采动影响下暗斜井机头大断面硐室底鼓控制技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 采动影响下采动影响下暗斜井机头暗斜井机头大断面硐室底鼓大断面硐室底鼓控制技控制技 术研究术研究 学位类型学位类型 学术型学位 学 科学 科 （ 专 业 学 位 类 别 ）（ 专 业 学 位 类 别 ） 矿业工程 作者姓名作者姓名 王金 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 王卫军 实 践 导 师 姓 名 及 职 称实 践 导 师 姓 名 及 职 称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论文提交日期论文提交日期 2016 年 5 月 30 日 万方数据 采动影响下采动影响下暗斜井机头暗斜井机头大断面硐室底鼓控制技大断面硐室底鼓控制技 术研究术研究 学位类型学位类型 学术型学位 学科学科（专业学位类别）（专业学位类别） 矿业工程 作者姓名作者姓名 王金 作者学号作者学号 13010101013 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 王卫军 实 践 导 师 姓 名 及 职 称实 践 导 师 姓 名 及 职 称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论文提交日期论文提交日期 2016 年 05 月 30 日 学位授予单位学位授予单位 湖 南 科 技 大 学 万方数据 Study of large section subinclined head chamber affected by mining action floor heave controlling technology Type of Degree Academic Degree Discipline Mining Engineering Candidate Wang Jin Student Number 13010101013 Supervisor and Professional Title Wang Wei-jun Practice Mentor and Professional Title School School of Energy and Safety Engineering Date May 30, 2016 University Hunan university of science and technology 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校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，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南科技大学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。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 i 摘摘 要要 为满足大型设备的运输及地面对井下生产的控制等，各地煤矿都在掘进大型 断面的巷道或硐室。对于井下硐室而言，断面积越大，其周围的应力分布越复杂， 支护也就越困难。在煤矿中存在大量断面较大的主要硐室，这些硐室负责运输， 配电或工人休息等，当这些硐室处于复杂的地质条件或应力环境中时，很容易遭 到破坏，尤其是负责运输生产的主要硐室，这些硐室中布置着大型设备，它们对 底板完整性的要求比较高。当这些硐室底板发生变形破坏很可能会造成煤矿无法 正常生产，甚至出现事故。如何对井下主要硐室底板或围岩进行控制成为很多专 家关注的热点。 在煤矿生产中，井下主要硐室常受采动影响。本文从理论分析入手，着重研 究了底板破坏的机理及上部煤层开采对硐室围岩应力的影响，并研究了治理底鼓 的措施及理论。采用层状底板模型分析了底板破坏的临界值，并运用高坑矿资料 计算了暗斜井机头硐室底板的破断，采用松散体力学模型推导并计算了该硐室底 板破坏的深度。运用 FLAC3D 建立了暗斜井机头硐室模型，采用现场试验数据数 值计算分析了采动影响下原支护形式下底板破坏的原因。根据暗斜井机头硐室所 处地质环境和应力分布以及复杂应力环境下底鼓控制技术，提出了“钻孔卸压， 锚索喷浆”的分步联合支护方案。通过数值模拟分析了钻孔卸压对底鼓控制的 效果，并进一步分析了帮部锚固和底板锚固形式下，上部煤层开采对暗斜井机头 硐室的影响，结果显示新支护方案下，硐室底板得到很好的控制。将新支护方案 运用到高坑煤矿机头大断面硐室底鼓治理，通过现场监测得到的数据表明钻孔卸 压对底板破坏起到很好的控制，新支护方案下底板变形显著降低。 本文以高坑矿暗斜井机头硐室底鼓治理项目为依托，通过现场监测分析，并 选用力学模型推导计算了底板破坏的临界值及其破坏深度，系统分析了扰动影响 下底鼓机理及控制方法，并对底鼓治理的效果进行检测，为相似矿井底鼓治理提 供借鉴。 关键词采动影响关键词采动影响；底板破坏底板破坏；钻孔卸压钻孔卸压；数值模拟数值模拟；力学模型力学模型 万方数据 - ii - ABSTRACT In order to facilitate transportation of large equipment and controlling of underground production,tunnel or chamber of large section is selected in coal.For underground chamber,the larger section area,the more complex surrounding rock stress distribution,roadway support is also more difficult.In the coal mine ,there are a large number of large section main chamber,main chamber is responsible for transportation,power distribution or workers to rest and so on.The main chamber in a complicated geological condition or stress environment is easily destroyed.Especially main chamber in charge of