半煤岩巷矸石带混凝土联合巷旁支护技术研究.pdf

分类号分类号TD353 密密 级级公公 开开 U D C 单位代码单位代码10424 学学 位位 论论 文文 半煤岩巷半煤岩巷矸石带矸石带混凝土联合巷旁支混凝土联合巷旁支 护技术研究护技术研究 张九雨张九雨 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名 郭忠平郭忠平 职职 称称 教授教授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二〇〇一七一七年年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 半煤岩巷半煤岩巷矸石带矸石带混凝土联合巷旁支护混凝土联合巷旁支护 技术研究技术研究 作者姓名作者姓名 张九雨张九雨 入学时间入学时间2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层矿山压力与岩层控制控制 指导教师指导教师 郭忠平郭忠平 称称 职职 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 2017 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期 2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 RESEARCH ON THE CONCRETE AND THE WASTE-ROCK BAND FOR ROADSIDE SUPPORTING IN GOB-SIDE ENTRY RETAINING UNDER HALF COAL ROCK ROADWAY A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhang JiuyuZhang Jiuyu Supervisor Professor Guo ZhongpingGuo Zhongping College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献外，全部 是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。 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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文按照学校规定来处理。 作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版、纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆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；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。 （保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，完成了课程 学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，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 将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘要摘要 锦丘煤矿 163 采区煤层为薄煤层，16301 工作面轨道巷为半煤岩巷，本文 以该工作面沿空留巷为工程依托，分析了沿空留巷顶板的活动规律、半煤岩巷 道支护机理、沿空留巷方案设计、沿空留巷巷旁支护设计、沿空留巷巷内支护 设计。从充填材体材料承载极限的角度来计算切顶阻力，采用迭代法计算出切 顶阻力和充填体宽度范围；给定顶板有限下沉，加强临时顶板支护，充分发挥 煤帮的承载作用，采用矸石带单体支柱联合支护初期顶板，并将矸石带作为充 填的内侧模板，取消充填区域的临时通风，大大地简化了充填程序，保证了作 业人员的施工安全； 采用数值模拟软件 FLAC3D， 分析了不同宽度下的沿空留巷 效果及不同临时支护下的沿空留巷效果。在 16301 工作面实施以上沿空留巷方 案并设置监测站， 通过观测知， 矸石带与单体支柱联合支护顶板的效果也较好， 极大地保护了充填体的完整性，沿空留巷巷道保存较好。 本文通过实践得出以下结论 （1）坚硬顶板条件下沿空留巷，应当充分利 用顶板岩层的支承作用，基本顶断裂点尽可能地远离充填体。 （2）加强沿空留 巷临时顶板的支护，保护初期的充填体，充分利用煤壁的支承作用。 （3）加强 沿空留巷超前支护，保护巷道煤壁的完整性，避免煤壁的过度破坏。 关键词关键词沿空留巷，矸石带，混凝土，临时支护，数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II ABSTRACT 163 mining area in the Jin Qiu coal mine belong to thin coal seam and orbital roadway 16301 is the half-coal roadway. As the engineering background in the paper, the movement rule of top roof in the gob-side entry-retaining, Supporting mechanism of half-coal roadway, Scheme design of the gob-side entry-retaining, how to support the wall of coal roadway, and how to support roadway is analyzed. The supporting resistance is calculated from the aspect of bearing limit of filling material. The cutting resistance and the width of the filling body are calculated through iteration . The bearing capacity of coal is used fully by the of giving limited movement of roof and strengthening temporary supporting of roof. The waste-rock band and single prop are combined to support the early roof, that waste-rock band is used as the inner template of filling and which greatly reduce the process of filling, cancel temporary ventilation of filling areas, ensure the safety of the workers. The effect of the gob-side entry retaining in the width of different filling body and in different temporary supporting is simulated by numerical simulation software FLAC3D. The scheme was carried out in the 16301 working face and monitoring station were set up, the effect of supporting roof is well under the supporting of the waste-rock band and single prop, which protect the integrity of filling body. There are the following conclusions through the practice 1 In the gob-side entry retaining under the condition of hard roof, the strata should be fully used to protect the roof of roadway, the fracture point of the roof is as far away from the filling body as possible. 