无巷旁充填沿空留巷技术研究.pdf

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 论文题目无巷旁充填沿空留巷技术研究 专 业桥梁与隧道工程 硕 士 生李增伟 （签名） 指导老师惠兴田 （签名） 摘 要 与构筑巷旁充填体相比， 无巷旁充填沿空留巷可以有效地降低留巷的材料消耗和留 巷成本，是沿空留巷发展的一个方向。本文根据艾维尔沟实际工程，运用理论分析与数 值模的方法，对无巷旁充填沿空留巷支护技术进行研究分析。 通过对无巷旁充填沿空留巷围岩顶板破断及垮落的形式的分析， 得到无巷旁充填沿 空留巷围岩体变形特征及围岩应力分布一般规律， 分析了无巷旁充填沿空留巷巷旁支护 结构的合理性。同时对无巷旁充填沿空留巷技术的适用性进行了分析研究，认为无巷旁 充填需要在巷内支护和巷旁切顶两方面协调配合才能成功， 并且适用于顶板条件较完整 的浅薄及中厚的缓倾斜煤层。巷内支护方面应用自稳隐形拱理论进行分析，提出了巷内 锚杆索支护设计的原则。巷外切顶方面进行了力学模拟分析，建立了考虑巷旁锚索支护 作用的巷旁支护力学模型，依据弹塑性理论，应用顶板载荷的条带分割法，推导出了巷 旁支护阻力的计算公式。 现场工业研究以艾维尔沟 17322 工作面运输顺槽无巷旁充填沿空留巷工程为背景， 运用上述理论分析及相关公式对工作面巷内与巷旁支护参数进行设计计算，并用 MIDAS/GTS 数值模拟软件对两种留巷方式进行了对比分析。 针对 17322 工作面具体情况， 对无巷旁充填沿空留巷工艺进行分析， 研究出适合该矿区生产的无巷旁充填沿空留巷理 论技术，对煤矿的开采生产的进行指导。 关键词无巷旁充填；沿空留巷；巷内支护；巷旁支护；数值模拟 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Research on Technology of Gob-side Entry Retaining without Roadway Side Packing Specialty Bridge and Tunnel Engineering Name Li Zengwei （（Signature）） Instructor Hui Xingtian （（Signature）） ABSTRACT Compared with roadside packing， gob-side entry retaining without roadway side packing can effectively reduce the material consumption and cost, simplify entry process and reduce the labor intensity of workers. It’s is a development direction of gob-side entry retaining. Obtained the deation characteristics and stress distribution of surrounding rock in gob-side entry retaining without roadway side packing by studying the structure characteristics of surrounding rock and the of roof breaking and caving. Through the study on the application status of gob-side entry retaining without roadway side packing, explore the applicability of gob-side entry retaining without roadway side packing to different geologic conditions. Analyzed the effect of roadside support and entry-in support on gob-side entry retaining without roadway side packing, established suitable mechanics model for gob-side entry retaining without roadway side packing, Derive calculation ula of entry-in bolting support parameters and roadside support resistance with the mechanical theory. In this paper, taking engineering of gob-side entry retaining without roadway side packing in Ai Wei Err Gou 17322 working face Transport gateway as background. On the basis of theoretical analysis，calculated the supporting parameters of entry-in and roadside， and analyzed it by MIDAS/GTS numerical simulation software, put forward reasonable roadway support parameters. According to the specific conditions of 17322 working face, analyzed the technology of gob-side entry retaining without roadway side packing, research on the whole theory of gob-side entry retaining without roadway side packing to guide the coal mining production. KeyKey wordwords s Non-roadside; gob-side entry retaining; entry-in support; roadside support; Numerical simulation ThesisThesis Applied research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 论文的研究背景及意义 .................................................................................................. 1 1.1.1 研究的背景 ............................................................................................................... 1 1.1.2 研究的价值和意义 ................................................................................................... 1 1.2 国内外的研究动态及发展趋势 ...................................................................................... 2 1.2.1 无巷旁充填沿空留巷支护现状 ............................................................................... 2 1.2.2 无巷旁充填沿空留巷理论研究现状 ....................................................................... 