极近距离下位煤层采准巷道优化布置及支护研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目极近距离下位煤层采准巷道优化布置及支护研究 英文题目英文题目 Study of Lower Coal Seam Roadway Layout and Supporting on The Extremely Close Coal Seam Group 学位类别学位类别工 程 硕 士 研 究 生 姓 名研 究 生 姓 名陈 绍 祥学号学号2013022401 学科领域名称学科领域名称矿 业 工 程 指导教师指导教师张 飞职称职称教 授 协助指导教师职称协助指导教师职称 2015 年 6 月 6 日 分类号分类号TD32TD32密级密级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘要 极近距离煤层群在我国分布广泛，国内外对其开采难题有一定研究， 但关于开采 技术的相关理论成果较少， 大多数为实践性和经验性的总结， 因此深入研究极近距离 煤层群开采，对实现矿井安全高效生产具有重要意义。 本文以五虎山煤矿为背景，以 9 、10煤层为研究对象，采用理论分析、数值模 拟、力学计算相结合的综合研究方法，对极近距离下位煤层采准巷道的合理布置进行 了系统的研究。 论文首先从定性、定量两方面解释了何为极近距离煤层群，从定性的角度分析 煤层层间距很小， 且开采时上下相互影响明显的煤层群为极近距离煤层群； 从定量方 面分析将煤层底板损伤深度  h 作为划分极近距离煤层的依据，即当煤层间距  h时 为极近距离煤层群。 紧接着文章介绍了工作面巷道四种布置方式的优缺点。 之后采用 理论分析的方式，研究了煤柱合理宽度的留设、底板应力传递及分布规律，以及上煤 层开采底板损伤状态；在此基础上，分析弹性区和极限平衡区的长度范围，推算出巷 道布置（外错式）的理论错距（外错）计算公式，同理根据底板破坏范围分析结论， 推算出巷道内错式、平错式的理论错距公式，并结合五虎山煤矿的具体情况，最终确 定 1004 工作面采用平错式布置。 然后通过 FLAC3D 数值模拟对 9 煤层残留煤柱下方各 方案巷道的矿压规律、 巷道围岩稳定性进行分析研究， 充分验证了理论分析的合理性。 最后采用力学计算的方法， 对巷道支护材料作了深入研究， 选定 29U 型钢为 1004 巷道支护材料。工程实践表明，支架在受到不均匀压力时，极易产生变形、破坏，故 提出了预防支护体产生受力不均的几种方法， 即把握好工程质量、 做好刹顶背帮工作、 优化巷道布置、增加支护材料支撑力。根据矿方开采效果反馈，该研究中巷道布置位 置是合理的， 支护方案及受力不均处理是有效的， 对类似条件开采有一定的参考价值。 关键词关键词极近距离煤层；应力传递；巷道布置；数值模拟；金属支架 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract Extremely close distance coal seam group are widely distributed in China, the research at home and abroad on a the problem in mining to a certain extent, but a little related theory about mining technology achievement, most practical and empirical summary, so further study of extremely close distance coal seam group mining, is of great significance to the mine safety and efficient production. In this paper, with wuhushan coal mine as the background, with 9 , 10 coal seam as the research object, using theoretical analysis, numerical simulation and mechanical calculation comprehensive research to study the reasonable roadway layout of extremely close lower coal seam. Thesis first explains what is extremely close distance coal seam group from two aspects of qualitative and quantitative , from the perspective of qualitative analysis coal layer upon layer spacing is very small, when mining and influence each other obvious is extremely close distance coal seam group;From the aspects of quantitative analysis the coal floor damage depth as the basis of dividing extremely close distance coal seam, namely when the spacing between the coal seam is small than damage depth is extremely coal seam group.Then the article introduces four kinds of arrangement of roadway of the working face and the advantages and disadvantages.After that using the of theoretical analysis, studied the reasonable width of coal pillar, bottom stress transmission and distribution, as well as the mining of coal seam floor damage status;On this basis, through the analysis of the limit equilibrium zone and elastic zone, it is concluded that the calculation ula of unofficial type disposal of the theory distance , as well as analysis the floor area of damage ,it is concluded that the distance ula of inner dislocated roadway, and combined with the wuhushan mine condition, ultimately determine the 1004 working face layout in heave type.Then studied the mine pressure regularity of the 9 coal seam pillar residue below , the stability of surrounding rock of the roadway by FLAC3D numerical simulation, validate the rationality of the theoretical analysis results, verify the 内蒙古科技大学硕士学位论文 III rationality of the theoretical analysis results. Finally adopts the of mechanics calculation, for the roadway support materials made in-depth study, selected 29 u-shape for 1004 roadway support materials.Engineering practices show that the support under non-uni pressure, prone to deation, destruction, therefore, puts forward the prevention s, namely to grasp the good engineering quality, to do a good job of brake roof and rib, support roadway layout optimization, increasing the supporting materials.According to the coal mine effect feedback, the study of roadway layout position is reasonable, the supporting scheme and uneven when treatment is effective, for similar mining conditions has a certain reference value. Key wordsKey words Extremely close distance coal seam；The stress transfer；Roadway layout； Numerical simulation；Metal stents 内蒙古科技大学硕士学位论文 IV 目录目录 摘要.................................................................................................................................I Abstract............................................................................................................................... II 1 绪论....................................................................................................................................1 1.1 选题背景和意义.....................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.....................................................................................................2 1.2.1 极近距离煤层开采理论、技术研究现状..................................................2 1.2.2 极近距离煤层覆岩结构研究现状..............................................................4 1.2.3 极近距离煤层回采巷道布置方式研究现状..............................................6 1.2.4 巷道支护技术的研究现状..........................................................................7 1.3 极近距离煤层开采存在的主要问题.....................................................................7 1.4 研究内容、方法及技术路线.................................................................................7 1.4.1 研究内容......................................................................................................7 1.4.2 方法及技术路线..........................................................................................7 2 极近距离煤层判别及巷道布置方式................................................................................7 2.1 工程概况.................................................................................................................7 2.2 极近距离煤层判别.................................................................................................7 2.2.1 极近距离煤层定义......................................................................................7 2.2.2 极近距离煤层判别分析..............................................................................7 2.2.3 极近距离煤层判别实例..............................................................................7 2.3 回采巷道布置方式及其特点.................................................................................7 2.3.1 内错式布置..................................................................................................7 2.3.2 外错式布置..................................................................................................7 