南梁矿回采巷道支护技术研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名‘囊型扯日期2 塑全遁扯 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名勇醇一日期．坐业牛 导师签名 日期塑 竺芝笸丝 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 献相采竺撒棚。耐 摘要 ≮蕾渴- 二o V ’ 巷道围岩控制技术现在已经发展的比较成熟。随着煤炭开采范围的增 加，采动影响使一些巷道围岩产生大变形、破坏，从而严重影响了煤炭资 源的安全、高效开采，若巷道支护方案选择和支护参数设计没有依据，一 方面可能达不到理想的支护效果，巷道围岩仍难以实现稳定，另一方面可 能造成支护材料浪费，增加支护成本。锚杆支护在国内外已进行了大量的 研究，人们也从中总结出了很多经验，并在这些经验的指导下完成了许多 锚杆支护设计工作。但是，当煤层赋存条件和开采技术条件差异较大时， 很多的经验、理论是否适用就需要我们根据实际情况重新去审视。 本文根据南梁煤矿的现状，经过调查研究南梁煤矿综采工作面顺槽的 巷道松动范围、收敛变形规律和锚杆支护状态、围岩松动范围、巷道变形 规律、岩石力学参数、岩石成分，利用理论分析及数值模拟方法，在对巷 道稳定性分析的基础上，提出了合理的支护方案和参数，克服了南梁矿现 有支护方式和参数选择的盲目性。 研究表明，本文所提出的针对南梁矿不同围岩条件下回采巷道的支护 方案很好地解决了现场的支护问题，同时本文对其他类似井田回采巷道支 护方案的选择以及支护参数的确定具有借鉴作用。 关键词回采巷道，围岩控制，锚杆支护，数值模拟 万方数据 太原理工大学硕士研宄生学位论文 I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 R E S E A R C HO FM 田蛆N GR O A D W A YS U P P O R T I N G T E C H N O L O G YI NN A N L I A N GC O A L Ⅳ眦 A BS T R A C T T h ed e v e l o p m e n to fr o a d w a ys 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 yi s r e l a t i v e l y m a t u r en O W ．W i t ht h ei n c r e a s eo fm i n i n ga r e a ，s o m er o a d w a y s u r r o u n d i n gr o c ke m e r g e dl a r g ed e f o r m a t i o no rd a m a g ei n f l u e n c e db ym i n i n g ， w h i c hw o u l d s e r i o u s l ya f f e c ts a f ea n de f f i c i e n tm i n i n g o fc o a lr e s o u r c e s ．I ft h e r e w a sn ob a s i sf o rs u p p o r ts c h e m es e l e c t i o na n ds u p p o r tp a r a m e t e r sd e s i g n ，o nt h e o n eh a n di tc o u l dn o tr e a c hi d e a ls u p p o r t i n ge f f e c ta n ds u r r o u n d i n gr o c kW a s s t i l ld i f f i c u l tt oa c h i e v es t a b l e ，t h eo t h e rh a n di tc o u l db r i n ga b o u ts u p p o r t i n g m a t e r i a lp r o f l i g a c ya n di n c r e a s es u p p o r tc o s t s ．D o m e s t i ca n df o r e i g np e o p l eh a d d o n eal o to fr e s e a r c hf o rb o l t i n ga n ds u m m e du pm u c he x p e r i e n c ef r o mp r a c t i c e ． B u tw h e nt h ec o a ls e a mo c c u r r e n c ec o n d i t i o n sa n dm i n i n gt e c h n i c a lc o n d i t i o n w e r eq u i t ed i f f e r e n t ，t h ea p p l i c a b i l i t yo fm u c he x p e r i e n c ea n dt h e o r yn e e d e dU S t or e ．e x a m i n eb a s e do na c t u a ls i t u a t i o n ． T h ep a p e rb a s e do nN a n l i a n gc o a lc u r r e n ts i t u a t i o n ，t h r o u g hr e s e a r c h e d r o a d w a yl o o s er a n g e ，c o n v e r g e n c ed e f o r m a t i o n ，b o l t i n gs t a t e ，r o c km e c h a n i c s p a r a m e t e r sa n dr o c kc o m p o s i t i o no fN a n l i a n gc o a lf u l l y m e c h a n i z e dw o r k i n g f a c ec r o s s h e a d i n g ，t h e na p p l i e dt h em