2 Strengthen the support of the temporary roof in the gob-side entry retaining, protect the early filling body, and make full use of the bearing capacity of coal. 3 Strengthen the advance support of the roadway in the gob-side entry retaining, protect the integrity of the coal wall of the roadway, which avoid the excessive destruction. Key words the gob-side entry retaining; the waste-rock band; the concrete; the temporary supporting; the numerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 III 目录目录 1 绪论绪论 ....................................................................................................................... 1 1.1 课题背景 .......................................................................................................... 1 1.2 国内外的沿空留巷研究现状 .......................................................................... 2 1.3 主要研究内容及技术路线 .............................................................................. 5 2 采场覆岩运动规律及巷道支护机理研究采场覆岩运动规律及巷道支护机理研究 ................................................. 7 2.1 沿空留巷上覆岩层活动规律分析 .................................................................. 7 2.2 沿空留巷顶板断裂特征分析 ........................................................................ 11 2.3 沿空留巷巷内支护机理 ................................................................................ 13 2.4 沿空留巷巷旁支护机理 ................................................................................ 19 2.5 本章小结 ........................................................................................................ 20 3 半煤岩巷沿空留巷方案设计半煤岩巷沿空留巷方案设计 ...................................................................... 21 3.1 采区概述 ........................................................................................................ 21 3.2 半煤岩体沿空留巷方案选择 ........................................................................ 23 3.3 沿空留巷巷内支护设计 ................................................................................ 26 3.4 沿空留巷巷旁支护设计 ................................................................................ 28 3.5 本章小结 ........................................................................................................ 35 4 基于基于 FLAC3D矸石带混凝土联合巷旁支护参数数值模拟矸石带混凝土联合巷旁支护参数数值模拟 .............. 36 4.1 FLAC3D 数值软件简介 ................................................................................ 36 4.2 沿空留巷巷旁支护参数模拟 ........................................................................ 37 4.3 沿空留巷临时支护方案模拟 ........................................................................ 41 4.4 本章小结 ........................................................................................................ 45 5 工程实践工程实践 ......................................................................................................... 46 5.1 施工工艺 ........................................................................................................ 46 5.2 沿空留巷巷道监测方案设计 ........................................................................ 49 5.3 监测数据分析 ................................................................................................ 52 5.4 沿空留巷经济效益分析 ................................................................................ 56 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 5.5 本章小结 ........................................................................................................ 56 6 主要结论及创新点主要结论及创新点 ......................................................................................... 