大倾角煤层回采巷道围岩变形特征与支护参数研究.pdf

论文题目大倾角煤层回采巷道围岩变形特征与支护参数研究 工程领域矿业工程 硕 士 生祁小虎 （签名） 指导老师索永录 （签名） 摘 要 江仓矿区位于青海省西部的祁连山南麓高原地区。 本文以江仓矿区娘姆特煤矿为研 究对象， 运用理论分析和计算机数值模拟等方法， 通过现场工程调查和室内测试等手段， 在分析研究首采工作面回采巷道围岩变形破坏机理的基础上， 提出适合于现场工程地质 条件的大倾角煤层回采巷道围岩控制对策和支护技术， 并将理论研究成果应用于现场工 程实践，取得了良好的效果。 首先实测了回采巷道围岩的力学参数， 分析大倾角煤层巷道在开挖过程中的受力状 况，估算其在巷道开挖后的位移方向和破坏形式，初步确定了回采巷道围岩的变形和破 坏特征，据此提出了与之相对应的支护方式。在此计算的过程中，着重考虑煤层倾角对 巷道围岩的影响。其次，主要针对回采巷道围岩的角度和受力特点，分区域布置锚杆， 选择合理的锚杆和锚索的间排距、长度以及强度，并结合煤层倾角、煤层受力特点及应 力集中程度，对所布置的锚杆进行受力分析，对锚杆的布置角度和预紧力进行调整，以 使其更加符合煤层的实际情况， 运用计算机数值计算分析方法对制定的支护方案进行模 拟研究，找出其中的薄弱环节，结合理论计算和计算机模拟结果，对支护方案再次进行 优化，以期达到最佳的支护效果。最后，将支护方案应用于现场实践，同时对回采巷道 的围岩进行监测，验证修正后的支护方案的可靠程度。 关 键 词大倾角煤层；回采巷道；围岩变形特征；支护参数；数值模拟 研究类型应用研究 万方数据 Subject Study on Deation Characters and Support Parameters of Large Angle seam Roadway Rock around Specialty Mining Engineering Name Qi Xiaohu （（Signature）） Instructor Suo Yonglu （（Signature）） ABSTRACT Jiangcang mine is located in the western Qinghai plateau in Southern Qilian Mountains. Taking Jiangcang Coal Mine Mother Willamette for the study, theoretical analysis and computer simulation and other s, through field investigation and laboratory testing and other engineering means, on the basis of the first Mining Face roadway deation mechanism analysis and research on proposed site is suitable for engineering geological conditions of large dip angle coal seam extraction roadway control measures and supporting technologies and theoretical research results in the field of engineering practice, and achieved good results. First we measured the roadway surrounding rock mechanics parameters analyzed in deep inclined seam roadway excavation process may stress condition, estimate the possible direction of displacement and destruction in the of tunnel excavation in which, initially identified roadway rock deation and failure characteristics, thus proposed with the corresponding support ways. In the process of this calculation, the important consideration seam dip effects on surrounding rock. Secondly, the main choice for the angle roadway rock and mechanical characteristics, sub-regional arrangement anchor, choose between reasonable and anchor bolt row spacing, length and strength, combined with seam inclination, seam stress characteristics and stress the degree of concentration of the bolt arrangement stress analysis, the angle of the arrangement and bolt preload is adjusted to make it more in line with the