transportation production,large equipment installed,their requirements for the integrity of the floor is relatively high.Floor deation and failure is likely to result in the coal mine can not be normal production,or even an accident.How to effectively control main chamber floor or surrounding rock has becomed the focus of many experts. In the mining,main chamber is easy to be affected by mining.Based on the theoretical analysis,this paper focuses on mechanism of floor failure,the influence of the upper coal seam mining on surrounding rock stress and measure of controlling heave.The critical value of floor failure is analyzed by using the model of layered floor,by Gao Keng coal geological data,and inclined head chamber floor has broken from the calculation result.The failure depth of chamber floor is calculated by using the loose mechanics model.The subinclined head chamber model is builded by using FLAC3D software.Useing field test data,the reason of the floor failure under the influence of mining is analyzed numerically.According to the environment of surrounding rock,stress distributio and the control technology of floor heave in complex stress environment, Steps combined support scheme is proposed.The effect of borehole pressure relief on bottom drum control is analyzed by numerical simulation.The influence of the upper coal seam mining on subinclined head chamber 万方数据 - iii - is analysised in the of side anchor and bottom plate anchor.The results show that the new support scheme has good control effect on the chamber floor.The new supporting scheme is applied to the large section chamber of head of the Gao Keng coal to be used for the treatment of the bottom drum.The data obtained from the field monitoring show that borehole pressure relief has a very good control effect on floor failure.Under the new support scheme,the floor deation is reduced significantly. This paper is based on the project “The Gao Keng coal subinclined shaft head chamber bottom drum controlling“,through field monitoring analysis,the critical value and depth of floor failure are derived by using the mechanical model.The mechanism and control of the floor heave are analyzed and the effect of bottom drum treatment is detected.It can be reference for the similar mine bottom drum controlling. Key words Mining action, Floor failure, Drilling relief, Numerical simulation, Mechanical model 万方数据 湖南科技大学硕士学位（论文） 目目 录录 摘要摘要 ........................................................................................................................... i ABSTRACT .............................................................................................................. ii 第一章第一章 绪论绪论 1.1 选题背景及意义 .......................................................................................... 1 1.2 国内外研究内容及发展趋势 ...................................................................... 