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硕 士 学 位 论 文 含软弱夹层高帮煤巷破坏机理及支护对策研究 Study on failure mechanism and support of entry with soft interlayer in high rib 申请人姓名 赵萌烨 指 导 老 师 黄庆享 专 业 名 称 采矿工程 研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 西安科技大学 二〇一五年 六 月 万方数据 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。 尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产 权单位属于西安科技大学。学校有权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。本 人允许论文被查阅和借阅。学校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 以采用阴影、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文 研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 万方数据 论文题目含软弱夹层高帮煤巷破坏机理及支护对策研究 专 业采矿工程 硕 士 生赵萌烨 签名 指导教师黄庆享 教授 签名 摘 要 神东矿区含软弱夹层高帮巷道普遍出现外错式滑移破坏特征，对安全生产构成威 胁，目前对此类巷道的变形破坏机理认识不清，是亟待解决的新课题。针对此类巷道破 坏机理与支护对策的研究，具有重要理论意义和实践价值。 本文以神东三道沟煤矿巷道合理煤柱及支护技术研究项目为依托，以 5-2 煤层八盘 区含软夹层回采巷道支护为研究对象。通过现场实测、物理模拟、数值计算和理论分析 相结合的方法，掌握了巷道围岩物理力学性质和巷道变形特征与规律，建立了巷道外错 式滑移力学模型，分析了巷道外错滑移的机理，提出了巷道支护的非对称平衡拱支护模 型，确定了巷道非对称支护方案。 研究得出，巷道围岩变形的主要特征是巷帮出现向相邻采空区的外错滑移。巷道外 错滑移的机理是，在位于巷道及煤柱上方的侧向支承压力峰值作用下，巷道副帮（煤柱 帮） 顶板出现大量垂直裂隙， 裂隙的裂胀作用使顶板产生向相邻采空区方向的水平移动； 软夹层的抗剪强度低，成为煤帮中部的滑面；顶板水平运动时带动巷道上帮沿夹矸层外 错滑移。此外，相邻工作面采空区顶板垮落过程中，裂隙带老顶回转下沉运动，也对巷 道及煤柱顶板产生瞬间的水平拉伸，如果存在软夹层滑面，也将促使外错滑移的出现。 由于顶板裂隙集中出现于副帮上部，导致两帮水平位移不连续，表现为副帮外错滑移量 大、正邦小的非对称特征。根据巷道顶板及两帮的非对称变形破坏特点，建立了含软弱 夹层高帮巷道非对称平衡拱支护模型，提出了“两帮非对称支护，加强副帮，高帮分段 控制”的支护原则，确定了帮部锚索补强加固的非对称支护方案，工程实践取得了良好 控制效果。 关 键 词软弱夹层；巷帮外错滑移；非对称极限平衡拱；巷道支护； 研究类型应用基础研究 万方数据 Subject Study on failure mechanism and support of entry with soft interlayer in high rib Specialty Mining Engineering Name Zhao Mengye Signature InstructorHuang Qingxiang Signature ABSTRACT The entry with soft mudstone interlayer causes rib outward dislocation sliding failure in Shendong mining area. It also shows a threat to the safety of production. At present, there is little research involved in this condition. Failure mechanism and supporting countermeasure research has became the new research subject. Therefore, it has important significance to research and solve the problem. Based on the research project of entry and coal pillar supporting technology in Sandaogou mining area, through entry convergence measurement and borehole observation, the vertical cracks in roadway roof is discovered, failure zone of ribs is near the mudstone interlayer and the outer rib is bigger, and the roadway deation is mainly caused by adjacent mining goaf. Through the numerical simulation and physical simulation, The self stable equilibrium arch support model of entry with soft interlayer rib is established，and it expounds the importance of strengthen rib support to entry stability and the principle of bolt and cable support design. Based on the principles, the roadway cable and bolt anchor support plan with upper rib long bolt strengthen is put forward and successful in engineering practice. The conclude show that, the outward dislocation sliding is the typical failure characteristic of entry rib with mudstone interlayer in thick coal seam. Roadway deation is mainly impacted by the lateral abutment pressure of adjacent working face. The mechanism of outward dislocation sliding is concluded as the concentrated stress from adjacent mining goaf causes not only the vertical cracks coming into the roof, but also the horizontal movement of upper rib to adjacent mining goaf. At the same time, key layer pulling structure appeared ,the roof takes the upper rib moving to adjacent mining goaf, which s the outward dislocation sliding of entry rib. According to the asymmetric damage in the roof and rib，established the supporting model of entry with mudstone interlaye. The