e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，a n db a s e do nt h ea n a l y s i so fr o a d w a ys t a b i l i t y , a n dp r o p o s e d r a t i o n a l s u p p o r tp r o g r a ma n dp a r a m e t e r , w h i c ho v e r c o m e dt h eb l i n d n e s so fe x i s t i n g s u p p o r tw a ya n dp a r a m e t e r ss e l e c t i o ni nN a n l i a n gc o a l ． S t u d i e sh a ds h o w nt h a tt h ep a p e rp r o p o s e dm i n i n gr o a d w a ys u p p o r t p r o g r a ma g a i n s td i f f e r e n ts u r r o u n d i n gr o c kc o n d i t i o n so fN a n l i a n gc o a l ，w h i c h s o l v e dO i l s i t es u p p o r t i n gp r o b l e mw e l l ，a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rc o u l d p r o v i d er e f e r e n c ef o rt h es u p p o r tp r o g r a ma n dp a r a m e t e r ss e l e c t i o no fm i n i n g T T T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 r o a d w a yi no t h e rs i m i l a rm i n ef i e l d ． K E YW O R D S m i n i n g r o a d w a y , s u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o l ，b l o ts u p p o r t , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S l R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。ⅡI 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题的提出及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l 1 ．2 研究现状分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 国内研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 国外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 研宄目标、内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 ．1 研究的目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．2 、研究的内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 第二章矿区地质特征与开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 2 ．1 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1 ．2 自然地理及地貌⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1 ．3 交通运输条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．2 地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～6 2 ．2 ．1 矿区地层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 ．2 矿区地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 ．32 之煤层概括⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ．3 其它开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 第三章岩层物理力学参数测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 3 ．1 现场采样及测试方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 ．2 围岩结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．3 岩石的成分及崩解试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 第四章巷道围岩松动圈测定分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 9 4 ．1 巷道概况及测定技术方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 ．1 测定目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 ．1 ．2 测定巷道概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．1 ．