actual situation of the coal seam, the use of computer numerical analysis to support program development will be Simulation studies to find out the weak link, combined with theoretical calculations and computer simulations, to support programs to optimize again, to achieve the best supporting effect. Finally, the support scheme to the field practice, while the surrounding rock roadway to monitor, verify the reliability of the revised support scheme. 万方数据 Key wordsSteep Seam； Mining Roadway； Surrounding rock deation characteristics； Supporting arguments；Numerical simulation. Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 .......................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................................................... 2 1.3 研究的内容 ............................................................................................................................................. 5 2 巷道基本条件及变形特征 ..................................................................................................... 7 2.1 矿井概况及地质特征 .......................................................................................................................... 7 2.1.1 矿井概况 .......................................................................................................................................... 7 2.1.2 回采巷道布置 ................................................................................................................................. 8 2.2 巷道围岩分析 ........................................................................................................................................ 8 2.2.1 工作面及煤层概况 ....................................................................................................................... 8 2.2.2 回采巷道围岩结构观察 .............................................................................................................. 8 2.2.3 回采巷道围岩力学特征 .............................................................................................................. 9 2.3 巷道围岩变形特征与破坏机理分析 ............................................................................................ 10 2.3.1 巷道围岩应力分析 ..................................................................................................................... 11 2.3.2 巷道围岩变形特征与破坏机理 ............................................................................................. 