2 1.2.1 底鼓机理研究现状 ............................................................................ 2 1.2.2 底鼓控制技术研究现状 .................................................................... 4 1.2.3 采动影响下底板巷道围岩应力分布及其底板控制 .......................... 5 1.2.4 存在的主要问题 ............................................................................... 6 1.3 研究内容、研究方法及研究路线 .............................................................. 7 1.3.1 研究内容 ........................................................................................... 7 1.3.2 研究方法 ........................................................................................... 7 1.3.3 研究路线 ........................................................................................... 8 第二章第二章 暗皮带斜井机头大断面硐室底鼓及控制机理分析暗皮带斜井机头大断面硐室底鼓及控制机理分析 2.1 暗斜井现场试验及围岩分析 ...................................................................... 9 2.1.1 暗斜井机头硐室围岩矿物分析 ....................................................... 10 2.1.2 巷道围岩内部结构探测 .................................................................. 12 2.2 煤层开采影响下底板应力分布规律分析 ................................................. 12 2.3 巷道底鼓理论分析 ................................................................................... 14 2.3.1 底鼓破坏机理分析 .......................................................................... 14 2.3.2 受采动影响的巷道围岩变形破坏特点 ........................................... 17 2.4 底鼓控制支护理论分析 ............................................................................ 18 2.4.1 底鼓控制理论 ................................................................................. 18 2.4.2 底鼓控制理论模型分析 .................................................................. 19 2.5 本章小结 .................................................................................................. 22 万方数据 目 录 第三章第三章 原支护方案下暗斜井机头硐室底板破坏原支护方案下暗斜井机头硐室底板破坏数值分析数值分析 3.1 数值模拟分析及相关模拟软件简介 ......................................................... 25 3.2 模型的建立 ............................................................................................... 25 3.3 模拟结果及分析 ....................................................................................... 27 3.3.1 原方案暗斜井机头硐室底板变形情况分析 .................................... 27 3.3.2 煤层开挖时暗斜井机头硐室底板变形情况分析 ............................ 29 3.4 本章小结 .................................................................................................. 36 第四章第四章 采动影响下暗斜井机头硐室底鼓控制技术数值分析采动影响下暗斜井机头硐室底鼓控制技术数值分析 4.1 底鼓控制理论分析 .................................................................................... 37 4.2 方案设计 ................................................................................................... 39 4.3 数值模拟结果分析 .................................................................................... 40 4.3.1 钻孔卸压对硐室底板变形影响的分析 ........................................... 40 4.3.2 新支护方案下硐室底板变形情况分析 ........................................... 