3 松动圈测定及方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．2 测定结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．2 ．1 测定过程及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 第五章巷道变形破坏实测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 5 ．1 现场调研分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 5 ．2 监测区域概况及设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．1 监测区域概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．2 ．2 监测方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．3 监测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．3 ．1 支护方式监测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 第六章巷道变形破坏机理及支护对策分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l 6 ．1 巷道变形破坏机理及影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 6 ．1 。1 巷道变形破坏的力学机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 6 ．1 ．2 巷道变形破坏影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l 6 ．2 巷道锚杆支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．2 ．1 支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 6 ．2 ．2 支护作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 6 ．3 南梁矿巷道支护对策分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 6 ．3 ．1 巷道变形破坏力学机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 6 ．3 ．2 巷道变形破坏影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 6 ．3 ．3 风氧化带支护存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 8 6 ．3 ．4 巷道支护对策分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 第七章支护方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 l 7 ．1 巷道支护设计方法及原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 7 ．1 ．1 巷道支护设计方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 7 ．1 ．2 巷道支护设计原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 V T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 ．2 正常基岩条件下支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 7 ．2 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 7 ．2 ．2 锚杆支护强度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 7 ．2 ．3 支护参数计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 7 ．2 ．4 支护方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 7 ．3 风氧化带条件下的支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．3 ．1 围岩特性及支护现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 7 ．3 ．2 支护方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，6 8 7 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 第八章巷道支护参数数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 8 ．1 模拟模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 8 ．1 ．1 研究内容及模拟软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 8 ．1 ．2 模拟设计及模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 8 ．2 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 8 ．2 ．1 ～般条件下巷道围岩稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 8 ．2 ．