2.3.3 重叠式布置..................................................................................................7 2.3.4 平错式布置..................................................................................................7 3 极近距离下位煤层采准巷道合理位置理论分析............................................................7 3.1 极近距离上位煤层煤柱稳定性及底板岩层应力传递规律分析.........................7 3.1.1 煤柱稳定性分析..........................................................................................7 3.1.2 底板岩层中应力传递及分布规律分析......................................................7 内蒙古科技大学硕士学位论文 V 3.2 上位煤开采底板损伤状态分析.............................................................................7 3.2.1 上位煤开采底板破坏范围分析..................................................................7 3.2.2 五虎山矿 9煤底板破坏范围计算.............................................................7 3.3 下位煤层采准巷道合理位置的确定.....................................................................7 4 计算机数值模拟................................................................................................................7 4.1 数值模拟计算的意义.............................................................................................7 4.2 计算模型的建立.....................................................................................................7 4.2.1 现场条件分析..............................................................................................7 4.2.2 模型的尺寸设定..........................................................................................7 4.3 模拟方案设计.........................................................................................................7 4.4 模拟结果分析.........................................................................................................7 5 极近距离下位煤层巷道支护研究....................................................................................7 5.1 金属棚的选择.........................................................................................................7 5.1.1 计算模型的建立..........................................................................................7 5.1.2 钢梁力学性能分析......................................................................................7 5.2 金属支架异常变形分析.........................................................................................7 5.2.1 非均匀应力状态条件下金属支架受力分析..............................................7 5.2.2 支护体受力不均处理方法..........................................................................7 5.3 巷道支护方案.........................................................................................................7 5.3.1 1004 回风巷概况.........................................................................................7 5.3.2 巷道支护形式..............................................................................................7 5.3.3 巷道支护工艺..............................................................................................7 6 结论与展望........................................................................................................................7 6.1 主要工作与结论.....................................................................................................7 6.2 不足与展望.............................................................................................................7 参考文献................................................................................................................................7 在学研究成果........................................................................................................................7 致谢................................................................................................................................7 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 选题背景和意义1.1 选题背景和意义 中国是世界上煤炭生产和消费最大的国家， 煤炭在一次能源生产和消费中占到的 比例均在 65以上。