14 2.4 本章小结 ................................................................................................................................................ 15 3 主要支护参数方案分析 ....................................................................................................... 16 3.1 围岩破坏范围估算 ............................................................................................................................. 16 3.1.1 估算巷道围岩塑性区的破坏范围 ....................................................................................... 16 3.1.2 支护参数分析 .............................................................................................................................. 18 3.2 锚杆布置方式及受力分析 .............................................................................................................. 20 3.2.1 锚杆布置方式 ............................................................................................................................... 20 3.2.2 锚杆受力分析 ............................................................................................................................... 21 3.3 本章小结 ............................................................................................................................................... 24 4 围岩应力应变特征数值计算分析 ....................................................................................... 25 4.1 FLAC3D的基本理论思想 ................................................................................................................. 25 4.2 数值模拟参数及模型的建立 .......................................................................................................... 26 4.3 回采巷道支护计算方案对比分析 ................................................................................................ 28 4.4 掘进支护效果 ...................................................................................................................................... 29 4.4.1 围岩应力分布特征 ..................................................................................................................... 29 4.4.2 围岩位移分布特征 ..................................................................................................................... 32 万方数据 目录 II 4.4.3 锚杆受力及位移 .......................................................................................................................... 37 4.5 支护方案确定 ...................................................................................................................................... 