58 6.1 主要结论 ........................................................................................................ 58 6.2 主要创新点 .................................................................................................... 58 参考文献参考文献 ................................................................................................................... 59 致谢致谢 ............................................................................................................................ 64 学术成果学术成果 ................................................................................................................... 65 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V CONTENTS 1 Introduction ............................................................................................................ 1 1.1 Background of project ......................................................................................................... 1 1.2 Domestic and foreign research situation of the gob-side entry retaining ............................ 2 1.3 Major research contents and technical routes ..................................................................... 5 2 Research on laws of strata movement and supporting ....................................... 7 2.1 Analysis on the law of overlying strata in gob-side entry retaining .................................... 7 2.2 Activity law of the roof fracture in the gob-side entry retaining ....................................... 11 2.3 The supporting mechanism of the roadway in gob-side entry retaining ........................... 14 2.4 The supporting mechanism of roadside in gob-side entry retaining ................................. 19 2.5 Summary of the chapter .................................................................................................... 20 3 Scheme on gob-side entry retaining with half-coal roadway ........................... 21 3.1 The summary on mining area ............................................................................................ 21 3.2 Scheme selection the gob-side entry retaining .................................................................. 23 3.3 Design of the roadway supporting in the gob-side entry retaining ................................... 26 3.4 Design of the roadside supporting in the gob-side entry retaining .................................... 28 3.5 Summary of the chapter .................................................................................................... 35 4 Numerical simulation of roadside support based on FLAC3D ............................. 36 4.1 Brief introduction of software called FLAC3D ................................................................ 36 4.2 Simulation about roadside-support parameters ................................................................. 37 4.3 Simulating scheme on roadside support in the gob-side entry retaining ........................... 41 4.4 Summary of the chapter .................................................................................................... 45 5 Engineering practice ...................................................................................................... 46 5.1 Construction technology ................................................................................................... 46 5.2 Design of monitoring scheme for the gob-side entry retaining ......................................... 49 5.3 Analysis monitoring data .................................................................................................. 