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川煤集团沿空留巷适应性评价 及巷旁支护对策研究 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名王 帅 指导教师曹树刚 教 授 专 业采矿工程 学科门类工 学 重庆大学资源及环境科学学院 二 O 一六年五月 万方数据 Study on the adaptability of gob-side entry roadway and countermeasure of roadside support for Sichuan coal group A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’s Degree of Engineering By Wang Shuai Supervised by Prof. Cao Shugang Specialty Mining Engineering College of Resources and Environmental Science of Chongqing University, Chongqing, China. May, 2016 万方数据 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I 摘 要 沿空留巷技术应用前景广阔。但是，由于沿空留巷技术试验周期长，对工作 面巷道围岩条件要求严格，且需要在回采巷道内增加留巷设备，生产工艺复杂， 管理较困难，如果留巷失败，损失较大。基于以上原因，沿空留巷技术的推广受 到制约。目前，沿空留巷技术主要应用于大型煤矿，中、小型煤矿应用较少。因 此，开展沿空留巷适应性研究具有重要意义。本文以四川煤炭产业集团下属各矿 区煤层赋存条件为背景，采用现场调研、文献研究、统计分析和构建数学模型等 研究方法，主要取得以下几个方面的研究成果 ①首先，收集各矿井回采巷道的围岩信息，建立数据库；然后，按照煤层倾 角、煤层厚度、煤层埋深、直接顶岩性、直接顶厚度和顶板完整性等 6 个因素对 围岩赋存情况进行统计，得到各矿井煤层的赋存特征。 ②运用层次分析法对沿空留巷适应性影响因素进行分析，确定了煤层倾角、 煤层厚度、巷道埋深、直接顶岩性、直接顶厚度影响系数及顶板完整性等 6 个地 质因素做为沿空留巷适应性评价指标；通过构造判断矩阵求得各因素的权重， {0.26,0.2,0.06,0.17,0.1,0.21}W 。 研究结果表明， 在影响沿空留巷的众多因素中， 煤层倾角与顶板完整性影响程度较大，二者权重系数之和达到 47，煤层厚度影 响程度次之。 ③根据模糊集理论，建立沿空留巷适应性评价模型。按照模糊评判算法中构 造隶属度函数的基本原则，采用基于随机区间思想的 5 项分布函数来描述；取修 正的正态分布函数作为隶属函数，指标值为正态分布的均值；综合考虑多种合成 运算方法的优缺点，选择加权平均法对各因素进行合成运算。 ④广泛收集沿空留巷技术成功案例，确定适合川煤集团煤层条件的沿空留巷 技术。结合川煤集团煤层赋存条件及开采技术条件，确定川煤集团沿空留巷巷旁 支护方案适合采用矸石袋、矸石自然垮落、砌块、混凝土、膏体作为巷旁充填体 支护技术及顶板超前预裂爆破成巷技术。根据模糊关系合成运算，确定该集团各 煤层回采巷道的沿空留巷适应性等级以及各个等级适用的巷旁支护方案。 关键词关键词煤层赋存条件，松动圈，模糊综合评判，沿空留巷适应性，巷旁支护方案 万方数据 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II ABSTRACT Technology of gob-side entry roadway has great advantages in underground coal mining. Since the test cycle of this technology is long, demanding higher for the condition of roadway rock, and adding equipments in the roadway, resulting in production process complicated and management more difficultly. If left lane is failing, the loss is bigger. For these reasons, the promotion of technology of gob-side entry roadway is limited. Currently, this techology is mainly used in large-scale coal mines, and in medium and small businesses use lessly. Therefore, to carry out the study on the adaptability of Roadway remain important. In this paper, based on the coal seam conditions of Sichuan Coal Mine, considering the deation law of surrounding rock, tunneling mode, cross-sectional shape and mine production scale, etc., through field research, literature research, statistical analysis, and establish judgment models, drawing the following result ① Firstly， large amount of ination about surrounding rock is collected, and establish a database, and then we classify the occurrence of surrounding rock in accordance with Seam Pitch, coal seam thickness, seam depth, the immediate roof lithology, thickness of immediate roof, roof integrity,and then found the law of the seam mining by comparing the data. ② Secondly, use hierarchical analysis to determine six geological factors for suitability of gob-side roadway, namely coal seam inclination, thickness of coal seam, depth of roadway, the lithology of immediate roof, influence coefficient of immediate roof and integrity of roof , and get the degree of influence of various factors, namely the weight, {0.26,0.2,0.06,0.17,0.1,0.21}W  , and discovering that seam dip and roof integrity influence greater more than 47, coal seam thickness for second. Therefore, for determining the mode of gob-side roadway, you can pay close attention to seam inclination, coal seam thickness and lithology of immediate roof. ③ Thirdly, use fuzzy set theory to establish an adaptability uation model for gob-side entry roadway. According to the basic principles of fuzzy membership functions, we establish five distribution function based on the random interval thought in this paper[1]. Take amended normal distribution function as the membership function, and the index is the mean value of the normal distribution. Considering the relative merits of various synthetic operation , the weighted average is selected. 