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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，可以采用影印、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 万方数据 论文题目柔模流体充填留巷围岩稳定性研究 专 业结构工程 硕 士 生冯 超 签名 超 指导教师王晓利 签名 冯 超 摘 要 柔模流体充填留巷技术是在利用风积砂流体充填采空区的同时，通过设置巷道侧向 支挡结构，保留进入巷道，为下一工作面服务。该技术属于无煤柱开采技术，是我国煤 矿科技方面取得的又一重大创新成果，具有巨大的技术和经济优势，值得推广。研究柔 模流体充填留巷围岩的稳定性对减少巷道掘进量、 进一步提高煤炭采出率具有重要意义。 本文以榆阳煤矿 2307 流体充填留巷工作面为背景，采用理论分析、室内试验、数值模拟 等综合研究手段，主要结论如下 （1） 在分析柔模流体充填采煤及充填留巷工艺的基础上， 对充填材料力学特性的影 响因素进行试验研究， 得到风积砂含量对充填体 7d 强度影响显著， 粉煤灰细度对充填体 28d 强度影响显著，同时柔模作用下能够提高充填体强度及弹性模量。 （2） 根据流体充填留巷覆岩仅弯曲下沉而无破断的规律， 建立了流体充填留巷力学 模型，分别求出顶板下沉量、煤帮竖向应力峰值的解析方程式，并得到了不同因素条件 下顶板下沉量的影响曲线，同时分析了巷旁充填体的稳定性，确定出了充填体地基系数 km、强度及欠接顶量 U 为充填留巷稳定性的控制因素。 （3） 通过对柔模流体充填留巷进行的三维数值模拟结果进行分析， 得到了不同充填 体强度和不同充填率条件下充填留巷围岩应力分布、塑性区分布及变形量变化的特征， 分析得到充填体强度越小，充填留巷顶底板移近量越大，确定充填体强度应大于等于 4MPa；充填率越小，留巷围岩变形量越小，并确定充填率应大于等于 95。 （4）结合榆阳煤矿 2307 流体充填留巷现场试验，充填体 28d 强度为 4MPa，弹性 模量为 1.26GPa，充实率达到 95以上，巷内采用锚网索支护，通过对现场监测数据进 行整理和分析可知，柔模流体充填留巷围岩结构稳定，满足要求。 关 键 词流体充填留巷；柔模；力学模型；稳定性分析；工程应用 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Research on Surrounding Rock Stability of Gob-side Entry Retaining at Flexible work Fluid Backfilling Mining Specialty Construction Engineering Name Feng Chao Signature Feng Chao Instructor Wang Xiaoli Signature Feng Chao ABSTRACT Technology of gob-side entry retaining at flexible work fluid backfilling minning is used by aeolian sand fluid to fill mined-out area at the same time, by setting the roadway of lateral retaining structure, reserve into the roadway, service for the next working face. It is the part of mining technology without pillar and a major innovation achievements on Chinese coal mining technology, has great technical and economic advantages and worth to promot. Surrounding rock stability research of Gob-side Entry Retaining at flexible work fluid backfilling mining is great significance for improving the coal recovery rate and reducing drivage rate of roadway and also inevitable choice for backfilling mining. Taking gob-side entry retaining of fluid backfilling at 2307 in Yuyang coal mine as the background,it based on the theoretical analysis, laboratory test, numerical simulation and other comprehensive research s and the main conclusions are as follows 1 Based on the analysis of flexible work fluid backfilling mining and procession of gob-side entry retaining, experimental research on the impact of backfilling material components and flexible work to physical properties of backfill， the conclusion is that the ratio of fly ash and cement has the greatest effect in strength and elastic modulus of backfill ，and mass fraction of fine grained coal gangue has a greater influence on elastic modulus of backfill ，at the same time accessories content has a greater influence on the material content on the strength of backfill. 2Based on the rules of the overlying rock movement of the gob-side entry retaining of fluid backfilling with thick coal seam is that overburden to entity coal for anchoring,the overlying rock bend sinking slowly, without breaking. The mechanical model of gob-side entry retaining of fluid backfilling is set up and then the analytical solutions of roof subsidence and filling pressure and the subsidence curve of different factors on the roof are obtained respectively. it also obtained the support resistance of bolt under bolting support coal side. At 万方数据 the same time it studies the reasonable width and the effect mechanism of the gateside pack, and determined stability of the control factors to the elastic modulus of filling E0, intensity and the amount owed to meet top U . 3By 3D numerical modeling of gob-side entry retaining of fluid backfilling and it got stress distribution law of stope and changes of surrounding rock stress and plastic zone with the increase of backfill length. Meanwhile it obtained curve of roadway deation that impacted by strength of backfill and the rate of supporting pit roof. 4Combined with 2307 backfill working face at YuYang coal， backfill strength is determined to 4MPa and its Modulus of elasticity is 1.26GPa for the 28d and the rate of supporting pit roof is more than 95， meanwhile， cable anchor supported in mine gateway， so that the stability structure of surrounding rock is well and meet the requirements though on-site monitoring data collation and analysis. Key words the Gob-side Entry Retaining of Backfill Mining Fluid Flexible work Stability Analysis Mechanical Model Application Research Thesis Application Fundamental Study 万方数据 目录 I 目 录 1 绪 论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 ......................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................... 