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硕士学位论文 沿空动压巷道围岩稳定性分析及非均匀支 护技术研究 Study on Surrounding Rock Stability and Non-uni Support Technology of Gob-side Roadway Influenced by Dynamic Pressure 作 者丁国峰 导 师谢文兵 教授 中国矿业大学 二○一四年五月 万方数据 中图分类号 TD353 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 沿空动压巷道围岩稳定性分析及非均匀支 护技术研究 Study on Surrounding Rock Stability and Non-uni Support Technology of Gob-side Roadway Influenced by Dynamic Pressure 作 者 丁国峰 导 师 谢文兵 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 矿山压力及其控制 答辩委员会主席 马立强 教授 评 阅 人 张益东、邹军 二○一四年五月 万方数据 94 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 Declaration of Thesis Originality 本人郑重声明所呈交的学位论文沿空动压巷道围岩稳定性分析及非均匀 支护技术研究 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研 究工作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学 位论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版 和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为 教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案 馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规， 同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 万方数据 论文审阅认定书 论文审阅认定书 研究生 丁国峰 在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案的 要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学 位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论 文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文送 专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢 致谢 本论文是在谢文兵教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、研究方案的确 定到论文的写作，都得到了恩师全方位的指导和培养，凝聚着导师的极大心血。 没有他的指导、鼓励及资金上的大力支持，论文是不可能得以顺利完成的。师从 三载，收获颇丰，感触亦深。导师优秀的做人品质，严谨的治学态度，开拓创新 的精神，高屋建瓴把握全局的能力，忘我的工作精神给学生树立起潜移默化的典 范作用，这也是导师传授给学生最宝贵的财富。在此，谨向我的导师致以深深的 敬意和感谢 在论文的写作过程中，荆升国老师、娄培杰博士、王其洲博士和臧龙、时吉 贺、钟耀华、曹明硕士提供了许多宝贵的建议和帮助，在此向他们表示衷心的感 谢；同时还要感谢范洪飞、陈杰、李亚运、申金帅、安宇、刘家启、李鉴、郑建 彬、谢涛峰、赵金帅、宋浬永、朱琪、张剑、陈振亚等师弟对我的支持和帮助， 使我能够在困境中保持乐观，逐步完成论文。 感谢作者在研究生期间参与导师科研项目的韩城、铜川、郑州等矿区领导和 工程技术人员的大力支持和帮助， 特别是韩城矿业公司屈永安总工、 刘效贤副总、 谢建厚高工，下峪口煤矿胡俊峰总工、吕玉柱副总、李宇龙科长等工程技术人员 给予我在现场研究中提供大量帮助和宝贵建议。 感谢矿业工程学院各位老师三年来对作者无微不至的关怀和指导以及采矿 工程硕 2011 级全体同学的巨大帮助；感谢张军伟、王朋朋、王浩、魏红磊、李 矿飞、刘龙飞、贾文其等好友陪我度过了研究生三年的美好时光。 感谢含辛茹苦把我培养成人的父母，他们给了我无私的爱，他们为我求学所 作出的巨大牺牲，至今我仍无以为报，惟有今后努力工作，以尽孝道，让二老生 活幸福美满。感谢女朋友王晶晶女士多年来的支持，让我们一起携手共创美好未 来， 迎接未来的幸福生活吧 祝福他们 同时， 祝福所有那些给予我关爱的家人、 朋友，祝他们永远健康、幸福 最后，衷心感谢各位专家、教授百忙之中评审论文，期望得到更多的指导。 此致 丁国峰 2014.5 万方数据 I 摘 要 摘 要 随着煤炭资源开采强度的不断加大，我国煤矿开采地质环境更加复杂，许多 矿区都出现了高应力软岩巷道支护难题， 特别是治理难度极大的沿空动压巷道支 护难题。 因此分析沿空动压巷道的围岩稳定性和合理支护技术具有非常重要的现 实意义。 本文针对下峪口煤矿 11煤采区 1110 工作面瓦斯尾巷的地质采矿条件，采 用现场调查、理论分析和数值模拟相结合的方法，对动压影响下沿空巷道围岩稳 定性影响因素和非均匀支护技术等几个方面展开课题研究。 首先，在深入分析巷道围岩稳定性影响因素和变形破坏形式的基础上，结合 现场调查结果和地质采矿条件，得到了 1110 工作面瓦斯尾巷的主要影响因素， 即邻近 1108 工作面回采时的采动影响、邻近巷道的掘进扰动和本区段工作面回 采时超前支承压力的影响等。 其次， 对沿空动压巷道围岩稳定影响因素进行数值模拟分析， 分析结果表明 由于回采巷道围岩复合结构中各部位的岩体强度、 应力状态及变形破坏等特性方 面的差异显著，在上述分析主要因素的影响下，沿空动压巷道围岩变形呈现出明 显的非均匀性和非对称性， 巷道围岩弱结构体和支护承载结构的薄弱处剪胀变形 强烈，巷道底鼓严重，巷道围岩支护承载结构产生结构性失稳破坏。 最后，根据沿空动压巷道围岩变形特征和支护承载体破坏特征，提出了沿空 动压巷道非均匀支护技术。研究结果表明加固巷道顶板和两帮可有效控制动压 巷道底板变形；对巷道围岩弱结构体和支护承载体的结构薄弱处进行加强支护， 可大大提高巷道围岩复合结构中的弱结构体和支护承载结构薄弱处的稳定性； 同 时根据沿空巷道的围岩变形特征，采取非对称支护方式，主要是加强巷道采空区 侧的支护强度，从而提高围岩支护承载结构的整体稳定性。 在上述分析的基础上，进行沿空动压巷道非均匀支护技术现场工业性实践， 巷道围岩变形和支护体承载状况监测结果表明， 巷道围岩的不均匀变形和非对称 变形程度大大降低，巷道底鼓得到了有效控制，支护承载结构受载得到了优化。 本论文的研究成果为沿空动压巷道围岩控制提供了重要的技术支持， 同时为 控制巷道底鼓提供了一定借鉴，不仅对试验巷道，而且对其他类似条件下的巷道 支护也具有重要指导意义。 论文有图 63 幅，表 1 个，参考文献 89 篇。 关键词关键词沿空巷道；动压影响；数值模拟；巷道底鼓；非均匀支护 万方数据 II Abstract As the coal mining strength increasing, mining geological environment is getting more complex in coal mine in China. There were supporting problems of high stress soft in many mining areas, especially supporting problems of gob-side roadways influenced by dynamic pressure. So it is important of practical significance to study on surrounding rock stability and support technology of gob-side roadways in high stress influenced by dynamic pressure. In this paper, based on the actual geological conditions of gas tail roadway of 1110 working face of 11 coal mining area in XiaYukou mine, by using theoretical analysis, numerical simulations and field test , the paper researched on the questions of surrounding rock control caused by dynamic pressure, and non-uni support technology of gob-side roadway. First of all, based on the analysis of the factors affecting the stability of gob-side roadway surrounding rock and failure s, combined with the combination of on-site investigation results and the actual geological and mining conditions.The results has obtained that the main factors of the gas tail roadway of 1110 working face.That is mining influence when 1108 working face close to the roadway, adjacent roadway driving disturbance, and the influence of this section working face’s lead abutment pressure. Secondly, the analysis of the above-mentioned factors affecting