40 4.6 本章小结 ................................................................................................................................................ 42 5 结论 ....................................................................................................................................... 43 致 谢 ........................................................................................................................................ 45 参考文献 .................................................................................................................................. 46 附 录 ........................................................................................................................................ 50 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 江仓矿区位于青海省西部的刚察县，位于祁连山南麓的高原地区，是典型的高原大 陆型气候，矿区所在地区海拔高度位于 3720m3990m 左右，常年平均气温介于-4.2℃ 5.1℃之间，在地表 1.0m1.5m 下是厚度约为 30m70m 的多年永久冻土层。 娘姆特煤矿的开拓方式为阶段斜井上山开拓，全矿井目前布置了主井、副井和风井 三条斜井，共划分为四个上山阶段开采，采用石门多煤层分组联合布置采区[1]。娘姆特 煤矿的井田南北走向约为 1.79km、东西跨度约为 3.39km，井田面积约为 6.29km2。娘姆 特煤矿共计有 12 层煤层可采，这 12 层煤大多为大倾角的薄煤层、中、厚煤层。娘姆特 煤矿共计拥有约2.12亿吨的煤炭资源储量， 年设计生产能力为120Mt/a， 服务年限约67a。 首采工作面开采的20号煤层赋存条件极为复杂，在娘姆特煤矿井田范围内，20号 煤层被逆冲断层F16截为两段， 位于断层下盘的20号煤层几乎平行于主副井筒， 但略低于 主副井筒所在的平面，角度变化也较为平缓。位于断层上盘的20号煤层受断层及构造应 力影响，角度复杂多变，总的趋势是从浅部平缓的倾角向深部逐渐变陡。在靠近逆 冲断层处，20号煤层近似水平，随着离断层距离加大，20号煤层的角度逐渐增大，整体 上形似一开口向下的二次抛物线右半部分，在勘探区内煤层的倾角变化又显现出一 定规律，在勘探线27-29间倾角稳定但是相对较陡，20号煤层的倾角基本集中在 33 38 之间；再往深部又有一部分煤层的倾角集中在43 47 之间，其余的大部分 则集中于49 52 之间。在走向方向上煤层的产状和结构亦受逆冲断层F16的影响，次 要影响因素则是紧邻逆冲断层的单背斜构造。通过已有的地质资料可知，位于首采 工作面的20号煤层受上述构造的影响严重，煤层倾角大而且多变，煤质松软破碎， 构造应力和地质条件极为复杂，这都给巷道支护工作造成很大困难。 国内外矿业领域的学者对大倾角煤层进行了大量研究。 目前对大倾角煤层基础力学 相关方面的研究不多。在岩体中有诸多因素影响其强度，如岩体中的微裂隙、矿物的解 理面、粒间空隙等 。其中层理面对岩石的力学性质有很大的影响，在大倾角煤层中， 层理面受重力作用后将产生两个方向的变形和位移，在回采巷道开挖后，这一变形将更 加明显，而且更加复杂。只有在水平煤层的巷道围岩中，巷道受力才会呈现出近似对称 的趋势；在大倾角煤层中，重力可以沿煤层走向和垂直煤层平面进行分解，进而影响回 采巷道围岩的变形。而在地下深处，水平应力往往大于竖直应力，水平应力因地心引力 而产生， 但受煤层倾角影响后， 水平应力的方向和大小亦不同于水平煤层中方向和大小。 这说明巷道侧帮岩体的受力亦不平衡对称， 这种不对称的受力特点有可能导致岩体中沿 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 层理方向的变形移动和垂直煤层方向的挤压断裂。 上述这些破坏形式在进行采煤工作时 将更加明显，尤其是当回采巷道处于应力峰值区域的时候，这都给支护工作带来了很大 的困难。 解决娘姆特煤矿回采巷道支护难题，对整个煤矿的安全生产有重大意义。 1.2 国内外研究现状 国内外矿业界的学者对大倾角煤层和巷道支护进行了大量研究。自 1960 年开始， 前苏联的科学家们就开始了对大倾角煤层普通机械化采煤相关方面的研究， 主要成果有 适用于大倾角煤层的采煤机、各类支护设备的研制，此外，对大倾角煤层的开采工艺进 行了统化地研究和探索。之后有德国、英国、乌克兰等国对大倾角煤层的开采进行了细 致和卓有成效地研究，取得了许多成果[2-8]。其中，前苏联的研究人员对采煤过程中大 倾角煤层及其围岩中的矿山压力进行了分析研究，包括对顶板、底板的分类，对顶板、 底板的破裂和位移情况的观测分析，并研制出相对应的装备为安全生产服务。