2 1.2.1 充填开采技术研究现状 ................................................................................... 2 1.2.2 沿空留巷技术研究现状 .................................................................................. 4 1.2.3 全充填沿空留巷技术研究现状 ...................................................................... 5 1.2.4 存在的问题 ...................................................................................................... 6 1.3 主要研究内容 .............................................................................................................. 6 1.4 研究方法和技术路线 ................................................................................................. 7 1.4.1 研究方法 .......................................................................................................... 7 1.4.2 技术路线 .......................................................................................................... 7 2 柔模流体充填开采及留巷技术 ............................................................................................ 9 2.1 柔模流体充填采煤技术 ............................................................................................. 9 2.1.1 柔模流体充填工艺系统 .................................................................................. 9 2.1.2 流体充填料浆封堵技术 ................................................................................ 10 2.1.3 流体充填施工工艺 ........................................................................................ 11 2.2 柔模流体充填材料 ................................................................................................... 12 2.2.1 充填材料组分 ................................................................................................ 12 2.2.2 风积砂胶结充填体变形特性 ........................................................................ 13 2.2.3 柔模作用下的强度试验 ................................................................................ 14 2.2.4 材料因素条件下的充填体强度试验 ............................................................ 16 2.3 柔模流体充填留巷技术 ........................................................................................... 18 2.3.1 柔模流体充填留巷技术难点 ........................................................................ 18 2.3.2 柔模流体充填留巷侧限设置 ........................................................................ 19 2.4 本章小结 ................................................................................................................... 20 3 柔模流体充填留巷围岩稳定性研究 .................................................................................. 22 3.1 柔模流体充填留巷力学模型 ................................................................................... 22 3.1.1 充填留巷围岩运动规律 ................................................................................. 22 3.1.2 柔模流体充填留巷弹性地基梁模型 ............................................................. 23 3.1.3 顶板下沉量影响因素分析 ............................................................................. 25 万方数据 目录 II 3.2 流体充填留巷煤帮稳定性分析 ............................................................................... 28 3.2.1 充填留巷煤帮受力特征 ................................................................................ 28 3.2.2 流体充填留巷煤帮稳定性影响因素 ............................................................ 29 3.3 充填留巷巷旁充填体稳定性分析 ........................................................................... 31 3.3.1 巷旁充填体宽度确定 .................................................................................... 31 3.3.2 巷旁充填体作用机理 .................................................................................... 32 3.3.3 巷旁充填体稳定性分析 ................................................................................ 33 3.4 本章小结 ................................................................................................................... 35 4 柔模流体充填留巷围岩稳定性模拟研究 .......................................................................... 36 4.1 数值分析模型的建立 ............................................................................................... 36 4.1.1 计算模型 ........................................................................................................ 36 4.1.2 模拟方案 ........................................................................................................ 38 4.2 充填体强度对充填留巷的稳定性影响 ................................................................... 39 4.2.1 不同强度条件下留巷围岩应力分布特征 ..................................................... 39 4.2.2 不同强度条件下留巷围岩塑性区特征 ......................................................... 41 4.2.3 不同强度条件下留巷围岩变形特征 ............................................................. 42 4.3 充填率对充填留巷稳定性分析 ................................................................................ 43 4.3.1 不同充填率条件下留巷围岩应力分布特征 ................................................. 43 4.3.2 不同充填率条件下留巷围岩塑性区特征 ..................................................... 