2 风氧化带条件下运输巷围岩稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 6 8 - 3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 9 第九章现场试验及施工工艺技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 l1 9 ．1 支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．111 9 ．1 ．1 试验巷道概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1l 9 ．1 ．2 试验段支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1l 9 ．2 施工工艺技术与管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～11 2 9 ．2 ．1 锚杆施工工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 9 ．2 ．2 技术质量要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯113 9 ．2 ．3 施工工艺管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 4 9 ．2 ．4 施工注意事项⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 4 第十章经济社会效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．117 1 0 ．1 经济效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 7 1 0 ．2 社会效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 7 第十一章结论与建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 9 V T T 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 。l 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 9 1 1 ．2 建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 5 攻读硕士学位期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 7 V I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 课题的提出及研究意义 第一章绪论弟一早瑁记 煤炭作为我国主要的消费能源，长期以来为我国的快速经济发展提供了能源基础。 中国是一个产煤的大国，其资源量占我们日常能够使用和接触到能源的9 0 ％以上。2 0 世纪5 0 年代，煤炭占我国能源消费比例高达9 0 ％左右，随着我国工业的发展，这一比 例有所下降，到现在仍达7 0 ％左右，即便在今后的很多年里其仍会是主导，到2 0 5 0 年 煤炭占我国能源消费比例仍不会低于5 0 ％。由此可见，煤炭在我国能源结构中的主导地 位将长期保持不变【”】。 煤炭科学技术的发展保证了煤炭工业生产的高速增长，国民经济的高速发展使得煤 炭资源的开采规模和开采强度超过了以往任何时期。根据去年国家统计局公布的q 2 0 1 2 年国民经济和社会发展统计公报我们可以知道，中国的原煤产量仍然持续增长，2 0 1 2 年中国原煤产量为3 6 ．5 亿吨，比2 0 1 1 年增长3 ．8 ％，增产1 ．3 亿吨，创下我国煤炭生产 的新纪录1 4 5 1 。然而随着工作面机械化程度的提高、采深的加大、回采巷道断面积逐年 增大，巷道围岩矿压显现更加强烈、维护状况恶化、支架折损严重，以至于井下安全生 产不能保证，工作面机械设备的能力不能充分发挥，巷道多次维修耗费了大量的人力和 材料，这也是煤矿经济亏损的主要原因之一。大量现场调研的资料表明造成回采巷道 支护困难的主要原因除支护技术和管理中的问题外，还有一个原因就是对巷道围岩矿压 显现的规律、支架的工作特性以及支架与围岩相互作用的规律认识不清楚，此外巷道支 护形式和参数选择不合理，也会致使支架不能充分发挥其支护效果。 南梁煤矿矿井地质条件较复杂，煤层埋藏浅，矿压显现剧烈，尤其是在过风氧化带 时，巷道变形破坏严重，在掘进过程中发生冒顶、掩埋掘进机，严重的影响了运输、通 风和人身安全，是矿井安全生产的一大隐患，现有的锚杆支护参数满足不了本矿井的特 殊支护要求，即便在其它围岩较好的条件下，也难以确定巷道围岩的松动范围、锚杆支 护是否有有效可靠，这就迫切需要我们针对南梁矿不同巷道围岩条件进行详细的研究， 从而提出了合理的支护方案和参数，同时便于给其他类似井田的回采巷道支护方案以及 支护参数的选择提供借鉴。 万方数据 太原理工大学硕研究生学位论文 1 ．2 研究现状分析 1 ．2 ．1 国内研究现状 近年来锚杆支护技术是我国煤炭行业的的研究重点。自1 9 5 6 年开始使用锚杆支护 以来，经过几代人的努力发展，使得这项技术6 0 年代运用于采区煤巷，8 0 年代开始重 点攻关并形成了成套高强螺纹钢树脂锚杆支护技术，具有代表性的研究成果有王家臣 等进行了“锚杆巷道沿空留巷研究”，他认为决定选择支护方式与支护参数的因素不是 单一的，要将支架与围岩共同承载原理作为其影响选择的因素，这一研究为锚杆巷道沿 空留巷提供了科学依据1 6 - 9 1 。 李新德的锚杆支护在三软沿空煤巷中的应用这一研究有助于锚杆支护技术的快速 发展，他认为我们要想在生产过程中取得最大化的经济效益，就得通过锚杆支护技术有 效地控制巷道项底板及两帮的移近量。 康红普认为，锚杆支护的主要作用在于控制锚固区围岩的离层、滑动、张开裂隙等 扩容变形与破坏，最大限度保持围岩完整性，避免有害变形出现，并详细研究了煤巷锚 杆支护的成套技术，在实践中取得了良好的效果。