supporting principal of entry with mudstone interlayer is that “controlling the rib of up and down segmental, adapting and limiting to sliding and strengthen integrality of upper rib”. The 万方数据 design in length of cable is based on the height of self-stable equilibrium arch. Finally, practice has proven that this haves great supporting effects on the roadway. Keywords Soft mudstone interlayer; asymmetric self stable equilibrium arch，rib outward dislocation sliding; bolt and cable support Research typesApplication Research 万方数据 目录 I 目目 录录 1 绪论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景与意义...................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状...................................................................................................... 2 1.2.1 巷道支护理论发展与现状 ....................................................................... 2 1.2.2 煤柱稳定性与顶板结构的关系 ............................................................... 5 1.2.3 巷道围岩含泥岩夹层的破坏特征及支护对策 .................................... 7 1.3 研究内容与方法...................................................................................................... 7 1.3.1 研究内容........................................................................................................ 7 1.3.2 研究方法和技术路线 ................................................................................ 8 2 含软弱夹层巷道围岩特性及变形规律实测研究 .................................................... 10 2.1 巷道围物理力学性质测定 .................................................................................. 10 2.1.1 钻孔取样...................................................................................................... 10 2.1.2 物理力学性质测定.....................................................................................11 2.2 巷道围岩内部破坏特征及范围测定 ................................................................ 12 2.2.1 巷道围岩破坏特征探测布置 .................................................................. 12 2.2.2 巷道顶板围岩内部破坏特征 .................................................................. 13 2.2.3 巷帮围岩内部破坏特征 ........................................................................... 15 2.2.4 巷道围岩破坏圈 ........................................................................................ 15 2.3 巷道变形破坏特征 ............................................................................................... 16 2.3.1 巷道变形特征............................................................................................. 16 2.3.2 巷道变形规律............................................................................................. 17 2.4 小结 .......................................................................................................................... 18 3 含软弱夹层巷帮外错式滑移分析............................................................................... 20 3.1 巷道围岩应力场数值模拟 .................................................................................. 20 3.1.1 数值模型建立............................................................................................ 20 3.1.2 工作面围岩应力场分布规律................................................................. 21 3.2 巷帮外错滑移机理的物理模拟 ......................................................................... 23 3.2.1 巷道、煤柱顶板结构形态 ...................................................................... 23 3.2.2 巷帮外错滑移机理的物理模拟 ............................................................ 24 3.3 巷帮外错式滑移规律的数值模拟分析 ........................................................... 25 万方数据 目录 II 3.3.1 UDEC 数值模型建立................................................................................ 25 3.3.2 顶板裂隙场、位移及结构变化过程 ................................................... 