英国科学 家在研究大倾角煤层采煤过程中研发了一种防倒、防滑、可弹性伸缩的支架，这种轻巧 的支撑式支架可以很好地适用于大倾角煤层的采煤工作面中。德国人则在防倒、防滑、 可弹性伸缩的支架之间配置了充气袋，以预防矸石垮落对工作人员的伤害。印度科学家 为解决大倾角煤层开采过程中的种种难题，研发了掩护式支架和相配套的采煤机，这种 柔性的支架可以很好地适应于开采角度较大的煤层[9-15]。 尹光志等在现场实践和独创模拟实验的基础上， 细致研究了大倾角煤层在采煤工作 过程中表现出的复杂规律，归纳认为随回采工作进行，大倾角煤层围岩的矿压在倾斜煤 层的上覆岩层中从低到高表现为逐渐减小的趋势。在距回采工作面约 3.6m13.0m 的煤 层中， 煤层所受压力达到最大值， 煤层所受压力极大值的范围约为 8.0m10.4m 不等[16]。 赵元放等在进行了观测和模拟了大倾角煤层的采煤工作后，结合现场实际情况，认 为大倾角煤层围岩的矿压在倾斜煤层的上覆煤层中从低到高表现为逐渐减小的趋势， 但 是在回采工作面的底板中则表现为与顶板完全相反， 在采煤工作面的两端的围岩变形量 极大。工作面每向前推进约 10.0m14.9m，采煤工作面上方的岩层压力显著增大，之后 又逐渐恢复正常。 在回采工作面前方约 45m 的巷道， 可以观测发现采煤工作对巷道的轻 微影响；在回采工作面前方约 30m 的巷道，可以观测发现采煤工作对巷道的明显影响； 在回采工作面前方约 17m 的巷道，可以观测发现采煤工作对巷道的影响比较剧烈[17]。 辛亚军等通过理论分析，针对大倾角煤层的运输巷道建立了力学稳定性方程，运用 耦合连续支护的思路和方法，研究得出在大倾角煤层的采煤工作中，回采巷道的顶板比 较容易失稳，有诱发巷道围岩破坏灾变的可能性，而顶板岩层的结构性破坏大多从弧状 弯曲开始，且顶板岩层中离层的高度越大，越容易引发破坏；而回采巷道左右两帮肩角 处亦不稳定，容易发生剪切破坏；关键部位的重点支护可以阻止巷道围岩的变形破坏， 万方数据 1 绪论 3 防止围岩中的松散岩体进一步分离，有效地保持了回采巷道的完整结构；如果巷道围岩 遭到破坏，原有的应力传递体系即破坏，又将出现新的应力集中区域，良好地支护可以 很好地保护这一体系[18]。 西安科技大学伍永平教授的团队系统地研究了大倾角煤层开采的问题， 针对采煤引 起的动压方面，他们认为在大倾角煤层的回采过程中，巷道围岩受到的振动位移更加 活跃，在巷道顶板岩层中存在着多级阶梯状的岩体结构，这种结构对回采巷道的围岩稳 定有着重要作用[19-22]； 在大倾角煤层的回采过程中， 周期来压的强度呈逐渐增大的趋势， 但是周期来压的距离却呈逐渐减小的趋势[23-26]。在大倾角煤层的采煤过程中，巷道围岩 的应力在受扰动后将重新分布， 由于煤层角度较大， 重新分布后的应力类似一壳形结构， 覆盖在采煤工作面和回采巷道上方，在工作面上端头，壳形应力结构的曲线弧度较大， 表明在上端头处出现了应力集中且变化剧烈，而在下端头处则较为平缓[27-29]。 对锚杆支护相关方面的研究众多， 支护理论大体有以下几种 锚杆组合梁悬吊理论、 锚杆减跨作用理论、锚杆加固围岩的弹塑性理论、巷道围岩最大水平应力理论、巷道围 岩的松动圈理论。最近几年国内对锚杆支护的研究更趋细致，进行了诸多探索和实践， 取得了大量成果。 索永录等研究了大倾角煤层回采巷道的支护难题后认为 回采巷道应采用顶部轻微 呈拱形的矩形断面巷道，为避免出现应力集中，左右肩角处应采用圆角形式进行过渡。 在回采巷道开挖初期末进行支护时，巷道壁围岩易出现沿煤层层理方向的片落和松动， 实为施放缓解应力集中现象，并沿着煤层层理方向向周围岩体深处扩展；在大倾角煤层 中回采巷道的变形呈现不对称的形态，如锚杆与煤层层理间的夹角过小，往往不能很好 地发挥应有的锚回效力[30]。 朱衍利等研究了杜家村煤矿大倾角煤层回采期间的矿压规律后认为 在回采巷道开 挖后进行采煤工作时，顶板煤层的变形范围为 10 倍的巷道高度以上，而在巷道左右侧 帮处， 水平变形的范围为 2 倍的巷道宽度， 回采巷道围岩中的层理和弱面得到充分发展。 在大倾角煤层中回采巷道开挖初期的变形规律与一般巷道的特征相似， 但是在成巷 3 个 后变形量显著增大，表现出很大不同。在大倾角煤层中采用带圆拱的矩形巷道并采用锚 杆、锚索和金属网联合支护可以很好地强化围岩强度，控制围岩的变形破坏效力[31]。 谢生荣等研究了高预紧力锚杆，考虑到高预应力锚杆与周围岩体的相互作用，比如 变形、位移和破坏等，提出安装足够多的锚杆，给予锚杆高预紧力，使受锚杆产生的应 力区域相互重合，形成一类似预应力加固拱的结构，从而提高回采巷道围岩的强度。此 外，用钢筋网和滞后注浆技术，进一步加固强化高预应力锚杆与周围岩体所形成的加固 拱的结构。这一系列措施可以有效阻止回采巷道围岩中的弱面继续发展扩大，甚至对巷 道周围岩体中的裂隙等可以起到很好的压合作用[32]。 张向阳等针对煤层大倾角的地质条件， 用相似模拟实验分别研究了在倾角为 0 、 30 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 和 45 的煤层中挖掘回采巷道，然后采用锚杆支护，观测不同倾角、不同支护强度下回 采巷道周围岩体受力特征、变形和破坏特征以及锚杆的受力状态、位移和变形特征。研 究认为 煤层倾角越大， 在开挖后回采巷道围岩就越不稳定， 越容易出现应力集中现象； 而巷道两帮岩体中的应力则与之相反，呈缓慢减弱趋势[33]。 范明建等研究了开挖在褐煤矿区胶结砂中的回采巷道周围岩体变形量大的问题， 在 测量岩体力学参数的基础上提出了在回采巷道中采用强预应力承压拱的支护技术， 即在 巷道开挖后采用高预应力锚杆及时支护，同时用锚索和金属网补充支护，促进巷道围岩 中的集中应力有效扩散。