万方数据 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 III ④ Finally, collect successful technology of gob-side entry roadway in domestic including Sichuan and Sichuan outside coal mines, and summary suitable technology for different geological conditions. Considering the occurrence and mining conditions of coal seam in Sichuan Coal Group, we determine to use waste rock bags, waste rock natural collapse, brick, concrete, paste as a filling body beside roadway supporting technology and pre-split blast tunneling techniques in roof for side supporting technology of gob-side entry roadway. According to the fuzzy relation composite operation, we obtain the levels of adaptability of gob-side entry roadway and its supporting programs under different geological conditions. Keywords seam occurrence conditions, loosen circle, fuzzy comprehensive uation, adaptability of gob-side entry roadway, program of roadside supporting 万方数据 重庆大学硕士学位论文 目 录 IV 目 录 中中文摘要文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ........................................................................................................................................ II 1 绪绪 论论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 引言引言 .......................................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 ...................................................................................................................... 2 1.2.1 国内外传统围岩分类研究现状 ....................................................................................... 2 1.2.2 现代非线性围岩分类方法研究现状 ............................................................................... 5 1.2.3 国内外沿空留巷技术研究现状 ....................................................................................... 7 1.3 主要研究内容及技术路线主要研究内容及技术路线 ...................................................................................................... 9 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................................... 9 1.3.2 技术路线 ......................................................................................................................... 10 2 川煤集团煤层地质条件分析川煤集团煤层地质条件分析 .................................................................................... 11 2.1 川煤集团下属公司煤层地质概况川煤集团下属公司煤层地质概况......................................................................................... 11 2.2 川煤集团煤层赋存条件分析川煤集团煤层赋存条件分析 ................................................................................................ 13 2.3 本章小结本章小结 ................................................................................................................................ 18 3 沿空留巷影响因素分析沿空留巷影响因素分析 ............................................................................................... 19 3.1 层次分析法简介层次分析法简介 .................................................................................................................... 19 3.2 层次分析法进行因素分析层次分析法进行因素分析 .................................................................................................... 