4 1.3 本课题采取的研究方案、技术路线 .............................................................................. 6 1.3.1 研究内容 ................................................................................................................... 6 1.3.2 研究技术路线 ........................................................................................................... 6 2 无巷旁充填沿空留巷围岩结构特征及矿压规律分析 ........................................................ 7 2.1 无巷旁充填沿空留巷围岩结构特征 .............................................................................. 7 2.1.1 顶板结构特征 ........................................................................................................... 7 2.1.2 顶板破断基本规律 ................................................................................................... 9 2.1.3 围岩结构活动基本规律 ......................................................................................... 10 2.2 采场周围矿压显现规律 ................................................................................................ 11 2.3 本章小结 ........................................................................................................................ 13 3 无巷旁充填沿空留巷支护特性研究 .................................................................................. 14 3.1 无巷旁充填沿空留的适用条件 .................................................................................... 14 3.1.1 地质条件因素 ......................................................................................................... 14 3.1.2 技术理论因素 ......................................................................................................... 16 3.2 巷内支护分析及计算 .................................................................................................... 17 3.2.1 锚杆（索）的作用机理 ......................................................................................... 17 3.2.2 自稳隐形拱理论 ..................................................................................................... 17 3.3 巷旁支护荷载分析及计算 ............................................................................................ 20 3.3.1 力学模型建立 ......................................................................................................... 20 3.3.2 巷旁支护荷载计算 ................................................................................................. 21 3.4 本章小结 ........................................................................................................................ 24 4 数值模拟分析 ...................................................................................................................... 25 4.1 数值模拟软件选择 ........................................................................................................ 25 4.2 数值模拟分析 ................................................................................................................ 26 4.2.1 模型建立 ................................................................................................................. 26 4.2.2 隔离墙效果模拟分析 ............................................................................................. 27 万方数据 目录 II 4.3 本章小结 ........................................................................................................................ 32 5 无巷旁充填沿空留巷在艾维尔沟煤矿中的应用 .............................................................. 33 5.1 工作面基本状况 ............................................................................................................ 33 5.1.1 工作面位置 ............................................................................................................. 33 5.1.2 工作面顶底板及煤层情况 ..................................................................................... 