大淑村矿2#煤层回采巷道支护技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目大淑村矿 2煤层回采巷道支护技术研究 英文题目英文题目Study on support technology of 2 coal mining roadway in Da Shu Cun Coal Mine 学位类学位类别别工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名王学浩学号学号2014022471 学科学科领域领域名称名称矿业工程 指导教指导教师师郝长胜职称职称教授 协助指导教协助指导教师师李擎职称职称讲师 2016 年 6 月 12 日 分类号分类号TD353TD353密密级级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 随着开采强度的增加，浅部煤炭资源已近匮乏，国内煤矿相继进入开采深部资源的 大形势。这也就意味着巷道要布置在更深的地下，国内已有部分煤矿采深达到千米，更 多的煤矿处在 600m800m 的采深。在如此大的采深下，地应力显现更为复杂，地质构 造错综复杂，这些都增大了深井巷道支护的难度。针对这一难题，沿空掘巷锚网索支护 能够很好的给出答案，经过国内学者多年研究实践，沿空掘巷锚网索支护技术已经相当 成熟，并且取得了良好的支护效果。 本文主要探讨了在综采放顶煤沿空掘巷条件下，回采巷道的支护技术研究，通过理 论分析结合矿井实际情况的方法，提出包括矿井原支护方案在内的四种支护方案，并对 每种支护方案进行了支护效果的模拟和对比，最后通过支护成本的对比，选出最佳支护 方案。 论文在对大淑村矿矿井资料整理分析的基础上，结合理论分析，总结出该矿巷道变 形破坏的机理和原因，总结得出该矿原支护体系无法适应高采深、高地应力环境对支护 构件的挤压作用，导致巷道在掘进初期就变形严重；此外，巷道布置方式也存在很大的 问题，沿煤层底板布巷导致巷道顶板为厚约 1m 的松软煤层，在高地应力条件下支护力 度无法有效传递到直接顶处；另外，在回采过程中，由于巷道直接顶硬度较低，随回采 工作面推进及时垮落。老顶质地坚硬，在工作面推进40m 左右后初次发生弯曲旋转，对 工作面附近巷道产生挤压，巷道顶板的这一特殊情况对沿空巷的稳定性形成一定影响。 由此提出沿顶板布巷和沿底板布巷两种巷道布置方式， 以及U 型钢支护和锚网索支护两 种支护形式， 组成的四种支护方案，并运用FLAC3D 数值模拟软件对每种支护方案进行 了支护效果模拟和对比，结果显示沿顶板布巷锚网索支护巷道顶底板移近量为 20.024.3cm，两帮移近量为 20.022.7cm，巷道断面积为设计断面积的 88.0389.90， 能够很好的控制巷道的变形。最后通过 U 型钢支护和锚网索支护的成本对比，确定出最 优支护方案为沿顶板布巷锚网索支护。 关键词沿空掘巷；锚网索支护；数值模拟 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract With the increaseof mining intensity，resourcesin shallowcoal seam has been pinched， domestic coal mines have entered a situation of high mining depth．This also means that the roadway should be arranged in the deeper underground，many of the domestic coal mining depth have reachedkilometers，morecoalmining in the depthof600m800m．In such a high mining depth， ground stress appearsmore complex， geological structureis also morecomplex， which increased the difficulty of the deep roadway supporting．Aiming at this problem， bolt-mesh-anchor support in the situation of gob-side entry driving can give a good answer， after years of research and practice under the scholars of domestic and abroad ， bolt-mesh-anchor support in the situation of gob-side entry driving technology has been quite mature，and achieved goodsupporting effect． This paper mainly discusses the extraction roadway supporting technology research in the condition ofcomprehensive mechanized coalmining gob-sideentry driving． By thes of theoretical analysis in combinationwith the practical situation ofthe mine，bring up four kinds of supporting schemes including the mine original support scheme ．