the stability of surrounding rock by numerical simulation showed that because of rock mass strength, stress state and failure character of the mining roadway surrounding rock composite structure of each part, the difference was very remarkable. Influenced by dynamic pressure, mining roadway surrounding rock deation showing a significant non-uniity and non-symmetry, weak structural body of surrounding rock and weak support bearing structure shear dilatancy deation strongly. Thus, causing the surrounding rock-supporting bearing structure produced structural instability failure. Finally, according to the characteristics of gob-side roadway surrounding rock deation and failure characteristics of surrounding rock-supporting bearing caused by dynamic pressure, analysis the non-uni support technology. The results show that reinforcing roof and sides can effectively control roadway floor heave caused by dynamic pressure; reinforcing weak structural body of surrounding rock and weak 万方数据 III support bearing structure can greatly improve them structural instability. Thus improving the global stability of surrounding rock-supporting bearing structure. Based on the above analysis, roadway floor heave control technology and non-uni support technology had practiced, The roadway deation ination and supporting system carries ination monitoring results show that the non-uni deation of surrounding rock is greatly reduced, and roadway floor heave has been effectively controlled ,and the system under load bearing support has been optimized. The research results for the gob-side roadway surrounding rock control technology influenced by dynamic pressure provided an important technical reference, and as same to control of the floor heave. Not only to gas tail roadway of 1110 working face, but also for the other similar conditions coal mine have important significance. There are 63 figures, 1 tables and 89 references. Keywords gob-side roadway; influenced by dynamic pressure; numerical simulation; floor heave; non-uni support 万方数据 IV 目 录目 录 摘 要摘 要 ........................................................................................................................... I 目 录目 录 ........................................................................................................................ IV 图清单图清单 ..................................................................................................................... VIII 表清单表清单 ....................................................................................................................... XII 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及意义 ..................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 1 1.3 试验巷道概述 ......................................................................................................... 6 1.4 研究内容和方法 ..................................................................................................... 9 2 巷道围岩稳定性影响因素及破坏形式巷道围岩稳定性影响因素及破坏形式 ................................................................. 12 2.1 巷道围岩稳定性影响因素.................................................................................... 12 2.2 巷道围岩破坏形式 ............................................................................................... 16 2.3 1110 工作面瓦斯尾巷围岩稳定性主要影响因素和不同阶段巷道围岩稳定性分 析............................................................................................................................ 17 2.4 本章小结 ............................................................................................................... 19 3 沿空动压巷道围岩稳定性分析沿空动压巷道围岩稳定性分析 ............................................................................. 20 3.1 模型的建立和参数的选取 ................................................................................... 20 3.2 回采巷道围岩稳定性分析 ................................................................................... 23 3.3 邻近工作面回采影响下巷道围岩稳定性分析 ................................................... 26 3.4 侧向支承压力下不同巷间煤柱宽度对围岩稳定性的影响 ............................... 35 3.5 本区段工作面回采影响下巷道围岩稳定性分析 ............................................... 41 3.6 本章小结 ............................................................................................................... 47 4 沿空动压巷道非均匀支护技术沿空动压巷道非均匀支护技术 ............................................................................. 49 4. 1 非均匀支护理念及技术核心 .............................................................................. 49 4.2 非均匀支护技术分析 ........................................................................................... 52 4.3 本章小结 ............................................................................................................... 