25 3.3.3 巷道和煤柱发生外错式滑移机理........................................................ 29 3.4 小结 .......................................................................................................................... 29 4 软岩夹层对外错滑移的主控因素分析...................................................................... 30 4.1 软岩夹层成分组成及特性分析 ......................................................................... 31 4.2 泥岩夹层对巷道围岩变形破坏的影响 ........................................................... 32 4.2.1 泥岩夹层对巷道破坏特征的影响 ......................................................... 33 4.2.2 泥岩夹层对巷道围岩应力场分布的影响 ........................................... 33 4.2.3 泥岩夹层对上覆裂隙场分布特征的影响 ........................................... 35 4.2.4 泥岩夹层对水平位移的影响 .................................................................. 36 4.3 小结 .......................................................................................................................... 37 5 巷帮及煤柱外错滑移力学模型分析 .......................................................................... 38 5.1 模型建立依据 ........................................................................................................ 38 5.2 含泥岩夹层厚煤层巷帮外错滑移力学模型 .................................................. 38 5.3 巷道围岩力学分析 ............................................................................................... 39 5.3.1 巷道顶板围岩内部裂隙的扩胀 ............................................................. 39 5.3.2 巷道帮部的扩胀现象 ............................................................................... 40 5.3.3 关键层破断结构分析 ............................................................................... 41 5.4 泥岩夹层滑动力学条件 ..................................................................................... 42 5.5 小结 .......................................................................................................................... 44 6 含软夹层高帮煤巷非对称平衡拱模型及支护设计 ............................................... 45 6.1 含软夹层高帮煤巷非对称平衡拱模型 ........................................................... 45 6.2 巷道支护设计 ........................................................................................................ 47 6.2.1 巷道顶板...................................................................................................... 47 6.2.2 巷道帮部...................................................................................................... 47 6.3 支护效果的数值模拟........................................................................................... 49 6.3.1 巷道变形量 ................................................................................................. 49 6.3.2 应力场分布特征 ........................................................................................ 49 6.3.3 塑性区分布特征 ........................................................................................ 50 6.3.4 帮部长锚杆支护参数优化 ...................................................................... 51 6.4 现场支护效果 ........................................................................................................ 51 6.5 小结 .......................................................................................................................... 52 万方数据 目录 III 7 结 论 ................................................................................................................................... 53 致 谢....................................................................................................................................... 55 参考文献 ................................................................................................................................ 