了短壁回采工作面的 布置方式，经过大量的现场试验，取得很好的效果。对于深井以及中厚煤层的回采 带来极大优势。这些国家应用高效、安全、环保的生产技术，他们一般将巷道布置 在煤层中，采用全煤巷道开采的方式。该种方式的优势在于，巷道掘进量小，在巷 道之间留一定宽度的煤柱，并且采用合理支护方式，使得煤巷与支护系统形成统一 的整体。该种方式不仅减小了前期掘巷的投入，且能最大限度的提高煤炭的回采程 度，充分发挥支护系统与围岩的相互作用[8]。 上世纪初期，美国学者 Danieis 和 Moore 通过计算煤柱宽度，认识到煤柱的稳 定性并不是与其宽度成正比，在一定范围内，巷道稳定性与煤柱宽度成正比，但当 大于某范围时，煤柱的支撑强度则减小。上世纪中期学者 Gaddy 等人在实验室对 岩块的强度进行研究，得出了越大尺寸的岩块则抗压强度越小；上世纪 60 年代， 第 1 章 绪论 - 3 - 外国学者通过对矿井现场分析，得出煤柱宽度的计算方法；上世纪 70 年代格罗布 拉尔在煤柱强度计算的公式上进行完善，虽然应用范围减小，但其准确性有所提 高；Wilson 在前人的理论基础上提出了应力约束理论，计算出煤柱应力区和无应 力区的计算公式，并得到广泛的认可[9]。 对于无煤柱开采，美国在上世纪 60 年代，采用长壁开采的方式，通过认识分 析巷道围岩的力学特征，达到最优的煤柱宽度，使得煤柱的回采率提高；英国的 Wilson 通过理论计算得出高应力区域和地应力区域的范围，计算出煤柱承载极限 的公式，由此将煤柱留设在应力最低的区域，避开应力峰值区；澳大利亚通过现场 试验的方法分析开采宽度与煤柱尺寸的关系；前苏联的乌日洛夫矿通过地质勘测， 得出在一定范围内煤柱承载的极限值，以及一定范围内巷道的最小应力区域[10]。 1.1.2 国内煤柱研究现状 上世纪中期前，我国煤矿巷道参照前苏联的布置方式。由于生产技术的局限 性，尤其在维持巷道稳定性方面，支护系统还不完善，对当时的安全高效生产造成 一定的影响。为维持沿空掘巷巷道稳定性，在巷道与上区段采空区之间留煤柱。但 沿空掘巷有其明显缺点1）开采煤层群时，上层回采面残留矸石或煤体会产生应 力集中的现象；2）在两条巷道之间留煤柱回采时，尤其是厚煤层，很容易造成瓦 斯突出的现象，存在的危险因素较多，安全性得不到保障；3）两条巷道之间留煤 柱技术要求相对较高，各个工程之间的衔接要求严格，由于当时的生产技术有限， 对留煤柱体现出来的优势并不明显[11]。 上世纪中期后，随着生产技术的发展以及学者的不断研究，在煤矿开采方面不 断取得成就，我国从国外引进先进的生产设备，并应用于现场，在结合合理支护方 式，沿空巷道应力集中的现象得到很大改善。在理论方面，重点分析关键层理论以 及对关键层的分析研究，沿空掘巷维持巷道稳定性的关键是对关键岩层的控制，分 析了沿空掘巷巷道在开挖后顶板的断裂以及旋转特征，从而形成了应力集中区域和 低应力区。而在该工作面进行回采时，巷道受到两次采动影响，顶板结构必然会发 生变化，这使得支护难度加大。因此，在进行矿山设计时，应着重考虑断裂顶板的 形态，采用合理支护方式，保留合理煤柱宽度，使得巷道的稳定性达到最佳状态。 到目前为止，关于煤柱的强度、宽度等性质的分析研究国内外学者做了很多研 究，但都持有不同观点。有的学者认为煤柱应达到满足要求的最小宽度，而有的学 者认为，煤柱最小应达到 20m 以上。前者的理论基础是基于实验室的煤柱宽度效 应；而后者认为达到沿空巷道稳定性的前提是保证巷道位于原岩应力区域。从实际 河北联合大学硕士学位论文 - 4 - 情况来看，对于煤柱尺寸的研究，应根据现场的地质情况、巷道深度、围岩 特性 等的因素，得出适用于该矿的煤柱宽度。在我国，根据现场的实际条件，主要着重 研究小煤柱的应用。刘增辉等人通过进行实验室的相似模拟主要着重分析巷道帮部 以及顶板的力学研究。谭云亮等人通过现场收集数据，分析了巷道的埋深以及煤柱 物理性质对巷道稳定性的作用。孟金锁分析认为，沿空巷道应在上区段垮落的岩层 中进行开挖，能使得煤炭采出率达到最大化[12-14]。徐金海等人分析了煤柱与顶板之 间的力学关系，研究顶板对煤柱长期压力造成煤柱的蠕变，并得出了煤柱稳定状态 的时间。顾市亮对巷道在工作面回采时围岩内部力学结构的变化进行研究，从内外 着手分析煤柱稳定性的影响因素。陈忠辉等人则提出了通过人为改变煤柱力学性 能，从而增强煤柱抗压能力。冯夏庭运用人工神经网络方法对现场煤柱的变化进行 监测；侯夏炯等人分析沿空巷道顶板在受到一、二次采动时关键层的变化状态，分 析了顶板关键层的力学机制，同时提出了相应的巷道支护方式，认为只有将顶板关 键层很好的控制，同时将支护方式能与围岩很好的作用，只有这两种结构能相互结 合，才能使巷道保持稳定状态[15-16]。 