杨建辉分析了煤巷层状岩体单层岩石 溃屈破坏机理，当纵向载荷趋向于临界载荷时，岩层挠度趋向于无穷大，认为铰接拱变 形失稳是一个渐进过程，初始纵向载荷、跨厚比对铰接拱性质有直接影响。得出了侧压 力系数、锚杆长度、岩层厚度和完整系数、巷道掘进跨度等因素对煤巷层状顶板稳定性 的影响规律【1 0 - 1 1 】。 杨为民、周治安通过现场观察和室内试验，认为煤矿井巷中软弱夹层的工程特性表 现为厚度小，分带性明显，强度低，而夹层矿物成分的不同对巷道工程的危害性差别不 大。软弱夹层的变形破坏与其本身的工程特性、地下水的参与、地应力状态的改变密切 相关，软弱夹层对巷道锚喷支护十分不利。 秦吴、茅献彪、徐金海从力学角度对软弱顶板巷道围岩的变形及塑性破坏进行了数 值模拟分析发现，巷道围岩的力学性质差异以及初始时期顶板的水平应力增大使得变形 及发生塑性破坏的程度都比较高，软弱顶板巷道维护整体稳定性是关键，巷道开挖初期， 会出现顶板离层现象，必须同时进行支护，保障工作安全。 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．2 ．2 国外研究现状 德国 W i t t h a u s ，H o l g e r ．A d a m s ，M i c h a e l ．J u n k e r , M a r t i n 等，2 0 0 0 年在 G l u e c k a u f Z e i t s c h r i f lF u e rT e c h n i ku n dW i r t s c h a f ld e sB e r g b a u s 上诸文“P l a n n i n go f s u p p o r t sf o rd u a l p u r p o s er o o f - b o l t e dr o a d w a y si na d v a n c i n gw o r k i n g sw i t l lr e c o r d i n ga n d e v a l u a t i o no f s e a m - r e l a t e dd a t a ”，提出在加强监测和改进设计的条件下，锚杆支护在大采 深和重复使用巷道中是可行的。H a l 在M i n i n gE n g i n e e r L o n d o n 上发表‘‘I n e v i t a b l eo rn o t t h er e ．u S eo fr o a d w a y sa t F r i c k l e yC o l l i e r y ”，介绍了一种采用沿空留巷的采矿方法。即在 纤维网和可缩性支架的掘进巷道中采用顶板锚固的方法。 英国W i l l i a m s ，Q 在C o l l i e r yG u a r d i a n 上发表“R o o f B o l t i n gi nS o u t hW a l e s ”，介绍 了英国巷道设计中采用项板加固技术，包括顶板锚杆技术，并介绍了一些英国矿井工作 面的锚杆支护试验。澳大利亚学者w ．J ．G a l e 通过现场观测与数值模拟分析，得出水 平应力对巷道围岩变形与稳定性的作用，他认为，巷道顶底板变形与稳定性主要受水平 应力的影响。M a n - c h uR o n a l d Y e u n g 通过模拟试验发现，高强预应力的长短锚杆交替布 置对于产生高稳定性的支护结构非常重要，同时放射状布置锚杆比垂直岩层布置能更有 效控制巷道顶板。 M a l e k B o u t e l d j a 研究认为，锚杆支护在地下金属开采和煤矿支护得到了广泛地应用 和发展，包括新型锚杆、新的搅拌方式、新的安装方式、以及注浆锚杆等都有了很大改 进。他通过数值模拟分析的方法得出，锚杆支护设计在充分了解岩性基础上，必须考虑 锚杆剪应力和切应力的相互关系。A s m a aM o h a m e dY a s s i e n 研究认为，全长注浆锚杆是 一种被动支护方式，但在美国每年的顶板支护中占有很大比重。 1 ．3 研究目标、内容与方法 1 ．3 ．1 研究的目标 1 、以2 0 2 0 4 综采工作面运输巷为研究背景，掌握南梁煤矿巷道的变形破坏机理 2 、确定2 0 2 0 4 综采工作面运输巷不同围岩条件下合理的支护方案和参数。 1 ．3 ．2 、研究的内容和方法 由于本次研究任务重，加之工作面地质资料需求量大，给研究带来一定的困难。针 对以上情况，提出以下研究思路和方法 3U 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 、分析围岩地质条件，对煤层及其顶底板岩层取样以及对岩样进行物理力学参数 测定，并进行成分测定。 2 、现场调查2 0 2 0 4 综采工作面运输巷道的变形破坏特征，监测现有巷道支护的质 量以及实际变形破坏的程度。 3 、研究分析巷道变形破坏的机理，并针对每种情况提出巷道支护基本对策。 4 、使用数值模拟来提前评价不同支护方案对巷道变形破坏的影响。 5 、结合理论分析，确定2 0 2 0 4 综采工作面运输巷不同围岩条件下巷道合理的支护 方案及参数，由于该工作面巷道快掘进完，工业试验将选择在类似条件的巷道中进行。 鉴于地质条件变化的复杂性，在支护方案的应用中还应当结合实际作必要的调整。 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ．1 概述 2 ．1 ．1 矿井概况 第二章矿区地质特征与开采技术条件 井田采用主斜井、副平硐的联合开拓方式，生产能力为1 ．2 M t ／a 。该井田通过两个 层面来开采，一个是水平开采而另外一个是辅助水平开采， 2 ‘2 煤层为一水平，3 ‘1 煤 层是二水平所在，由于5 J 煤层不是厚煤层且可采范围有限，故开拓的最好选择就是第 二水平的辅助水平。本矿是下行开采，并使用倾斜长壁综合机械化采煤方法先开采2 。2 煤层。 2 ．1 ．2 自然地理及地貌 本井田属陕西省府谷县管辖区内，位于毛乌素沙漠东南缘与陕北黄土高原北端的接 壤地带神府矿区新民开采区内，区内为典型的黄土地貌，属黄土丘陵沟壑区，地形复杂， 沟壑纵横，坎陡沟深，地表侵蚀强烈。井田地势总体呈中部高而南北低，最高处位于神 树梁，海拔高程为 1 3 2 1 ．2 m ，最低处位于井田西北界的白火盘，海拔高程 1 0 8 3 ．3 8 m 。 本区属窟野河流域。区内以折家梁～神树梁为分水岭，分水岭以北的杨山沟、东木瓜山 沟、满瓮沟等沟谷由南向北注入悖牛川的支流小板兔川；本区属中温带半干旱大陆性季 风气候，冬季漫长寒冷，夏季较短且炎热，春季风沙频繁，秋季凉爽，四季冷热多变， 昼夜温差悬殊。 