Comparing with the simulation ofeach supportscheme andthe supporting effect.At last， by contrast， the supporting costchoosesthebest supporting scheme． This paper on the Da Shu Cun coal mine based on the analysis of the data compilation， combined with theoretical analysis． Summarizes the reason andmechanism ofdeation and failure supporting of the mine roadway．Conclude that the original supporting system of the mine cannot adapt to high mining depth，high ground stress environment for the extrusion of supporting artifacts．In the cause of deation during roadway drivage is serious．In addition， thereis a big problem in thearrangement ofroadway too． The roadwaydriving along the coalfloorleading tofor about1m thick soft coalseam in the roof．The supporting strength cannot transfer to the immediate roof in high crustal stress conditions．In addition，in the process of mining，due to the poor lithology of the direct roof ofroadway hardness，it will be caving in a timely manner with the working face advancing． Otherwise， thebasic roofis hard， 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III it occurred first bending rotation about 40 m after the working face advancing．This will has a squeeze effect on the roadway near the working face．This special cases of the roadway roof ed a certain influenceto the stability of the roadwayalong the gob．Thus putsforwardtwo kinds of roadway arrangement that driving along the roof and driving the floor.And two kinds of supports that U steelsupport and anchornet support．Theseconsisting offour kinds of supporting schemes． Simulating and contrast the supporting effect ofeach support scheme with FLAC3D numerical simulationsoftware． Results showthat the relative movement ofthe roof and floorwas 20.024.3 cm and two-sided displacement was 20.0 22.7 cm with cable anchor supporting under the condition of driving along the roof．The roadway area became 88.03 89.90 compared with the design area．This scheme can control ofroadway deation very well． Finally， choosethe optimal supporting scheme compared with the costof U steelsupport and anchornetsupporting． Key wordsGob-sideentrydriving；Bolt-mesh-anchorsupport；Numerical simulation 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 目目录录 摘要................................................................................................................................I Abstract.............................................................................................................................. II 1 绪论...................................................................................................................................1 1.1 问题的提出.............................