34 5.1.3 地质、水文及瓦斯状况 ......................................................................................... 34 5.2 巷道断面特征 ................................................................................................................ 35 5.3 巷道支护设计参数 ........................................................................................................ 35 5.3.1 主体方案综述 ......................................................................................................... 35 5.3.2 原巷道支护形式 ..................................................................................................... 36 5.3.3 巷内加强支护设计 ................................................................................................. 36 5.3.4 巷旁支护设计 ......................................................................................................... 39 5.3.5 巷外切顶设计 ......................................................................................................... 40 5.3.6 下工作面切眼加强支护 ......................................................................................... 40 5.3.7 超前滞后支护 ......................................................................................................... 41 5.3.8 整修成巷 ................................................................................................................. 41 5.4 项目总体实施流程 ........................................................................................................ 41 5.5 艾维尔沟 17322 工作面无巷旁充填沿空留巷监测 .................................................... 42 5.5.1 监测目标及内容 ..................................................................................................... 42 5.5.2 巷道表面收敛监测 ................................................................................................. 43 5.5.3 围岩深部位移监测 ................................................................................................. 45 5.5.4 结构荷载监测 ......................................................................................................... 45 5.6 无巷旁充填沿空留巷效益分析 .................................................................................... 47 5.6.1 巷道施工费用 ......................................................................................................... 47 5.6.1 回收煤柱效益 ......................................................................................................... 47 6 结论与展望 .......................................................................................................................... 49 6.1 结论 ................................................................................................................................ 49 6.2 展望 ................................................................................................................................ 49 致谢 .......................................................................................................................................... 50 参考文献 .................................................................................................................................. 51 附 录 ...................................................................................................................................... 55 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文的研究背景及意义 1.1.1 研究的背景 能源是社会工业建设的基础，煤炭是现代能源结构中的重要组成部分，中国的煤炭 生产与消费量居于世界各能源消费大国的前列。 目前在我国的能源消费结构中煤炭大约 占 60左右，根据有关方面分析，预计到 2050 年这个比例依然不低于 40 [1]。所以， 在未来的一段时间内，煤炭仍将在我国的能源消费结构中占据主导地位。因此煤炭资源 的高效开发及利用，将成为制约我国经济高速发展的重要因素[2]。 煤炭的自然与经济价值十分可观，但是煤炭资源属于不可再生资源。现有的煤炭资 源是经过上亿年的地质作用形成的， 这个过程是不可复制的。 