19 3.2.1 影响因素层次结构分析 ................................................................................................. 19 3.2.2 影响因素判断矩阵 ......................................................................................................... 27 3.2.3 影响因素权重求解 ......................................................................................................... 28 3.2.4 权重向量一致性检验 ..................................................................................................... 29 3.3 影响因素权重结果分析影响因素权重结果分析 ........................................................................................................ 29 3.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................ 30 4 沿空留巷适应性评价研究沿空留巷适应性评价研究 ......................................................................................... 31 4.1 模糊集理论模糊集理论 ............................................................................................................................ 31 4.1.1 模糊集基本概念 ............................................................................................................. 31 4.1.2 隶属函数基本方法 ......................................................................................................... 32 4.1.3 模糊关系 ......................................................................................................................... 36 4.1.4 模糊关系合成运算 ......................................................................................................... 36 4.2 模糊综合评判理论模糊综合评判理论 ................................................................................................................ 37 万方数据 重庆大学硕士学位论文 目 录 V 4.2.1 因素集 ............................................................................................................................. 38 4.2.2 评语集 ............................................................................................................................. 38 4.2.3 因素集指标 ..................................................................................................................... 38 4.2.4 构造隶属函数 ................................................................................................................. 39 4.3 模糊关系合成运算模糊关系合成运算 ................................................................................................................ 41 4.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................ 42 5 沿空留巷巷旁支护对策及应用实例沿空留巷巷旁支护对策及应用实例 .................................................................... 43 5.1 沿空留巷巷旁支护方案沿空留巷巷旁支护方案 ........................................................................................................ 43 5.1.1 国内沿空留巷巷旁支护方案统计 ................................................................................. 43 5.1.2 巷旁支护方案适应性分析 ............................................................................................. 44 5.2 应用实例应用实例 ................................................................................................................................ 45 5.3 本章小结本章小结 ................................................................................................................................ 46 6 结论与展望结论与展望 ......................................................................................................................... 48 6.1 主要结论主要结论 ................................................................................................................................ 48 6.2 主要创新点主要创新点 ............................................................................................................................ 