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.....................................................................................................2 1.2.1 国内研究现状..............................................................................................2 1.2.2 国外研究现状..............................................................................................7 1.3 论文研究内容和方法.............................................................................................9 1.4 论文研究路线.......................................................................................................10 2 矿井概况.........................................................................................................................11 2.1 井田概况及工作面地质构造................................................................................11 2.2 矿井原支护方案分析...........................................................................................15 2.3 本章小结.............................................................................................................. 16 3 巷道变形破坏机理..........................................................................................................18 3.1 变形与破坏的主要因素.......................................................................................18 3.2 掘巷围岩变形特征...............................................................................................20 3.2.1围岩的力学环境.........................................................................................20 3.2.2 综放沿空巷破坏类型................................................................................21 3.3 上覆岩层结构和力学模型...................................................................................22 3.4 本章小结.............................................................................................................. 24 4 巷道布置方式及支护设计..............................................................................................25 4.1U型钢支护设计....................................................................................................25 4.2 锚网索支护设计...................................................................................................25 4.2.1 支护形式选择............................................................................................25 4.2.2 支护参数理论计算....................................................................................26 4.3 本章小结.............................................................................................................. 33 5 支护效果模拟及支护成本对比.......................................................................................34 5.1 数值模拟软件介绍...............................................................................................34 5.2 模型的建立...........................................................................................................35 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 5.3 参数赋值及采空区开挖.......................................................................................35 5.4 巷道开挖与支护模拟...........................................................................................39 5.4.1 沿底布巷....................................................................................................39 5.4.2 沿顶布巷....................................................................................................47 5.5 支护成本对比.......................................................................................................55 5.6 本章小结.............................................................................................................. 56 6 主要结论与展望..............................................................................................................58 6.1 主要结论.............................................................................................................. 58 6.2 存在问题及展望...................................................................................................58 参考文献.............................................................................................................................60 在学研究成果.....................................................................................................................65 致谢..............................................................................................................................66 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1 - 1 绪论绪论 1.1 问题的提出问题的提出 近年来，随着国家对环境保护的重视以及能源转型的发展等等原因，煤炭行业陷入 阶段性低迷状态。尽管如此，在接下来的很长一段时间内，煤炭的消耗依旧占据着我国 一次性能源消费的主要地位，下图 1 为 2015 年我国和世界一次能源消费所占比重示意 图。由图可知，我国对煤炭资源的依赖还是很大。在这种形式下，如何构造高效、高产、 低成本的采煤系统成为一个煤矿生存的关键问题。 图12015 年中国和世界一次能源消费比重 我国煤矿地质条件总体来说，除西北部少部分矿区地质构造简单外，东部矿区地质 构造普遍复杂。有数据表明，近年来随着开采强度的不断增加，全国煤矿年下延平均速 度达到 815m，中东部矿区年下延速度更是高达 1025m，许多矿井进入深部开采。以 深部井工开采为主将构成中国煤矿下一步开采的主要特点，而巷道是煤矿安全稳定高效 开采的基础。据统计，我国煤矿巷道如岩巷、煤巷、半煤岩巷每年掘进量已经超过 25000km，其中煤层巷道所占比例为 75以上，并呈现逐年递增的趋势[1]。 目前国内大部分煤矿属于井工矿，而现在的井工煤矿巷道又以煤巷居多，我国煤矿 的地质条件相较于外国煤矿的来说相对较复杂，煤层所在位置的围岩物理性质较差，另 外煤巷的一个显著特点就是围岩岩性破碎、松软、自稳能力差等，所以提高煤巷围岩自 稳能力成为解决其支护问题的关键。近年来，随着煤矿开采深度的增加，地质构造的复 杂程度也随之增大，由此引发的顶板弯曲下沉、底板鼓起等问题，增加了巷道支护工作 的难度，因此巷道支护工作的重要性越来越突出。