因此在煤炭资源的采掘中， 我们应该更加珍惜，减小煤炭资源的浪费。在传统的留煤住开采中，煤炭开采需要留设 一部分煤柱以维持巷道的稳定性，造成了煤炭资源的极大浪费。沿空留巷技术是煤炭开 采方法的重大突破，由于回收了煤柱，因此具有十分可观的经济效益和社会效益。 目前国内的沿空留巷工程中，一般使用巷旁充填支护技术进行巷道维护，充填材料 多使用混凝土材料、膏体材料以及高水充填材料等。采用巷旁充填支护具有改善工作面 端头支护条件、充填护巷矿压显现强度低、护巷效果好、巷道支架变形量小、变形均匀、 巷旁与巷内支护体系统一、改善巷道维护、防止发生火灾及瓦斯灾害、满足留巷要求等 优点，有效的避免煤炭资源的浪费。但是采用巷旁充填材料护巷，需要建立复杂的矿井 充填系统，在充填过程中容易出现堵管等一系列问题，施工工艺比较繁琐。同时由于需 要建立充填系统以及使用成本较高的充填材料，也加大了煤矿开采的施工成本。 现有巷旁充填沿空留巷技术施工繁琐，且成本较高，而无巷旁充填沿空留巷技术恰 好能解决这些问题。因此无巷旁充填沿空留巷技术成为国内沿空留巷研究的一个方向。 无巷旁充填沿空留巷在国内外已有试用成功的先例，已被证明该技术确实可行。但无巷 旁充填沿空留巷技术缺少相关理论研究，这阻碍了该项技术的推广和发展。 1.1.2 研究的价值和意义 无巷旁充填沿空留巷技术是由巷内支护和巷旁支护两者共同作用而组成的。 无巷旁 充填沿空留巷技术通过合理的巷内支护结构来减轻巷旁支护体的压力， 现阶段巷内支护 大多采用锚杆网联合支护。巷旁支护也是无巷旁充填沿空留巷技术中的一大难点。通过 对无巷旁充填沿空留巷巷内与巷旁支护相互作用以及顶板运动规律的深入研究可以解 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 决无巷旁充填沿空留巷的一系列问题，从而建立完整的无巷旁充填沿空留巷理论，实现 对井下煤矿开采的指导。 国内现有的沿空留巷巷旁支护研究与实践大多是以混凝土、 高水充填材料等为骨料 的巷旁充填体最为巷旁支护的主体，而针对无巷旁充填体的巷旁支护问题的研究，在国 内外煤矿开采中极少有人触及。无巷旁充填沿空留巷支护技术相比构建巷旁充填体，它 具有节省材料、降低劳动强度、改善施工环境、减少巷道掘进率、节约施工成本、实现 煤矿井下快速施工等优势，可大大提高煤矿运营的经济效益。因此针对无巷旁充填沿空 留巷的研究具有重要的实用价值和显著的经济和社会安全效益， 是对沿空留巷技术的发 展和改革，对煤炭开采技术的发展具有重要的意义。无巷旁充填沿空留巷技术的研究成 果，可以在实际当中指导煤炭的生产和开采，创造更高的企业效益，提高煤炭煤炭企业 的核心竞争力。同时减少了资源的浪费，实现了煤炭开采的可持续发展，因此针对无巷 旁充填沿空留巷技术进行研究，具有很强的现实意义和社会经济效益。 1.2 国内外的研究动态及发展趋势 近年来沿空留巷技术在煤矿的生产开采中得到越来越多的应用， 已成为衡量各国煤 炭技术发展的重要指标。 但是作为早期的沿空留巷技术无巷旁充填沿空留巷的发展 却举步维艰，受到充填材料护巷的强烈冲击。目前无巷旁充填沿空留巷巷旁支护的稳定 性原理及其控制技术还不成熟，还需要对其的普遍适用性做出进一步的探索和研究。 1.2.1 无巷旁充填沿空留巷支护现状 早期的无巷旁充填沿空留巷巷内支护大多采用棚式支护，采用木支柱、工字钢、U 型钢等进行巷内支护，但这些支护方式都为被动支护，实践表明即使增大型钢质量、减 小棚间距仍难以保证所要保留巷道的稳定[3]。随着近年来巷道断面、煤层厚度、采深的 不断增大棚式支护越来越难以满足无巷旁充填沿空留巷巷内支护的需要， 以锚杆支护为 基础的锚网（索）联合支护逐渐成为巷内支护的主要方式。 无巷旁充填沿空留巷的一大关键是采空区一侧巷旁支护结构的支护性能， 巷旁支护 体必须具备较快的增阻速度，能够提供足够的支护阻力以保证及时切断巷外直接顶，同 时具有一定的可缩性以适应无巷旁充填沿空留巷围岩结构的沉降变形。 沿空留巷技术在在国外的应用较早，针对该技术的研究比国内要早得多。但国外沿 空留巷大多采用巷旁充填体支护，而无巷旁充填沿空留巷则比较少见，比较典型的有 英国煤矿在煤矿开采中长期使用前进式开采，历史较长 ［4］。由于前进式开采工艺 中沿空留巷是必须的技术，因此沿空留巷技术在英国得到快速发展。英国沿空留巷早期 大多使用矸石带巷旁支护，并将机械化设备带入巷旁矸石带构筑中，但人工巷旁矸石带 耗材量较高同时也达不到理想的留巷效果。二十世纪 70 年代末期，英国对巷旁充填技 万方数据 1 绪论 3 术进行了大力的研究，在沿空留巷工程中，使用粉煤灰水泥浆液以及水泥膨润土浆液， 在巷旁构筑充填体，以达到维护巷道的效果，但在实践工程中发现此种充填体抗压强度 较低， 留巷效果不理想。 19 世纪七十年代末年高水充填材料在英国井下沿空留巷工程得 到成功应用，随即得到大力的推广使用，目前在英国有 90的沿空留巷工程使用高水充 填材料[5-7]。 德国是世界采煤业技术最发达的国家之一。德国沿空留巷一般使用巷旁充填材料， 利用水泥、石膏、矸石等构筑巷旁支护结构，有效的控制了巷道的变形，巷道不需修理 即可实现二次利用，取得了良好的经济效益，实现了在 14-18m2断面留巷的成功，目前 该技术已成功应用于德国 50以上的采区。 近年来德国把沿空留巷技术成功应用于大埋 深煤层800-1000m的开采， 并通过实测数据分析， 得出了预计留巷移近量的经验公式[8]。 前苏联于二十世纪 60 年代起开始将沿空留巷应用于本国的煤矿开采[910]，在研究 适合沿空留巷支护的巷旁支护材料上做了大量的工作， 将以矸石以及粉煤灰为骨料的混 凝土砌块作为巷旁支护体，留巷效果较好，成功实现沿空留巷在本国的推广应用。据统 计，到 1993 为止，俄罗斯无煤柱开采产量占 80，其中使用沿空留巷的占 65。 波兰在在煤矿开采中大量使用沿空留巷技术，在巷旁支护上使用了多种支护方式 [11]，例如水沙充填支护、矸石带支护、密集支柱支护以及混凝土隔离墙支护等，取得 了良好的效果。 目前，国内采用无巷旁充填沿空留巷时，巷内支护比较成熟的是采用锚杆网联合支 护。巷旁支护主要方式有木垛巷旁支护、密集支柱巷旁支护、研石带巷旁支护 [12-16]。 木垛在我国早期无巷旁充填沿空留巷工程中使用较为普遍，现在已较少使用。木垛 支撑面积大、稳定性较好，但是随着煤层厚度的增大，木垛作为巷旁支护对木材的消耗 急剧增加，同时由于木垛的可缩量大，不能达到及时切顶卸压的效果，使巷道的稳定性 大大降低，不适用于厚煤层的支护。 密集支柱可分为木材密集支柱与金属密集支柱。金属密集支柱初撑力较小，可缩量 大增阻较慢，对巷道顶板变形的控制较差。木材密集支柱克服了金属支柱的缺点，但稳 定性较差，易受矸石冲击而倾倒，在采高较大时架设不易，适宜于薄及中厚煤层中中等 稳定的脆性顶板的无巷旁充填沿空留巷工程。 矸石带巷旁支护在我国开采 1.5m 以下的煤层时使用较多。矸石带护巷可以有效地 节约材料，做到就地取材。但是矸石带孔隙较大，属于晚支撑和大可缩量支护体，不能 有效阻止早期顶板下沉，主要应用于薄煤层的留巷维护。 目前国内采用无巷旁充填沿空留巷成功支护的经验有 开滦唐家庄矿于 20 世纪 80 年代初，在煤厚 5-8m 的综采分层开采工作面中采用无 巷旁充填沿空留巷，巷道支架用 25U 型钢，巷旁支护应用木垛及密集支柱，取得成效。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 横河煤矿 123lE 工作面[17]在工作面推进时， 选用 Dz-25 单体液压支柱作为无巷旁充 填沿空留巷巷旁支护，达到了预想的目的，取得了成功。 焦作市方庄矿在厚煤层分层开采中运用无巷旁支护沿空留巷， 巷内采用刚性梯形棚 支护，巷旁不进行支护，降低留巷的材料消耗和留巷成本，简化留巷工艺和减轻工人劳 动强度。而且由于无巷旁支护物存在，对下分层开采也较有利。 淄博矿务局在薄煤层中，将矸石带应用于无巷旁充填沿空留巷巷旁支护，实现无煤 柱开采的回采，减少生产成本，提高煤炭回收率。 章村矿 4224 采区留巷采用施工锚杆并悬挂双层金属网，配合十字铰接顶梁及单体 支柱、工字钢的支护方式，实现了无巷旁充填沿空留巷技术薄煤层的成功应用。 左权天一煤业公司 3102 工作面采用带-网-栓式矸石袋巷旁支护技术方案。 该技术选 用钢带、锚网、锚栓等作为矸石袋的侧向支护材料，以增