这种支护措施使回采巷道围岩整体收敛率控制在 3以内；巷 道两帮围岩相对移近量最大为 55mm，顶底板围岩相对移近量最大为 38mm[34]。 刘学生等利用混沌算法对回采巷道周围岩体的变形和位移进行了研究。 首先观测巷 道两帮围岩的位移，结果表明回采巷道两帮岩体的变形过程复杂而又剧烈，混沌程度极 度；研究认为回采巷道围岩的变形是递进的，对其适应性较好的是非线性动力学方程， 巷道顶板和底板的位移变形与侧帮相似，均可以用基于 Lyapunov 指数的的混沌算法进 行研究；在此基础上，对回采巷道围岩进行有针对性的补强支护，取得良好效果[35]。 张镇等研究了不同预紧力的锚杆和不同预紧力的锚索对回采巷道围岩的控制效果， 在分析锚杆和锚索组合支护的情况下，给予它们不同大小的预紧力，观测回采巷道围岩 表面的位移情况；结果表明，锚杆和锚索在预紧力的作用下，它们对巷道围岩产生的应 力区域的范围相互叠加，该应力叠加区域随锚杆和锚索的预紧力的增大而相应增加，锚 杆和锚索的预紧力对巷道周围岩体的作用又具有相互平衡的作用， 对周围岩体应力区域 的影响表现为此消彼长；对于预紧力合理的施加范围，锚杆的应该介于 300 Nm～ 400Nm，而锚索的应该介于 200 kN～300kN；锚杆和锚索合理的预紧力组合可以更好地 控制回采巷道围岩的变形[36]。 余伟健等在观测了半煤岩回采巷道周围岩体的变形特征之后，经过理论分析，认为 在回采巷道开挖后，巷道周围的岩体在采煤工作的扰动下裂隙逐步发育，由此产生的叠 加效应使岩体体积逐步膨胀，除巷道顶板外，其余部分的岩体将承受更多的力，有可能 导致围岩的流变现象。在此基础上，提出了以锚索、锚杆、金属梁和槽钢为主的联合支 护技术。为解决巷道侧帮岩体的流变现象，在桁架和钢梁上设计了可以使槽钢紧贴煤壁 的反扣装置；上述方法虽然成本较高，但是能稳妥提高回采巷道围岩的稳固性[37]。 蒋力帅等进行回采巷道支护工作时，通过探测分析巷道周围岩体的结构，把复合型 顶板具体分为软弱型、坚硬型、下软上硬型、下硬上软型、软硬渐进型、硬软相间型以 及软硬相间型 7 个类型，并针对不同的强度类型提出了相对应的支护方式和具体参数。 由于锚杆和锚索的支护效果存在不协调现象，于是对支护后的效果进行了评价，建立了 三类隐患评价分级，针对不同的薄弱环节提出了相应的改进措施[38]。 黄庆享等认为回采巷道在开挖后， 周围的岩体中包含着易垮落岩体和处于极限平衡 万方数据 1 绪论 5 状态的岩体，从而形成了新的平衡结构自稳平衡拱；推导出了回采巷道围岩处于极限应 力平衡状态时的力学方程，为支护工作提供了理论依据；研究认为回采巷道的围岩中应 力沿顶板、侧帮和底板依次向下传递，是相互影响的，任何一个薄弱环节的损坏都会影 响巷道周围岩体的整体的稳定性；在实际布置锚杆的过程中要求放射状布置，同时要均 布，垂直巷道壁布置[39]。 张钦祥等认为已经支护好的回采巷道在采煤工作面生产期间， 以采用锚杆和锚索为 主进行支护的巷道围岩难以抵抗因回采工作引起的应力波动，抵抗变形的能力有限，有 发生垮落破坏的可能性，因此有必要进行补充支护，以使回采巷道的围岩的采动影响时 保持稳固。在第二次支护时，为适应巷道围岩大变形、高应力的状态，采用可接长的锚 杆和锚索。 研究认为分批次进行巷道支护的策略很好地应对了回采巷道周围岩体所受应 力波动规律，又减少了巷道掘进工作在集中支护所消耗的时间，提高掘进速度[40]。 黄晓炎等认为在大倾角煤层中开挖回采巷道后， 周围岩体中的应力呈不对称分布状 态，而在巷道的两个上肩角处，更容易产生应力集中，有发生剪切破坏的可能，而针对 巷道围岩中应力以及破坏的不对称性，采取不对称的支护方式。使用锚索补强上述支护 方案，在薄弱环节使用金属钢梁和金属网加强支护，取得了非常好的效果[41]。 蔚振廷等利用 Matlab 软件建立 BP 人工神经网络模型，成功地对巷道围岩稳定性 进行系统的分类；研究认为采区巷道围岩的稳定性分为五种类型①极稳定、②稳定、 ③较稳定、④不稳定、⑤极不稳定[42]。结合分类指标四原则，确定了 11 个巷道围岩稳 定性分类指标顶板强度、煤层强度、底板强度、埋深、煤层倾角、巷道宽度、巷道高 度、直接顶与采高比、护巷煤柱宽度、地下水正常涌水量、直接顶初次垮落步距[43]。研 究认为在大倾角煤层回采巷道的支护工作中， 支护系统除了满足巷道围岩初期的变形控 制要求，还要能够承受住后期采煤工作时面临的峰值应力，避免大的变形[44]。 1.3 研究的内容 针对娘姆特煤矿回采巷道掘进期间支护中遇到的问题和已有的研究成果， 在青海江 仓矿区娘姆特煤矿的工程实践基础上，广泛查阅、收集资料，利用计算机数值模拟和力 学分析等方法，研究回采巷道的变形规律和支护参数。主要对以下几个方面的内容进行 研究 （1）大倾角煤层回采巷道围岩变形破坏特征分析。首先对开挖后的回采巷道周围 的岩体进行受力分析，分析其薄弱环节。主要考虑回采巷道顶板竖直方向的位移和变形 与巷道宽度的数量关系； 巷道顶板左右肩角处的应力集中程度和可能发生的剪切破坏与 煤层倾角及巷道宽度的关系；巷道侧帮煤体变形、应力状态与煤层倾角及巷道高度的关 系。在力学分析的基础上，确定回采巷道顶板、底板、左右侧帮各区域的主要受力形式、 应力集中区域和可能的位移方向；考虑岩体变形和位移的叠加效应，推导巷道围岩可能 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 的破坏形式。 （2）大倾角特厚煤层中回采巷道锚杆、锚索支护技术的研究。在明确回采巷道围 岩的应力状态、位移变形趋势、应力集中区域和可能的破坏形式的基础上，研究回采巷 道顶板、侧帮和肩角处各自适合的支护