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2 - 传统的工字棚、U 钢等被动支护无法提供足够的支护力度，受采动影响支护构件严 重变形，不能继续使用。作为一种重要的普遍推广应用的支护方式锚网索支护技术，能 满足控制巷道变形所需要的支护力度，其重要性日益凸显。 尽管锚网索支护技术在很多矿区推广应用，但是部分矿区仍然采用的是拿来主义， 仅仅依靠简单的借鉴行为，把支护技术成熟矿区的支护模式统统照搬过来，没有成套的 支护理论和技术支撑，更没有对巷道进行严格意义上的破坏分析，锚杆支护技术的优越 性得不到充分体现。尽管锚网索支护技术的推广应用存在这样的问题，这种支护技术仍 然以其优越的支护效果被广泛认可。随着浅部资源的匮乏，煤矿相继进入开采深部资源 的状态， 开采强度随之增加， 部分矿区为了满足产量的要求也会设计更大断面积的巷道， 这些地质条件都使棚式支护、型钢支护等传统支护方式的缺点暴露无遗。如果仍然采用 传统的支护方式进行现阶段煤矿巷道的支护，必然无法满足煤矿安全高效的生产。因此 锚网索支护技术会在深井巷道支护中起到至关重要的作用。 大淑村矿 2煤层巷道主要以摸底 U 钢支护为主，这种支护方式存在几点不足巷 道埋深约 600m，地应力高，U 钢支护不仅存在施工困难、劳动强度大的缺点，而且支 护效果差，巷道在完成掘进和支护后就出现收敛变形、底鼓等问题，甚至在掘进工作面 前方进行支护过程中，工作面后方的 U 钢就变形达不到安全生产的要求，为了保持巷道 断面积，该矿不得不边掘进边卧底，严重影响了掘进速度、运输及人员安全。巷道在过 防突地区、构造应力区时，其支护效果更差，在不到 1 个月的时间内，U 钢断面积已达 不到原设计规格的 50％，只得停止迎头掘进进行整修，因此摸底 U 钢支护形式已不能 适应掘进要求。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国内研究现状国内研究现状 针对论文研究内容涉及到的理论和技术，本节主要阐述了沿空掘进巷道支护技术、 综采放顶煤采煤工艺条件下两种巷道布置方式，即沿煤层底板掘进和沿煤层顶板掘进， 通过总结概括多位国内学术大家的研究成果，介绍论文主要研究对象和意义，对论文撰 写提供了思路和启发。 近年来，国内学者对沿空掘进巷道的支护技术进行了深入的研究，并获得了弥足珍 贵的成果和经验。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3 - 侯朝炯等[2]通过研究认证提出了综采放顶煤工艺情况下沿空掘巷的围岩存在一种 大、小结构，并且两种结构之间会出现一种稳定性的原理，他认为随着综放工作面的推 进，老顶在一定距离内垮落，这种垮落形式让老顶产生有一定弧度的岩块，称之为关键 块 B。随着上区段回采工作面的推进，老顶会在下一阶段未开采的煤壁内产生断裂，老 顶中的关键块 B 结构除了受到直接顶和实体煤的撑起作用， 还会受到来自相邻岩块结构 关键块 A 和 C 的夹持作用。因此，通常情况下关键块 B 在掘进沿空巷的过程中有着良 好的稳定性。在下区段回采时，综放工作面开挖掉对关键块起支撑作用的煤壁，关键块 B 开始旋转下沉，挤压巷道使巷道变形。通过研究，计算出保护煤柱的宽度和支护体系 的选取对围岩强度有很大的影响。因此，合理的保护煤柱宽度以及支护形式的选取在维 持巷道稳定性方面起到了举足轻重的作用。 华心祝等[3]研究了沿空掘巷的一种特殊情况，即工作面两边都是采空区的孤岛工作 面，对这一特殊情况的支护技术研究采用了模拟效果强大的数值模拟软件，通过模拟得 出孤岛工作面有着增加明显的超前支承压力，围岩受到超前支撑压力的影响，产生剧烈 变形，从而增加了支护的难度。作者总结了以上变形原理，在试验巷道中进行了巷道掘 进和回采两个阶段的支护设计。最后总结出采用锚网索和注浆加固相互结合的支护技 术，并通过工程实践和监测技术对孤岛工作面的巷道变形进行验证，证明该支护方案在 控制巷道围岩变形方面效果良好。同样，张炜等[4]对淮南矿区某矿一个孤岛工作面回风 平巷通过数值模拟也得出类似结果，在采用新的支护方案优化支护后，巷道顶底板变形 量减小了 50，两帮变形量减小了 55，取得良好的支护效果。 马继新等[5]通过工程实践总结出留窄煤柱护巷沿空掘巷的巷道围岩条件不同于在实 体煤中掘进巷道的围岩条件。不同之处主要表现在前者会呈现更为破碎松软的围岩，这 也就增加了顶板中的塑性区发生垮落的危险，为了解决这一安全问题，可以适当增加顶 板和两帮锚杆索的数量或支护密度，从而能够很大程度上提高围岩的自稳能力，保证巷 道稳定。 程鹏等[6]研究了在巷道掘进范围内存在陷落柱、弯曲、断层等地质异常区时，通过 结合地质条件相似的工作面，借鉴其中支护效果良好的支护经验，采用了斜矩形的巷道 断面，支护形式则选用锚梁网索支护。作者还对这种支护工艺的具体支护参数的选取以 及支护构件的选取进行了深入研究，最后结合支护效果监测的结果，验证了所设计的支 护方案在处理地质条件特殊区域有很好的支护效果。 韩来起等[7]通过对巷道变形破坏理论进行深入分析，结合数值模拟对巷道变形的模 拟情况， 确定出沿空掘巷采用较窄煤柱进行护巷的宽度范围为 4-6m， 这时巷道位于应力 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4 - 降低区，同时综合考虑巷道底板和两帮变形及煤炭损失率等因素，计算出 5m 的保护煤 柱宽度最佳。类似的，杨宏敏[8]结合煤矿工程实况通过模拟也得出相同结果，这也给出 了窄煤柱沿空掘巷保护煤柱宽度的安全范围。方良才[9]对淮南新区 13煤层综放工艺下 沿空掘巷巷道支护技术进行了研究，不仅得出了保护煤柱的宽度，还总结出沿空掘巷巷 道稳定性的主要影响因素是窄煤柱的稳定性，并指出巷道顶底板和两帮需加强支护，使 巷道四周围岩均得到有力支撑，从而增加了沿空巷的稳定性。 