63 5 现场工业性试验现场工业性试验 ..................................................................................................... 65 5.1 1110 工作面瓦斯尾巷失稳破坏原因分析 ........................................................... 65 5.2 非均匀支护技术方案 ........................................................................................... 67 万方数据 V 5.3 施工质量管理及安全技术措施 ........................................................................... 71 5.4 现场施工中存在的问题 ....................................................................................... 72 5.5 现场支护效果 ....................................................................................................... 74 5.6 本章小结 ............................................................................................................... 86 6 结论结论 ......................................................................................................................... 87 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 89 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 93 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 94 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 95 万方数据 VI Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ..................................................................................................................... VI List of Figures ......................................................................................................... VIII List of Tables ............................................................................................................. XII 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Background and Significance Topics ....................................................................... 1 1.2 Research Status at Home and Abroad ...................................................................... 1 1.3 Introduction of Test Roadway .................................................................................. 6 1.4 Research Contents and of the Paper ........................................................... 9 2 Stability Influencing Factors and Failure of Surrounding Rock of Roadway...................................................................................................................... 12 2.1 Stability Influencing Factors of Surrounding Rock of Roadway ........................... 12 2.2 Failure of Surrounding Rock of Roadway ................................................... 16 2.3 The Key Stability Influenced Factors and Stability of Surrounding Rock of Different Stage of Gas Tail Roadway of 1110 Working Face ................................ 17 2.4 Brief Summary ....................................................................................................... 19 3 Analysis on Surrounding Rock Stability of Gob-side Roadway Influenced by Dynamic Pressure ...................................................................................................... 20 3.1 Building Model of Numerical and Selecting Parameter ........................................ 20 3.2 Analysis on Surrounding Rock Stability of Roadway ........................................... 23 3.3 Analysis on Surrounding Rock Stability of Roadway Influenced by Effect of Dynamic Pressure of Nearby Working Face .......................................................... 26 3.4 Analysis on Surrounding Rock Stability Influence of Different Width of Coal Pillar with Side Abutment Pressure ....................................................................... 35 3.5 Analysis on Surrounding Rock Stability of Roadway nfluenced by Effect of Dynamic Pressure of District Sublevel Working Face ........................................... 41 3.6 Brief Summary ....................................................................................................... 47 4 Non-uni Support Technology of Gob-side Roadway Influenced by Dynamic Pressure ...................................................................................................... 49 4. 1 Mechanism and Core of Non-uni Support Technology ................................ 49 4.2 Analysis on Non-uni Support Technology ..................................................... 52 万方数据 VII 4.3 Brief Summary ....................................................................................................... 63 5 The Industrial Test .................................................................................................. 65 5.1 Analysis on Gas tail Roadway of 1110 Working Face Broken Reason ................. 65 5.2 Support Technical Proposal with Non-uni ..................................................... 67 5.