44 4.3.3 不同充填率条件下留巷围岩变形特征 ......................................................... 46 4.4 本章小结 ................................................................................................................... 47 5 柔模流体充填留巷工程应用 .............................................................................................. 48 5.1 柔模流体充填留巷现场应用情况 ........................................................................... 48 5.1.1 试验工作面概况 ............................................................................................ 48 5.1.2 柔模流体充填材料配比 ................................................................................. 48 5.1.3 留巷侧限设置 ................................................................................................. 49 5.1.4 巷内支护 ........................................................................................................ 50 5.1.5 提高充填率的办法 ........................................................................................ 50 5.2 巷旁充填体力学特性取样分析 ............................................................................... 51 5.2.1 不同高度的充填体强度 ................................................................................ 51 5.2.2 巷旁充填体强度增长规律 ............................................................................. 52 5.2.3 巷旁充填体力学参数 .................................................................................... 53 5.3 工作面矿压显现规律 ............................................................................................... 54 5.3.1 充填留巷变形监测数据分析 ........................................................................ 54 万方数据 目录 III 5.3.2 巷旁充填体载荷监测数据分析 .................................................................... 55 5.3.3 锚索拉力监测数据及分析 ............................................................................ 56 5.4 本章小结 ................................................................................................................... 56 6 结论及展望 .......................................................................................................................... 57 6.1 结论 ........................................................................................................................... 57 6.2 展望 ........................................................................................................................... 58 致 谢 .................................................................................................................................. 59 参考文献 .................................................................................................................................. 60 附 录 .................................................................................................................................. 63 万方数据 目录 IV 万方数据 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 研究背景及意义 煤炭是我国的主要能源，在我国能源消费结构中，煤炭约占 70左右，而且在未来 的一段时间，煤炭的主体地位不会改变[1]。因此，煤炭工业能否健康发展是事关我国能 源安全和经济可持续发展的重大问题，也是我国国民经济及社会健康发展的基础[2]。 目前，随着国民经济的发展，对能源的需求与日俱增，许多开采条件良好的矿区， 煤炭资源正面临枯竭的危机，资源枯竭和经济发展之间的矛盾亦日益突出。据统计， ，约占整个压煤亿，其中建筑物下压煤亿”压煤的目前我国煤炭的“三下t6 .87t9 .137 量的 61[3]。随着城镇化的快速推进和农业工业的快速发展要求，这一数字仍将继续增 加，有很多产煤矿区“三下”压煤占到矿区煤炭储存量的60以上，严重制约着矿区的 发展。一方面，煤炭资源不节制地开采和利用，也给人类赖以生存的环境造成了严重的 威胁[4]。另一方面，开采深度逐年增加，煤层开采的厚度也由原来的薄煤层向厚煤层、 特厚煤层转变，传统煤柱护巷的生产方式为保障生产安全，使护巷煤柱越留越宽，造成 大量煤炭资源因留煤柱而遗失于井下；同时采空区漏风严重，引起采空区遗煤自燃，工 作面瓦斯涌出量大幅增加，瓦斯积聚和超限现象频繁出现，这些都是当前亟需解决的问 题[5]。 为了解决上述问题，以风积砂流体充填采煤技术为代表的充填开采方法一经在煤矿 推出， 就受到了专家学者的好评。 柔模风积砂流体充填开采技术是料浆质量浓度为65～ 85，胶结料水泥及粉煤灰等为细集料与水充分搅拌作为分散介质，粒径在 0.1mm～ 2.5mm 的风积砂等作为分散相，根据充填倍线采用管道自流方式将充填料浆输送至采空 区的柔模封闭系统中，经过柔模脱水胶结硬化之后，在采空区形成凝结充填体支撑上覆 岩层，控制地表沉陷在建筑物允许范围内，实现地表村庄、城镇不搬迁，安全完全地开 采“三下”煤炭，维护地区生态平衡。在技术层面，它很好地解决了传统的膏体充填开 采技术强度增长慢的问题， 又比破碎矸石直接充填技术接顶减沉效果好， 值得推广使用。 与此同时，在工作面进行柔模流体充填采煤的同时，通过设置侧向支挡结构，将原 有的一条回采巷道保留下来，为下一工作面服务，实现充填采煤的无煤柱开采，我们称 之为柔模流体充填留巷技术。该技术不仅能够将“三下”压煤解放出来，而且能够兼顾 无煤柱开采的诸多优势，例如无煤柱沿空留巷能够改变传统的留煤柱生产方式，显著 提高了采出率、同时将原巷道保留下来少掘一条巷道、缓解了采掘接替之间的矛盾；沿 空留巷无煤柱技术改变了工作面通风系统，解决了工作面上隅角瓦斯积聚问题，大大提 高了生产的安全性[6]。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 总之，流体充填留巷技术具有诸多优势且成为充填开采必然选择，充填开采和留巷 技术相互结合，发挥各自优势。该技术是煤矿科技发展的一大创新，属于无煤柱开采技 术，且具有强大的技术和经济优势，值得在使用充填开采技术的矿区推广。但是就近些 年发展情况来看，该技术仍然处于起步阶段，学者对其研究也少之又少，因此本文有必 要对流体充填留巷围岩稳定性研究，将对减少巷道掘进量，提高煤炭采出率具有重要意 义。 1.2 国内外研究现状 流体充填留巷技术是采煤工作面采用风积砂、粉煤灰、水泥及辅料加水拌制而成的 流体料浆及时充填、凝固，并且保留原进入巷道，为下一个工作面服务。由于充填开采 技术受到成本和材料的局限，目前矿区采用该技术较少，同时采用全充填沿空留巷技术 的矿区更是少之又少，所以本文对该技术的研究现状先对充填开采技术和传统沿空留巷 的技术的研究现状进行介绍，为流体充填留巷技术的研究寻找设计理论及研究方法，然 后对现有的充填留巷技术的相关文献资料进行总结，剖析。 1.2.1 充填开采技术研究现状 近 60 年， 矿山充填方面的研究兴起于国外主要的产煤国家并取得了较大的进展。 国 内的发展状况较国外滞后约为 1020 年，但由于后来国内采矿工程发展的需要，引进和 吸收了国外的先进经验，加上国内学者的自主创新，国内充填开采技术正逐步缩小与国 外的差距。国内外在矿山充填技术的展发展主要经历了四个发阶段[7-8]。 第一阶段国外在年代世纪4020以前，以处理固体废弃物为目的而将矿区产出的固 体废料运送到采空区，但是对于充填材料性质及充填后的作用效果不作了解。而国内采 用以处理废弃物为目的的废石干式充填采矿法出现在 20 世纪 50 年代以前