迄今，在沿空掘巷方面取得的主要成果有1）沿空巷道煤柱的支撑能力有 限，在掘进期间，会出现一定量的变形，由于受到上区段侧向支撑压力的影响，该 工作面回采时，围岩应力重新分布，使得上方岩层对煤柱的作用力增大。2）在巷 道和上区段留一定宽度的煤柱，煤柱支撑能力有限，当达到最大支撑能力时，煤柱 会出现较大范围的塑性区。3）留一定宽度的煤柱，使得沿空掘巷巷道与上区段采 空区之间能很好的隔离，能减少上区段瓦斯的渗入。同时，巷道在煤层中绝境，对 掘进机械的要求不高，能大大提高掘进速率；4）煤柱宽度较小时，煤柱内部裂隙 较为发育，在有水渗出的地方容易导致通风不畅，因此对风的需求量较大[17]。 煤柱的主要作用有1）煤柱的宽度决定了上区段采空区与沿空巷道之间的距 离，而上覆岩层的结构是一定的，因此，煤柱的宽度能够影响沿空巷道顶板的稳定 性；2）煤柱靠巷道侧为沿空巷道的帮部，煤柱的稳定性对整个巷道产生影响。 我国近期对沿空掘巷做了大量的现场研究，系统分析了影响顶板结构以及煤柱 稳定性的因素，并采集数据进行实验室相似模拟[18]。分析影响沿空巷道以及煤柱 的稳定性的外界影响因素。根据不用矿井的生产条件，提出一些适用性较强的方 法。并且分析了其他一些影响因素，例如煤层的开采方法以及煤质等其他因素对 煤柱宽度的影响。所以，必须在理论计算的基础上，结合矿井现场实际情况，最后 确定合理煤柱宽度[19-21]。 第 1 章 绪论 - 5 - 1.2 开滦林西矿煤层巷道变形破坏及原因分析 林西矿十一水平地质条件复杂，其主要表现在以下几个方面 1）围岩性质 围岩性质对巷道变形与破坏有决定性影响。林西矿十一水平岩性较差，主要以 泥岩和粉砂岩为主，且在局部有高岭石和蒙脱石，遇水极易发生膨胀，对巷道变形 和破坏的性质及其剧烈程度有重要影响。 2）地应力较大 林西矿十一水平埋深 850m，理论计算自重应力为 21.25MPa。经地应力现场实 测，结果最大主应力为 29.4MPa，方位角为 273.6。处在高应力环境中的巷道对 对支护带来极大挑战。 3）水文地质 十一水平岩层中以泥岩和粉砂岩为主，岩石受水后出现泥化、崩解、膨胀、破 裂等现象，从而使得巷道围岩产生很大的塑性变形。在十一水平上部岩层中有隔水 层的存在，但隔水层断裂以后容易发生突水现象。 4）采动影响 十一水平 1773 工作面东部为 1771 工作面，已回采结束，正上方为 1721 工作 面正在回采，右上方为 1871 工作面的采空区。由于受到 1721 工作面回采动压的影 响，使得 1773 工作面一直处于自重应力和动压应力双重的影响下，对 1773 采准巷 道影响很大。 河北联合大学硕士学位论文 - 6 - 第 2 章 沿空掘巷巷道围岩力学分析 沿空掘进巷道围岩的稳定性不仅与巷道所处的特定力学环境有关，还与巷道围 岩力学性质有必然联系。沿空巷道是特殊的回踩巷道，沿空巷道与一般的回采巷道 围岩受力状态有明显差异 1）沿空巷道在掘进时，左右两边所承受的应力状态不同。 2）沿空巷道所在工作面回采时，围岩所受到的力要大于同水平其他巷道，导 致巷道的变性较大，产生这种现象的根本原因是由于沿空巷道不仅要承受上覆岩层 向下的压力，而且也受到上回采工作面对其侧向压力。在本区段工作面回采时，受 到超前支撑压力和侧向支撑压力叠加作用，在煤体上形成高应力。因此，分析沿空 巷道的受力情况，对于控制沿空巷道有重要意义。 2.1 沿空巷道围岩变形及破坏分析 影响沿空掘巷围岩稳定性的因素很多，通过分析其影响因素，以及巷道的不同 破坏形式，能更好的分析沿空掘巷巷道的稳定性。 2.1.1 沿空掘巷围岩稳定性影响因素 1）应力环境 应力大小是影响巷道稳定性因素之一，巷道不仅受自重应力，同时还受到构造 应力和采动应力的影响[22-24]。 2）煤柱大小 煤柱大小与围岩应力环境有必然联系。煤柱一侧为沿空巷道的一帮。煤柱过小 时，不具有承载上覆岩层的能力；煤柱过大，使得沿空掘巷巷道位于高应力区域， 对煤柱抗压能力要求高[25]。 3）煤质 沿空巷道是在煤层中开挖，巷道的稳定性与围岩的性质有很大关系，因此煤体 的力学性能影响巷道的稳定性。同时，煤层的赋存状况与其上下岩层有很大关系， 决定巷道上部岩层的性质，影响巷道稳定性[26]。 4）顶底板条件 沿空巷道的开挖使得原先稳定岩层遭到破坏，而巷道顶底板的岩性对其稳定性 有很大影响。 第 2 章 沿空掘巷巷道围岩力学分析 - 7 - 2.1.2 沿空掘巷巷道