56 附录 ......................................................................................................................................... 60 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景与意义 我国煤炭在一次能源中占到 70左右[1]，是世界第一产煤大国。矿井回采巷道的稳 定性直接决定工作面的安全[2]。长久以来，国内外学者总结出了不少巷道维护的技术和 方法，对软岩、深井、“三软”、大断面等特殊地质条件下的巷道稳定性开展了大量的 研究工作，并取得了丰硕的成果。但是，我国幅员辽阔，煤炭贮藏的地质条件错综复杂， 仍然有很多特殊地质条件下的巷道的稳定性尚未研究[3]。 神府东胜矿区现为我国最大的井工开采矿区， 2013 年产量达到 3 亿吨， 约占全国总 产量的 6、全国重点煤矿产量的 12[4]。神东矿区东部的部分煤层中含有软弱夹矸层， 开掘后的高帮巷道及煤柱的破坏， 严重影响了煤矿生产的安全和高效[5-7]， 典型的是三道 沟煤矿。 三道沟煤矿位于神东矿区东部，面积约为 176.1346km2，煤炭资源储量 15.42 亿吨， 其中 9.27 亿吨可采。矿井设计按照 900 万吨/年生产能力，服务年限将达到 76.3 年。矿 井处于生产状态的盘区有三、四、八盘区，分别开采分岔段的 5－2 上、5－2 煤层（三、 四盘区）以及合层段的 5－2 煤层（八盘区）。回采工作采用综采一次采全高、长壁式 布置，顶板管理采用全部垮落法，掘进则采用综掘机和连续采煤机。 矿井主采的5-2煤层， 中下部存在厚度50200mm的泥岩夹层 （形成巷道软弱夹层） 。 工作面顺槽沿煤层底板掘进，该泥岩夹层位于巷道的下部（距底板 1.6m 左右），巷道 掘进后，该泥岩夹层遇水或吸潮气软化挤出（图 1.1），严重影响了巷道的稳定性，采 动影响后，表现明显的片帮和外错变形（图 1.2），导致巷帮沿夹矸层出现严重变形、 片帮、脱锚现象，对安全生产构成严重威胁。 图1.1 5-2煤层泥岩夹层 万方数据 西安科技大学硕士研究生毕业论文 2 图 1.2 三道沟煤矿巷道滑移示意图 5-2 煤层是神东矿区的主采煤层之一，对该煤层含软夹层的巷道支护开展研究，具 有广泛的意义。目前，国内外对此类地质条件的巷道支护尚无开展系统研究，工程实例 也较少，巷道变形破坏机理不清，支护对策缺乏科学依据。因此，2013 年神东矿区对此 设立招标项目“神东三道沟煤矿巷道合理煤柱及支护技术研究”，本文依托该项目开展 研究。 本文以三道沟煤矿 5-2 煤层回采巷道为背景，运用理论分析、数值模拟、物理相似 模拟实验、现场实测等手段，揭示三道沟煤矿含软夹层巷道的变形破坏规律，建立力学 模型，分析巷帮外错滑移变形破坏机理，提出合理的支护对策。研究不仅对三道沟煤矿 安全高效生产具有直接意义，对神东矿区乃至国同类巷道的支护实践也具有重要的价 值。 1.2 国内外研究现状 本项研究主要涉及两类问题，一方面是高帮大断面巷道的稳定性，另一方面是软夹 层对巷道稳定性的影响，其核心内容是软夹层影响下巷道破坏机理。国内目前关于大型 煤矿大断面巷道支护技术的研究不少，但对于含有软质夹矸泥岩的煤层大断面巷道变形 破坏机理研究甚少。此外，传统的研究大多只针对巷道变形破坏或煤柱稳定性单方面的 研究，将两类问题系统联系起来的研究较少。如何把含软夹矸层的巷道变形破坏、煤层 顶底板和煤柱的稳定性作为一个整体研究，是三道沟煤矿高帮巷道支护研究的技术关 键。 1.2.1 巷道支护理论发展与现状 国内外有关矿山巷道工程的支护理论经历了长期的发展过程，大致经历了如下理论 发展阶段古典压力计算理论（19 世纪末 20 世纪初）、弹塑性力学的计算方法（20 世 纪 50 年代）、新奥地利隧道施工法（20 世纪 60 年代）、联合支护理论、锚喷一弧板支 护理论、 松动圈理论、 极限平衡圈理论、 基于软岩工程地质规律和变形力学机制的理论、 基于数值分析方法的巷道围岩支护与优化研究。应该指出的是，目前尚无一种对不同巷 万方数据 1 绪论 3 道条件支护问题普遍适用和公认的统一理论。 由于围岩性质的多变性、采场地应力和巷道断面尺寸的不同，导致巷道变形破坏的 机理具有多样性和复杂性，加上采场对支护构建可切割性等要求不同，造成巷道支护具 有不同的方式和对策。由于巷道支护问题的复杂性，也造成巷道支护理论和方法的多样 性，给巷道支护设计与工程实践带来困难。 目前，现场锚杆设计很多还基于工程经验，具体参数合理与否，有效性如何，还缺 乏具有统一的设计理论。特别是针对神东公司三道沟煤矿大采高工作面含软岩夹矸高帮 大断面煤巷条件，同时要兼顾煤帮支护材料的可切割性，其巷道支护的机理仍然需要探 索，巷道支护的理论与技术还需要创新。 （1）国外锚杆支护理论进展 锚杆的发展历史已经持续了一百多年，最早可追溯至 1912 年谢列兹矿最先采用锚 杆支护井下巷道。到目前为止，锚杆支护衍生除了较多的理论，具有代表性的包括悬 吊理论、组合梁理论及组合拱理论等。这些支护理论在煤矿乃至别的岩土工程行业工作 中被广泛应用，并且起到了相当大的作用，为煤矿安全生产提供了安全保障，具有指导 性的意义。 ①悬吊理论 1952 年，路易斯阿 帕内科（LuoisA Panek）通过理论分析、实验室试验研究及现 场测试，提出了悬吊理论。该理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板下部松动的软 弱岩层悬吊在上部稳定的岩层上，其目的为固定软弱岩层，增强软弱岩层的稳定性。悬 吊理论未全面考虑稳定围岩的厚度与锚杆所能悬吊的深度（图 1.2a），并且也没有考虑 到巷道自稳能力（图 1.2b）。 3 2 1 a上部有稳定岩层 3 2 1 b上部形成自然平衡拱 a 上部有稳定岩层 b 上部形成自然平衡拱 1─锚杆；2─离层软弱区；3─稳定或者非稳定岩层 图 1.2 锚杆支护的悬吊作用 ②组合梁理论 1952 年，德国 Jacobio 提出了锚杆组合梁理论。该理论认为对于顶板层状岩体， 万方数据 西安科技大学硕士研究生毕业论文 4 如果锚杆的作用必须通过锚固在稳定的岩层中才能体现。此时，巷道两帮作为支点，锚 固顶板转化为组合梁的结构（如图 1.3 所示）。 ③组合拱理论[34-35] 组合拱理论认为在拱形巷道的支护过程中，锚杆两端所形成的圆锥形压应力，是 在道围岩的破裂区中安装预应力锚杆所引起的，当单一锚杆支护变为锚杆群支护时，足 够小的锚杆间距，可使得各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互叠加，从而形成均匀的压 缩带，即承压拱亦称组合拱或压缩拱，如图 1.4 所示。该理论首次说明了锚杆支护的 机理，为锚杆支护设计提供了参考。 1─锚杆；2─加固拱 图 1.3 锚杆支护的组合梁作用 图 1.4 锚杆锥形加固作用 （2）国内锚杆支护理论进展 于学馥教授等提出轴变论[8]，认为围岩破坏是由于围岩应力超过岩体强度极限所引 起的，巷道顶板垮落、断面收缩等一些现象是巷道自身宽（b）/高（a）比值改变致使围 岩应力（λ）重新分布维持巷道自身稳定的一个过程。当 b/aλ 时，巷道周围环向均匀受 力；b/aλ，巷道两帮受侧向集中应力；b/aλ，巷道顶底板受到集中应力，巷道两帮可 能会受到拉应力影响。后两种均不利于巷道稳定。 联合支护理论[9-12]由郑雨天、冯豫、陆家梁、朱效嘉教授等提出，该理论认为按照 巷道变形与时间相关，支护要与围岩相适应，先柔性支护，再刚性支护，柔让的程度要 合适，达到稳定支护的效果。由该理论发展起来的支护形式有锚网喷、锚网喷架、锚带 网架、锚带喷架等支护方式应用在工程实践中，并取得一定效果。 通过在联合支护理论认识上的进一步发展及延伸，孙均、郑雨天、朱效嘉教授等提 出了锚喷-弧板支护理论[9-12]。该理论认为，一味的让压是不能很好的支护方法，当让压 到一定程度时，则需要采用高强度的支护材料以满足为联合支护理论“先柔后刚”的刚性 支护要求，坚决遏制和顶住围岩的收敛变形。 围岩松动圈支护理论[13 ，14]由董方庭教授等提出。 认为巷道支护目的是对巷道围岩松 动裂隙圈的支护，防止松动圈在发展过程中有害变形的进一步发展，根据裂隙发育深度 不同，可分为三种类型，包括小松动圈、中松动圈和大松动圈。按照弹性区和塑性区的 1 2 1-锚杆;2-加固拱 锚杆支护的加固作用 万方数据 1 绪论 5 转