43 4.3.3 新支护方案下上部煤层开采对底板硐室扰动影响分析 ................. 45 4.4 本章小结 ................................................................................................... 47 第五章第五章 工程实践工程实践 5.1 工程概况 ................................................................................................... 49 5.1.1 工程概况 ......................................................................................... 49 5.1.2 工程地质 ......................................................................................... 49 5.2 支护方案设计 ........................................................................................... 51 5.2.1 钻孔布置及试验参数 ...................................................................... 51 5.2.2“锚索、喷浆”支护设计 ............................................................... 52 5.2.3 底板支护参数设计 .......................................................................... 52 5.3 硐室底板变形监测与分析 ........................................................................ 54 5.4 本章小节 .................................................................................................. 56 第六章第六章 结论与展望结论与展望 6.1 主要结论 .................................................................................................. 57 6.2 研究展望 .................................................................................................. 58 万方数据 湖南科技大学硕士学位（论文） 参考文献参考文献 .............................................................................................................. 59 致致 谢谢 ................................................................................................................... 63 附录附录 A攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目攻读硕士学位期间发表的论文及参与项目 ............................... 65 万方数据 湖南科技大学硕士学位（论文） - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 选题背景及意义选题背景及意义 随着我国采矿技术日趋成熟，开采设备的大型化，为方便井下生产、运输、 行人及通风等要求，各地煤矿大量布置大断面硐室，其支护问题也逐渐凸显出来 [1]。尽管学术界对受采动影响的巷道或硐室底板破坏的控制已经取得大量研究成 果，但动压影响下的巷道底板治理仍有很多问题亟需解决 [2]。井下硐室通常具有 断面面积大、受采动影响、周围岩体压力大等特征，往往造成硐室支护结构失效、 使用年限变短和硐室返修率高等；井下主要硐室不能正常使用会影响井下煤炭、 材料和人员运输，造成矿井停产，严重的甚至发生事故 [3]。 与其他井下巷道相比，硐室具有断面面积大、形状变化多、受力情况复杂、 服务周期长、支护效果要求高等特点 [4][5]。许多学者在大断面硐室底鼓治理方面 做了大量对现场施工有指导意义的的工作，提出了许多关于受采动影响的大断面 硐室行有效的治理方法；高坑矿暗斜井机头硐室可以看做由顶底板、两帮组成的 复合结构体，它在受力情况下的变形机理及其控制方法可以通过控制两帮围岩塑 形区的发展来控制底板破坏；且关于复杂地质条件下巷道支护失效的力学分析、 巷道周围岩体稳定性、巷道周围应力分布情况及巷道变形力学分析等都比较少 [6][7]。 萍乡高坑矿的暗斜井机头硐室底板属于松散体围岩，采用“料石砌碹”的支 护方式。由于硐室断面较大，加上受多次采动影响，其应力分布状况及其围岩性 质的复杂，暗斜井机头硐室底板进一步破坏将严重影响煤矿生产。该矿-146m 标 高，距地面垂直深度为 350m 暗斜井机头硐室从底板变形破坏的机理入手，通过 理论与数值模拟分析研究了大断面硐室底鼓破断情况和极限深度，确定大断面硐 室适宜的控制技术和支护参数，不仅解决了井下煤矿运输问题、改善硐室围岩应 力环境和促进矿井安全生产，还为该矿其它硐室和具有类似地质的矿井硐室维修 提供借鉴。 采动影响是指上部或者下部煤层开采对邻近巷道硐室产生的影响，这种影响 万方数据 第一章 绪论 - 2 - 与巷道围岩变形破坏有密切关系，目前越来越多巷道围岩控制的专家对处于复杂 地质条件下巷道硐室底板的有效治理和维护措施进行研究和关注 [8-9]。 底板破坏本 质上可以用两个压模传递给松散土体的底板上的荷重，底板在两端负重的作用下 向巷道内压出的现象 [10]。控制底鼓的常用方法大致可以分为卸压法、加固法和联 合法三大类，在控制巷道底板方面的研究，我国已经有了很多成果，但是针对受 采动影响的巷道硐室底板破坏机理及控制方法的研究仍十分缺乏。 