49 6.3 研究展望研究展望 ................................................................................................................................ 49 致致 谢谢 ....................................................................................................................................... 50 参考文献参考文献 ....................................................................................................................................... 51 附附 录录 ....................................................................................................................................... 55 A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 .................................................................................. 55 B. 作者在攻读学位期间获奖情况作者在攻读学位期间获奖情况 .............................................................................................. 55 C. 作者在攻读学位期间参加的科研项目作者在攻读学位期间参加的科研项目 .................................................................................. 55 D. 调查问卷调查问卷 .................................................................................................................................. 56 万方数据 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 引言 上世纪五十年代，沿空留巷技术开始引入我国，在应用过程中表现出很大的 优越性[1,2]。生产实践表明，沿空留巷技术可以明显提高煤炭采出率，延长矿井服 务年限；可以改变传统的 U 型通风方式，实现 Y 型通风，明显改善工作面生产环 境，较好地解决了工作面上隅角瓦斯聚集问题；对于高瓦斯多煤层开采矿井，可 以利用保留的巷道进行瓦斯抽采，防止煤与瓦斯突出，同时提高资源利用率；由 于少掘进一条巷道，明显减少了开采成本，还可使矿井采掘接替紧张问题得到缓 解。 随着煤层开采向深部延伸，巷道支护条件恶化。若留巷方式选择不当，易导 致沿空留巷巷道围岩变形量大、巷道返修工程量大以及维护成本高等问题，沿空 留巷适应性降低，主要表现如下 ①沿空留巷技术在适用性方面界限不清。一种沿空留巷技术可以适用于多种 地质条件，一种地质条件也可以适用多种沿空留巷技术。因此，存在沿空留巷技 术最优化问题。 ②影响沿空留巷的因素复杂。除了受地质条件影响外，还与矿井生产规模以 及机械化水平有关。对于小煤矿，煤炭产量小，经济效益低，不具备采用投入较 大的沿空留巷方案的条件。 ③沿空留巷技术试验周期长，对支护材料的质量要求高，需要增加巷旁充填 系统，导致工作面生产管理复杂，开采成本增加，而且不能保证应用效果。 ④沿空留巷巷道要经历多次采动影响， 对支护体强度要求较高。 若留巷失败， 影响正常生产。 本文针对目前沿空留巷技术实施过程中存在的问题，首先采用统计的方法， 广泛收集国内外已成功实施沿空留巷技术矿井的煤层地质资料，然后利用模糊综 合评判法，根据四川煤炭产业集团煤层赋存条件，选择影响沿空留巷巷道围岩稳 定性的主要因素作为评价指标，对下属矿井沿空留巷巷道适应性进行评价，根据 评价结果确定该煤层赋存条件下适宜的沿空留巷技术方案，增加沿空留巷方案选 择成功的概率。 该研究成果可以明显缩短沿空留巷技术试验周期， 减少试验成本， 有利于沿空留巷技术在该集团及类似条件的矿井中推广应用。 万方数据 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内外传统围岩分类研究现状 开展沿空留巷适用性研究，需要根据煤层地质条件及开采技术条件对沿空留 巷巷道进行围岩分类。围岩的物理力学性质受岩体强度、物质结构组成及结构面 发育状况影响。在工程实践中，可以根据岩体类型确定工程技术方案。因此，为 了便于工程设计与施工，有必要对工程岩体进行稳定性分类，作为工程可行性研 究、工程设计、施工技术参数选择及工程安全性评价的依据[3]。 通过工程岩体分类，可以方便判别工程岩体质量，但是由于岩体是一个复杂 系统，任何一个因素在特定的条件下，都可能是主导因素，而且各个评价体系自 身也存在一定的局限性，导致评价结果与实际不相符[4]。随着人们对岩体质量认识 的深入，在了解现有围岩分类方法的基础上，运用数学方法，如模糊理论、分形 理论、可拓理论等建立统一的岩体质量评价体系是工程岩体分类的必然趋势[5]。 根据围岩分类方法涉及的因素及分级指标， 将传统围岩分类方法分为 4 类[6,7]。 ①单因素岩性指标分类 单因素岩性指标分类常用于为了某种特定目的而进行的分类条件中，如在确 定钻眼功效或炸药消耗量时，根据岩石的抗钻性或抗爆性进行分类。 1907 年，俄国学者 M.M.普洛托尼亚科诺夫提出了普式分级法。根据岩石的坚 固性系数f对岩石进行分类。f 的表达式如式（1.1） 。 10 c R f  （1.1） Rc表示岩块的单轴抗压强度，不能代表岩体的强度特征。除此之外，该分类 方法只考虑单一因素，忽略了原岩应力、结构面等因素的影响，导致应用过程中 存在很大的局限性。目前，基本上不采用单因素岩性指标分类法。 ②多因素指标分类 该分类方法考虑了原岩应力、围岩强度、岩体结构特征和地下水等主要影响因 素，相对单一因素围岩分类方法有了明显的改进。普遍应用在我国缓倾斜、倾斜 煤层工作面顶板稳定性分类。 ③多因素单一指标围岩分类 多因素单一指标围岩分类的特点是评价指标单一，但是指标是多个因素综合 作用的结果，且指标易获取，能够定量描述围岩特征。常用的多因素单一指标围 岩分类方法有 RQD 分类、岩体完整性分类等。 1） 岩石质量指标 （RQD） 分类。 岩石质量指标分类是由笛尔在 1964 年提出的， 该指标能够反映岩体的破碎程度和岩石的软硬程度。该分类方法是用钻探时岩芯 的完好程度来衡量岩体的质量，作为岩体分类的依据。岩石质量指标（RQD）可 万方数据 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 以表述为钻孔内长度在 10cm 及以上的岩芯累计长度占钻孔总长度的百分比[8]，计 算公式如式（1.2） 。 10cm10cm 100RQD  以上（含）岩芯累计长度 钻孔总长度 （1.2） 根据RQD将岩体等级分为五类，分类级别见表 1.1， 表 1.1 岩石质量指标 Table 1.1 Index of rock quality 分类 很差 差 一般 好 很好 RQD 90 2）岩体完整性程度分类（Kv） 。当岩体完整性系数小时，围岩稳定性差；当岩 体完整性系数接近 1 时，围岩稳定性好。岩体完整性系数能够在一定程度上反映 围岩稳定性程度。岩体完整程度划分如表 1.2。 表 1.2 岩体完整程度划分 Table 1.2 The degree of complete rock mass Kv 0.75 0.75-0.35 0.55-0.35 0.35-0.15 0.75 0.75-0.35 0.55-0.35 0.35-0.15 550 Ⅱ 坚硬岩，岩体较完整；