王智荣等[10]研究了大断面沿空巷道的支护技术，通过对工作面掘进期间和回采期间 巷道变形规律的研究，提出在沿空掘巷工艺下支护断面积更大的巷道时，应当选用支护 能力和适应围岩变形能力更强的支护形式， 因此作者拟采用具有良好延展性的 H 型锚杆 杆体进行支护，煤巷上帮实体煤侧采用竹锚杆，巷道顶板和两帮铺设锚网及配套托盘和 钢带梁。支护实际效果也表明，该支护方案能够有效的控制断面积更大的沿空巷巷道变 形。 对于放顶煤工艺巷道掘进方式的研究，国内研究现状可以概括为沿顶掘进和延底掘 进两大类。沿煤层底板掘进是大家普遍认同的一种巷道布置方式，适用于煤层倾角变化 较大、地质构造复杂的厚煤层，这种巷道布置方式便于根据煤层走向布置巷道，避免因 煤层起伏变化影响巷道掘进速度和煤炭采出率。 张震等[11]研究了山西潞安集团佳瑞煤业沿底掘进巷道支护技术，经过研究认为，煤 层巷道沿底掘进时，煤层顶板作为相对软弱层，其承载性能较岩层差，下部岩层承受较 大的集中应力，增加了两帮煤体及顶部煤层的变形量和塑性区大小。由此提出厚煤层巷 道掘进支护的关键是控制承载性能相对软弱的煤顶及煤帮，对厚煤层沿煤层底板掘进， 巷道顶板为煤层的布巷工艺条件下的巷道支护提出了有借鉴意义的支护方案。作者设计 采用具有高强预应力的锚杆和锚索联合进行支护，并通过顶板离层仪对巷道变形进行了 长时间的监测，结果也证实了该支护方式在厚煤层沿底布巷情况下支护效果良好。 赵华山等[12]对华亭煤电股份公司某矿的厚煤层沿底掘进巷道支护方案进行了研究， 发现巷道断面为梯形断面时，巷道顶板上隅角附近时常会发生垮落现象，这是由于巷道 肩窝处受水平和垂直方向应力挤压，导致其受力不同于巷道的其他部位。为了保证施工 人员安全和巷道稳定性，作者在文章中设计采用加强支护处理巷道上隅角，例如在巷道 边角支护时，适当选择长度更大的锚杆或者锚索以一定的角度施工安装。地质构造复杂 的区域，单纯的锚网索支护体系满足不了支护要求时，可配合使用钢梯进行支护，实践 结果证明这种组合支护方式效果良好。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -5 - 李忠华[13]对初次采用巷道沿底掘进的平顶山煤业集团公司某矿进行了巷道断面积 选取、掘进方案和支护参数的研究，并监测支护后巷道变形量，对比总结沿底掘进的经 济效益。 关建闯等[14]针对某矿地质条件复杂的一个采区沿底掘进巷道时存在的问题进行了 研究。由于该矿有着复杂的地质构造，煤层走向起伏大，如果一味沿底掘进会影响巷道 内机具铺设及物料运输。在大量收集矿井资料后研究出适合地质构造复杂煤层沿底掘进 的施工方案在掘进至该地质区段时采用“先大后小”的掘进方案，即最大程度的保证 巷道走向和煤层底板走向的连续延展，使掘进面前方形成较大角度，掘进面深部较小的 角度。而对巷道角度有特殊要求的胶带运输巷，因为巷道不能出现较大角度的变化，作 者提出了不大于 8的观点；轨道运输巷相对前者可以有大一点的角度变化，作者在文 中指出角度变化不大于 12。这种巷道布置方式不是苛刻的按照沿煤层底板布巷，根据 地质条件的变化适当调整巷道走向角度，不仅没有浪费资源，而且也没有增加资源输出 的难度，不失为一种值得借鉴学习的经验。 刘景书[15]对义马煤业集团公司某矿巷道掘进 6m 即出现变形的原因及支护改进方案 进行研究，分析得出巷道变形是因为在采深为 700m 时，垂直应力和构造应力共同挤压 工字棚，使上帮工字棚产生力矩，导致工字棚上帮腿从柱窝处蹩出。经工程实践总结出 降低巷道高度、增加柱窝深度、增加上帮让压距离、延长上帮柱腿与煤壁接触时间，并 改用 36U 型钢进行支护。进行支护优化后的支护效果表明巷道变形量大大减小，支护 效果良好。白洪才等[16]在研究沿底掘进巷道坡度的同时，设计采用皮带转向装置，使皮 带运输能更好的适应因巷道角度变化对运输的影响。 甄宗敬等[17]提出一种新型的锚杆支护设计方法，他采用了极限平衡区分法对某矿的 支护设计进行优化，从而使支护参数的设计结合考虑了围岩分类等级。 周定栓等[18]研究认为巷道沿底掘进会导致顶煤松软破碎，如没有及时支护，会造成 顶煤冒落事故。提出锚杆超前支护、浅孔爆破掘进的施工工艺，最大限度的减少由巷道 掘进对顶煤稳定性的影响，并采用锚杆及时支护，最大限度保证巷道稳定。另一方面采 用浅孔爆破会增加生产工艺、降低掘进速度，这也是该方案的缺点。 高明仕等[19]采用泄压钻孔等泄压方法对巷道围岩进行泄压，并研究提出三维锚索支 护技术。三维锚索顾名思义，就是一种可以提供立体方向支护力度的锚索，这样增加了 锚固区域围岩体整体的完整性。较传统锚索不同的是，它可以更大程度的增加锚索之间 围岩的支护力度，多个方向的预应力抑制了围岩在巷道开挖或受采动影响阶段的变形， 使围岩很快就达到平衡状态，从而保证巷道稳定。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -6 - 传统综放工作面巷道布置方式普遍采用沿煤层底板布置，其优势劣势如上所述，沿 底掘进可谓优劣参半。 随着对巷道布置方式的研究与实践， 出现了沿顶掘进的布巷方式。 巷道沿煤层顶板掘进时，巷道的顶板为岩层，其物理性质更加坚硬稳定，相比顶板为煤 层的巷道布置方式， 沿顶掘进的顶板稳定性更好， 更有利于锚杆锚固性能的发挥。 另外， 沿顶掘进巷道布置在煤层中，全煤掘进能大大提高掘进成巷速度，工人劳动强度低等优 点。 党会财[20]通过韩城矿务局的工程实践比较了沿底和沿顶掘进的优缺。沿顶掘进能充 分发挥顶板围岩和煤体自身的承载能力，将塑性破坏区的下沉力通过锚网索支护体系传 递给顶部的稳定岩层，形成具有一定强度的支护体，有效地减小了煤体的破坏范围和围 岩的变形量。通过对试验巷道监测，巷道变形量较沿底掘进大幅减小。经济效益方面， 沿底掘进巷道支护费用为沿顶掘进的 1.5-3 倍。 王树忠[21]对高瓦斯矿井沿顶掘进技术进行了研究，认为工作面沿底回采，而工作面 两条顺槽沿顶掘进，这样形成高差，因此顺槽相当于高位巷，便于工作面瓦斯抽放。另 外，为