2 ．1 ．3 交通运输条件 西 安 一包 头 铁路、2 1 0 国道西 安 一包 头 公路从本井田西侧通过， 神 木北 一朔 州 铁路以及府店一级公路均从井田南缘黄羊城沟内通过，紧邻矿井 工业场地。矿井东距府谷县城5 2 k m ，西距神木县店塔镇1 5 k m ，经店塔镇南到神木县 城3 7 k m ，向北到神府矿区中心区大柳塔镇5 5 k m ，区内各县乡之间均有公路相通，并 与省内“米”字型公路网络相通，向省外辐射，与蒙西、晋北以及宁北地区形成四通八 达的公路网。神朔铁路线上的新城川车站、黄羊城车站分别距离矿井工业场地1 5 k m 和 5 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 k m 。而直达我国东部各省及出海港口的朔 州 一黄 骅 铁路、黄骅港煤码头均己 投入使用，矿井交通运输状况良好。 2 ．2 地质特征 2 ．2 ．1 矿区地层 井田地层由老到新依次有三叠系上统永坪组 T 3 y 、侏罗系下统富县组 J l f 、侏 罗系中统延安组 J l - 2 y 、第三系上新统三趾马组 N 2 及第四系松散层 Q 。 1 、三叠系上统永坪组 T 3 y 其为含煤地层沉积基底，井田内无出露，仅有少数钻孔揭露至该组顶部，岩性为一 套灰绿色巨厚层状细～中粒长石石英砂岩，夹有灰绿色、灰黑色泥岩及砂质泥岩。本组 地层厚度一般厚8 0 ～2 0 0 m 。 2 、侏罗系下统富县组 J l f 井田及外围仅少数钻孔探至该组地层。一般厚度2 0 m 左右，岩性以浅灰、灰白色 中～粗粒长石石英砂岩为主，夹紫杂色、灰～灰绿色粉砂岩及泥岩。与下伏地层假整合 接触。 3 、侏罗系中统延安组 J I - 2 y 为井田含煤地层，假整合于三叠系上统永坪组或连续沉积于侏罗系下统富县组之 上。因遭受后期剥蚀，残存厚度变化较大。一般厚1 5 2 ，4 5 m - - - 2 9 3 ．3 6 m ，平均厚2 3 6 ．0 3 m 。 岩性以浅灰色～灰白色中～细粒长石砂岩、岩屑长石砂岩及钙质砂岩为主。宏观上有如 下特征 1 砂岩主要集中在含煤地层的上、下部，且粗粒或含砾砂岩很少，主要还是细～ 中砂岩 2 细碎屑以粉砂岩占优势，泥岩仅局限于几个层位。 3 煤地层中上部含较多菱铁矿结核或透镜体，中下部含少量泥灰岩透镜体，砂岩 多为泥质胶结，局部钙质胶结。 4 、第三系上新统三趾马组 N 2 三趾马红土普遍分布在该地区，其中阴粱、神树梁等地带最厚，厚度O ～6 9 ．8 0 m ， 平均为3 9 ．9 5 m 。与下伏地层不整合接触。 5 、第四系松散层 Q 6 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 全区分布，不整合于基岩或第三系红土之上，在河谷地段为冲积层，岩性为沙、泥 及河砾石；在粱峁为黄土耕作层，下部为土黄色亚粘土。厚度0 ～5 7 ．7 1 m ，一般3 0 m 。 2 ．2 ．2 矿区地质构造 本矿煤层属于陕北侏罗纪煤田，其位于华北地台鄂尔多斯台地向斜东部一陕北斜坡 上，属单斜构造。井田属新民区向斜构造南翼 即黄羊城向斜 的一部分，总体受其格 架控制，地层走向N E ，倾向N W ，倾角平缓，一般1 ～2 度。无岩浆活动，未发现较 大的断裂和褶曲，构造堪属简单。 2 ．2 ．32 五煤层概括 1 、煤层特征 2 。2 煤层全区分布，为一结构简单的稳定型中厚煤层，在井田南、北边界沟谷地段出 露，并在北部沟谷两侧沿露头自燃。煤厚1 ．2 0 ～2 ．7 0 m ，平均2 ．0 5 m ，井田大部地段煤 厚大于2 ．0 m ，其范围呈半圆形分布于中部及西南部，并向东减薄，至东南角最薄。该 煤层厚度稳定，结构简单，普遍不含夹矸。 2 、煤层顶底板岩性 2 ‘2 煤层伪顶在高路梁及石岩沟一带零星分布，直接顶区约占本区总面积4 5 ％， 岩性一般为泥岩、砂质泥岩、薄层粉砂岩、细粒砂岩等，厚度一般2 ．0 m 。基本顶区占 总面积的5 5 ％，岩性一般为中、细粒砂岩，次为厚度较大层理不甚明显的粉砂岩。在 井田南部区，2 。2 煤上覆基岩厚度较薄。井田2 。2 煤层项板大部分属中等冒落～难冒落的 坚硬顶板，A A 勘探线以南属易冒落的松软项板。经计算2 ～、3 ～、5 一、5 。2 煤层R P 值 分别为1 5 ．0 M p a 、1 6 ．0 5M p a 、2 1 ．6 8M p a 、2 8 ．6 7M p a 。依据标准，2 ～、3 ‘1 煤层底板属 Ⅲ。类较软底板；5 ～、5 之煤层底板属I Ⅱb 类较软底板。 2 ．3 其它开采技术条件 1 、瓦斯 本矿井2 ‘2 煤层埋藏浅，位于侵蚀基准面之上，其上覆的基岩节理裂隙发育，又有 煤层露头，为瓦斯集散、运移提供了必要的条件，瓦斯含量很低，矿井属低瓦斯矿井。 2 、煤尘 7 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 本井田2 。2 煤爆炸指数为3 1 ．6 5 ％，煤尘云最低着火温度5 8 0 。C ，煤尘爆炸下限浓 度1 5 0 9 ／m 3 ，煤尘具有爆炸危险。 3 、煤的自燃 本井田2 ‘2 煤的自燃倾向特性煤样氧化着火点温度3 2 0 。C ，还原着火点温度 3 4 04 C ，煤样着火点温度为3 2 5 。C ，为有自燃发火倾向煤层。 8 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章岩层物理力学参数测定 煤层顶底板物理力学参数是巷道支护设计的基础。煤岩的物理力学性质是指由煤体 或岩石固有的物质组成和结构特征所决定的容重、变形、强度等基本属性。岩石物理力 学性质的准确测定，对于科学制定出巷道围岩支护设计方案有重要意义，重点进行煤岩 的物理力学性质的实验研究。 3 ．1 现场采样及测试方法 3 ．I ．1 采样及测定方法 1 、岩层现场采样 抽样地点在井下采掘面或掘进迎头新揭露的煤岩层；按照实验要求采集的煤岩样， 将其包装好，并贴好标签。试验中的所有试件都采自南梁煤矿2 0 2 0 4 运输巷道掘进工 作面，保证了试件的统一性。主要对2 之煤层及煤层项底板采样，进行物理力学参数测 定。现场采样沿煤、岩层的层面采集，尺寸长宽大于4 0 c m ，厚度大于2 0 c m ，岩样的 位置及岩性见表3 ．1 。 表3 - 1 岩石