52 5.4 Analysis on the economic benefit for the gob-side entry retaining ................................... 56 5.5 Summary of the chapter .................................................................................................... 56 6 Main conclusion ................................................................................................................. 58 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI 6.1 Main conclusion .............................................................................................. 58 6.2 Main innovation .............................................................................................. 58 References ................................................................................................................................... 59 Appreciations ............................................................................................................................. 64 Main achievements .................................................................................................................. 65 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题课题背景背景 当巷道掘进断面既有岩层又有煤层，且当煤层占掘进工作面面积 1/5～4/5 时，即称为半煤岩巷道，该种巷道一般存在于薄煤层条件中。据不完全统计， 我国未开采的薄煤层资源储量约为 61.5 亿 t， 约占总可采储量的 20.4。 在一些 地区薄煤层储量比重更大，如四川省约占 60，山东省约占 54，黑龙江省约 为 51，贵州省约为 37，其他产煤省份如河南、山西、内蒙、河北、吉林等 也有丰富的薄煤层资源。随着煤炭资源的不断减少，薄煤层开采将是各大煤炭 企业不得不面对的课题[1]。 无煤柱开采是煤炭资源开采方法的重要发展方向之一，尤其是在薄煤层条 件下的沿空留巷技术，该技术可以有效减小回采巷道的掘进工作量，可以实现 Y 型通风方式，利于解决工作面瓦斯问题；同时，沿空留巷技术可以提高煤层 采出率、缩小工作面准备工作量、减少工作面的搬家次数等优势[2]，对改善矿 井技术经济效益、增强矿井安全生产极为有利。因此，无煤柱技术与留设煤柱 技术相比，在经济上及技术上都有无法比拟的优势[3]。 我国作为世界上重要的产煤基地， 在厚煤层综采开采方面取得了重大突破， 处于国际领先地位，然而薄煤层综采却是一个相对薄弱环节。其主要客观原因 是薄煤层活动空间小、工人操作困难、采矿方法复杂、容易出现安全事故、经 济效益低下，致使大量薄煤层煤炭资源处于搁置状态，回采产量占总产量的比 重只有 10.4，远低于储量所占的比重，而且还有下降的趋势。主要因为薄 煤层巷道多为半煤岩巷道， 巷道掘进率较低， 掘进费用高， 而且采掘接替紧张， 工作面开采效率低下；国内许多矿井开采时有意避开开采难度大的煤层，选择 相对容易的厚煤层及中厚煤层，忽略了薄煤层的开采，使矿井连续开采与资源 日益缩减间的矛盾日益突出，大大地减少了矿井服务年限，限制了煤炭行业的 健康稳定发展。 无煤柱技术自 20 世纪 70 年引进我国以来，一直就是煤炭工作者研究的重 点方向之一[4]。到目前为止，我国安徽淮南矿业集团、山东新汶矿业集团在沿 空留巷方面做了大量的研究工作，在条件较好的矿区沿空留巷技术日益完善， 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 巷旁支护、巷内支护和充填材料开发也日趋成熟。 本文以锦丘煤矿 163 采区的 16301 工作面为工程背景，该工作面为薄煤层 厚灰岩综采工作面，煤层厚度为 0.50～0.88m，平均为 0.74m，拟采用混凝土作 为巷旁支护体材料，采用矸石带替代充填体侧单体支柱，取消临时支护空间的 局部通风。 1.2 国内外的沿空留巷研究现状国内外的沿空留巷研究现状 1.2.1 国外沿空留巷研究现状及应用国外沿空留巷研究现状及应用 世界上比较大的产煤国家都对各种条件下沿空留巷的矿压规律、 巷道变形、 充填体材料等做了大量的理论实践研究，如波兰、英国、德国等。英国学者 Whittaker 等[5-6]人在 Wilson 模型的基础上，并采用岩体结构静力关系发展了分 离岩块力学模型（Detached Block Theory） ；苏联学者 B.胡托尔诺依在沿空留巷 顶板压力计算时采用悬臂梁模型，得出了充填体切断顶板时支护阻力的计算方 法[7]；英国学者 Smart 提出了顶板倾斜力学模型[8]。根据上述研究结果，可以得 出以下结论采空区上方岩层断裂、运动后会再次形成平衡结构，巷道顶板会 在煤壁深处断裂，形成独立岩块，因此沿空留巷的巷旁支护阻力可以按照巷道 顶板的部分自重来计算，但这种方法忽略了基本顶运动过程中的弯曲应力以及 基本顶运动对巷旁支护体稳定性的影响。 英国的薄煤层比较普遍，为提高煤炭的回采率，多采用沿空留巷技术。巷 旁多采用矸石带来进行维护，探索了矸石带巷旁支护沿空留巷技术，研制出机 械化矸石带垒砌装置， 同时， 研制出了可以大幅度增加矸石带强度的胶结材料， 增强了矸石带强度 [9]。斯麦脱教授提出了岩梁倾斜理论[10]，他认为在沿空留巷 中巷道顶板的稳定性主要靠巷旁支护来维护，主张采用巷旁支护、巷内支柱及 煤壁支护来控制顶板的下沉量，即是采用顶板旋转角来作为计算巷旁支护阻力 的依据。 德国的沿空留巷应用也比较广泛，一般采用混凝土、石膏等低水材料作为 巷旁充填材料，可以比较大地减缓巷道顶板的破坏程度及变形速度，实现回采 巷道的二次利用，取得良好的技术经济效果。高水材料巷旁支护沿空留巷[11]是 一项更加先进的留巷技术，极大地简化了沿空留巷充填工艺，特别适合薄煤层 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 条件下，在英国、德国得到了广泛的应用。 波兰的无煤柱开采一般采用沿空留巷，采煤时多采用单巷准备，上一工作 面巷道作为下一工作面的回风巷。巷内支护一般采用顶梁配合单体支柱，巷旁 支护一般采用矸石带、混凝土墩柱或充填带。 1.2.2 国内沿空留巷研究现状及应用国内沿空留巷研究现状及应用 自上世纪 50 年代我国开始引进沿空留巷技术起， 国内众多的专家学者对沿 空留巷技术进行了大量的理论实践研究， 使得沿空留巷技术得到了较大的发展， 巷内支护、巷旁支护、煤帮支护已趋于成熟[12]。 陆士良认为巷道顶板的主要下沉量是裂隙带岩层取得平衡前的强烈沉降‖ [13-14]的重要观点。孙恒虎教授则认为前期支护在沿空留巷控制顶板下沉中至关 重要，支护设计时应当采用以顶为主，顶、让兼顾‖的支护原则；而后期支护 应当采用以让为主，让、顶兼顾‖的支护原则，在其设计变形时应当以最大变 形为主 [15-16]；同时认为沿空留巷顶板荷载仅仅与短支撑边界荷载有关。 李化敏等教授[17]认为可以将沿空留巷顶板活动分为三个时期前期活动、 过渡时期活动、 后期活动， 顶板前期、 过渡时期顶板活动主要以旋转变形为主， 只是过渡时期的顶板变形速度及变形量大于前期，而后期的顶板活动主要以顶 板岩层的平行下沉为主，下沉速度也较小；