由于目前高坑矿可采煤量越来越少，该矿要对工业广场下所压的保护煤柱进 行开采，该矿暗斜井机头硐室采用料石砌碹的支护方式，所处岩层为边槽底板中 的垫底槽和砾岩层位，处于原工业广场下，担负该矿三水平及以下主要的运煤任 务。由于暗斜井机头硐室服务年限比较久远，在经历了多次扰动下，硐室围岩已 经遭到严重破坏，硐室两帮破碎岩体及底板岩层向硐室内产生较大位移。高坑煤 矿设计开采原工业广场下压扫边槽煤柱，暗斜井机头硐室处于工业广场下压的岩 层中，采用砌碹的支护方式，开挖时间比较久经受煤层多次开采扰动，硐室周围 围岩已经非常破碎。本文以横向项目“高坑矿暗斜井机头大断面硐室底鼓治理” 为基础，重点研究该硐室在多次开采扰动下底板破坏的加固技术。 因此，本文以高坑矿暗斜井机头大断面硐室为研究对象，运用两种力学模型 分析底鼓机理，并基于硐室所处地质条件和生产需要，提出了硐室底板治理的方 式为第一步采用钻孔卸压、第二步采用锚索喷浆的控制方法。针对新方案在大 断面硐室的应用现场检测结果表明，围岩控制结果良好。本文对巷道硐室底鼓机 理进行力学分析，提出了有效合理的底鼓治理方法，成为类似矿井亟需解决的问 题。本项目结合近年来的研究大断面硐室底鼓治理技术，经理论分析、数值计算 后提出加固支护方案，并将此方案用于高坑煤矿现场，既能够解决该煤矿在开采 过程中斜井巷道围岩稳定的问题， 同时对于其他同类型的煤矿支护具有借鉴意义。 1.2 国内外研究内容及发展趋势国内外研究内容及发展趋势 1.2.1 底鼓机理研究现状底鼓机理研究现状 国外专家提出了大量底鼓机理的研究成果， 德国学者奥顿哥 [12] [13]等通过实验 模拟了底板破坏的顺序得出的结论为在垂直地应力的作用下围岩两帮的岩层受 万方数据 湖南科技大学硕士学位（论文） - 3 - 压产生裂缝，接着水平应力的作用使得巷道的项板和底板产生破坏，顶底板向巷 道内部变形，由于底板岩层受力较大，此时较先破坏的一般是这一部分，而底板 岩层向巷道内部的位移就形成了底鼓现象；通过收集并整理了各地煤矿监测的数 据报告，采用数学的手段对大数据进行处理和研究后，提出了底板破坏的一般公 式；提出了底板破坏的力学本质是压模效应，在此基础上计算出底板岩层施加在 支护结构上的压力。 美国学者 Afrouz [14][15]等提出巷道底板破坏的主要因素是巷道底板中含有大 量松散岩体、周围岩层中存在断层引起的或上覆岩层施加的高应力、下覆岩层中 含有遇水软化泥化或膨胀的软弱岩体时自身承载能力下降；运用材料力学原理把 巷道底板下覆岩层看作简支梁，分析了岩层受力状态、变形情况等；在大量现场 监测及分析后提出底板岩层 6 米深处的底板围岩力学特性决定了底板破坏程度。 我国国内的很多教授、专家也对巷道的底鼓现象进行了大量的研究工作，并 提出很多有实践意义的理论。贺永年 [16]等学者对某煤矿布置在软弱岩层中的巷道 进行了监测和分析，认为该煤矿底板变形破坏的顺序是首先上覆岩层对顶板和 两帮产生的应力通过巷道两帮围岩开始传递，两帮周围岩体在把应力向底板转移 的同时伴随底板岩层向下移动，底板在水平应力和两帮的垂直应力作用下开始破 断 ，底板岩层向上凸起。 侯朝炯 [17-18]教授分析了煤矿运输和回风顺槽底板受力状态，提出了底板变形 破坏经历了以下阶段没有采动影响下，除了距离底板比较近的岩层会发生位移 外，在距离底板 2m 或深部岩层基本没有位移，由此可以得出，在没有采动影响 下巷道底板通常只产生向上的位移；当煤层开采时，由巷道两帮迅速向底板转移 的应力使距离底板比较近的岩层开始破坏并向上凸起，底板塑性区快速扩张，而 距离底板比较深的岩层则开始下沉。 康红普 [19][20]教授认为底板下部岩层发生破断变形和下部岩层遇水膨胀、破 碎、扩容使底板岩层向上隆起是底鼓产生的主要原因。 姜耀东 [21-22]教授等在分析了巷道周围岩体覆存条件和所处的应力环境的情况 下，把底板破坏划分为挤压流动破坏、桡曲褶皱破坏、膨胀性破坏、剪切错动 破坏。姜耀东 [23]认为由于巷道不是由一块整体的岩石构成，可以利用有限元的方 万方数据 第一章 绪论 - 4 - 法和相似模拟实验来研究软岩巷道的底鼓，特别是遇水的情况。 综上所述，对底鼓机理的研究成果可归纳为 ①巷道开挖后围岩应力重新分布，底板岩层产生弹塑性变形向巷道内鼓起； ②由于巷道两帮所受的垂直应力挤压底板，在水平应力的作用下底板向巷道 内鼓起； ③底板岩层底鼓量由于流变性而随时间变化而增加。 ④由于出现拉应变和两帮下沉，巷道底板出现底鼓。 ⑤底板岩层中某些粘土矿（如高岭土、蒙脱石等）遇水膨胀使围岩强度变低。 1.2.2 底鼓控制技术研究现状底鼓控制技术研究现状 国内学者在前人研究成果和现场大量现场观测基础上，提出了许多巷道底板 破坏原理方面的研究成果。控制底鼓的常用方法大致可以分为卸压法、加固法和 联合法三大类。中国矿大 [24]对顶底板及两帮锚固注浆等底鼓治理措施进行了深入 研究；阜新矿业 [25]也曾采用爆破注浆、封闭式支架与爆破等联合支护防治软岩巷 道底鼓，支护效果较好；谢广祥等 [26-27]提出了超挖锚注回填技术；高明中[28]提出 带底拱的 U 型钢可缩性支架、混凝土碹和弧板等全断面支护法以及底板锚杆、底 板注浆和锚注结合的方法治理底板；高延法 [29]研制的封闭式混凝土支架使混凝土 处于三向受压状态控制超千米巷道底鼓。王卫军教授 [30-31]提出巷道顶板及两帮是 一个整体，当两帮岩体破坏严重时，底板破坏也随之加深，通过加固两帮能够在 一定程度上控制巷道底板破坏。 何满潮院士 [32]等提出提高底板围岩的强度来治理巷道底鼓，主要有底板注 浆、底板锚杆等方法。底板注浆主要用来加固底板破碎岩层，浆液渗透到岩层裂 隙间，增加了破碎岩石之间的粘聚力，在底板中形成一个强度比破碎岩层大的反 拱，从而在一定程度上阻止了下部岩层向上鼓起。底板锚杆把浅部不稳定的岩层 与下面稳定岩层联结在一起，并且通过底板锚杆在巷道底板形成组合岩梁，抑制 下部岩层因扩容引起的裂隙张开及新裂隙的产生，同时也可限制下部岩层向上鼓 起，可起到一定的阻止底板向巷道内移动的作用。 高延法 [33]等人提出增加底板围岩的支护力来治理巷道底鼓，主要有封闭式支 万方数据 湖南科技大学硕士学位（论文） - 5 - 架、反底拱、砌碹等方法。封闭式支架在一定程度上改变了底板岩层附近岩层的 应力状态，减小了作用在底板岩层上的应力偏量，同时这种应力也约束底板岩层 遇水膨胀，减小岩层强度的损失，有利于底板岩层的稳定；支架底梁可以平衡一 部分作用在底板岩层上的垂直分布力，同时也能起到减小两帮移近量的作用，因 而能在一定程度上阻止底板岩层发生弯曲断裂。反底拱具有较高而均匀一致作用 于底板上的支护阻力，进而抑制底板的膨胀变形的发生，特别是在底板围岩含有 大量膨胀性矿物成分的巷道中。康红普 [34]等人提出卸压法治理巷道底鼓，主要有 底板切