2014 年全国原煤产量达到 38.7 亿吨，在国内煤企全面限产情况 下，2015 年一季度全国原煤产量 8.5 亿吨，预计 2015 年全年原煤产量仍能达到 35 亿吨。因此，煤炭在我国的经济发展过程中起着举足轻重的作用。 我国赋存有极近距离煤层的矿区较多，如乌达、乌鲁木齐、井陉、新汶、平顶山、 淮南、大同和西山等。由于煤炭形成的地质环境、时间不同，各矿区煤层的赋存条件 也不一样， 即使在同一矿区， 各煤层的赋存情况也有差异， 它们在煤层厚度、 层间距、 煤质等方面表现出不同的特点。对于煤炭开采，影响其开采难易程度的因素众多，例 如水、瓦斯、顶板，而这一系列开采难题都跟层间距相关；当煤层层间距离较大时， 上部煤层开采后底板损伤范围未达到下煤层，对下部煤层的开采影响程度较小， 下部 煤层开采时顶板完整，隔水岩层厚，上部采空区瓦斯无法涌入下部回采空间。但当煤 层层间距（极）小时，相邻煤层间的相互开采影较为显著，一方面是下位煤层受上部 煤层开采影响，顶板完全破碎，上下层之间失去了基本的阻隔，在矿井通风方式为抽 出式的情况下，上部采空区有害气体“毫无保留”地涌入下部回采工作面；另一方面 是层间距小， 上部煤层工作面间的保护煤柱所形成的集中应力会对下位煤层开采区域 造成影响， 导致下部煤层顶板结构和应力环境发生改变， 从而使下部煤层开采较单一 煤层开采出现了许多新的矿山压力现象 [1～2]。 我国涉及极近距离煤层开采的矿区较多，到目前为止， 国内外采矿界对单一煤层 开采理论和实践研究有了长足进展， 但对于 （极） 近距离煤层群的开采研究相对较少， 更没有相关方面的开采系统技术理论，而有关（极）近距离煤层开采研究主要还停留 在实践性和经验性的定性总结阶段 [1]。 本文以乌达矿区五虎山矿业公司为背景， 对其极近距离煤层群联合布置的 9 、 10 煤层回采时矿压显现规律、 下位煤层巷道布置及支护进行了研究。 五虎山矿目前主采 9 、10、12煤层，9、10煤层平均层间距 3.85m，两层煤联合布置。上覆 9煤层已经 采过，10 与 9煤层的层间为一层强度较低的粘土质泥岩，节理面呈油状滑腻感，稳 定性差。在 1990 年前， 乌达矿区所属的三个生产矿井（五虎山矿、苏海图矿、黄白 茨矿）就以炮采或高档普采的工艺对 10 煤层进行过回采，但由于该煤层与上覆 9煤 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 采空区间距小，顶板疏松破碎，巷道难以掘进和维护。目前回采从回采过的 10 煤层 1001、1002 工作面情况来看，它们均采用内错式布置，从理论上已经避开了上层煤 柱的应力峰值区， 但实际情况是从掘进到回采整个过程中呈现出工作面运输巷矿压显 现明显，设备、人员通行不畅，冒顶漏顶，巷道维护困难等问题。此举，内错式增大 了煤柱宽度，大大浪费了煤炭资源，而又未得到预期的效果，所以提出采准巷道的合 理布置及支护技术研究。 1.2 国内外研究现状1.2 国内外研究现状 1.2.1 极近距离煤层开采理论、技术研究现状1.2.1 极近距离煤层开采理论、技术研究现状 与普通的单一煤层开采研究成果相比，极近距离煤层开采多数为经验性总结， 很 少有理论性研究成果。 在近几十年的煤矿开采过程中发现， 极近距离煤层开采时多采 用下行式开采，而受层间距大小、煤层厚度、围岩性质等的影响，很少采用上行式开 采方式。在对于上行式开采方法的研究中，B .и.包基、B .д.斯列沙烈夫、и.M . 等 [3]前苏联学者，仅以煤层层间距的大小来确定是否适合上行式开采。 业界内对能否采用上行式开采普遍存在两种观点， 一种认为两煤层间距为下煤层 45 倍以上，此时上煤层处于下煤层开采所形成的弯曲下沉带内或以上；另一种观点 比较粗略， 认为上煤层只要不处于下煤层开采时形成的垮落带上方即可， 但根据不同 的理论推导出的垮落带高度计算公式不一样。 目前国内外采用上行式开采的判别主要 有以下几种方法 [4～11]①围岩平衡法②比值判别法③实践经验法④“三带”判别法， 并总结出了相应的判别准则。 根据经验及已有的研究成果， 下位煤层的回采不影响上 位煤层的连续性和完整性为基本前提 [1]。查阅极近距离煤层开采文献资料，国内外科 研人员对上行式开采研究甚少，且各持己见，认识不统一。 对于下行式顺序开采， 上部煤层回采时引起周围围岩应力重新分布， 造成残留煤 柱应力集中且向底板深处传递，给下位煤层掘进、巷道支护、回采带来困难，尤其是 在巷道支护方面， 在上部煤柱支承应力的作用下， 顶板极为破碎， 巷道两帮片帮严重。 张百胜等 [1]人对极近距离煤层群的回采巷道的合理位置进行了研究，得出了一种 采用分析应力改变率的方法确定回采巷道的合理位置。 史元伟教授等 [12]运用数值分析 法、解析法对上部宽巷开采、分层垮落法开采、近距离煤层开采等的围岩应力分布规 律作了细致的研究， 也取得了一定的成效， 为下位煤层巷道布置及围岩控制起到了指 导性作用。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 而在我国实际生产实践中， 极近距离煤层开采主要方式有单层逐层开采、 多层联 合开采、放顶煤开采（含少量夹矸）。在过去的几十年里，我国煤矿机械化水平低， 生产工艺落后，单产单进水平普遍不高，绝大多数矿井需多个采区、多个工作面同时 生产才能保证产量， 于是为了减少准备巷道的施工量及缩短达产时间， 往往将多个煤 层联合布置， 而联合布置需要解决的是上下工作面的合理错距问题。 根据岩层移动理 论，上下工作面合理错距应满足以下经验公式 [13] bLMXcot min （式 1.1） 式中，M煤层间距；岩石移动角；L安全距离；b上部煤层回采面的最 大空顶距。 林衍等 [14]在经验公式（式 1.1）的基础上，采用相似模拟和有限元计算方法，推 导出工作面初次来压和周期来压步距与上下工作面合理错距密切相关， 并给出了明确 的经验公式 zccmin S2SX 式 1.2 z S3＜ z X ＜ 2 L 式中， c Xmin初采合理错距； c S上位工作面初次来压步距； z X正常回采的 合理错距； z S上工作面周期来压步距； 2 L上煤层单独开采时，在下煤层底板应力 曲线中后支撑压力与工作面煤壁的水平距离。 随着科学技术的发展， 工作面单产大幅增加， 促使煤层群实行单层逐一开采变为 现实。颜宪禹等 [15]从矿井生产的时间集中、空间集中、经济效益等几个方面详实的阐 述了采用单层开采解决煤层群的开采问题是实现矿井生产集约化的有效途径。 由此可 见采用单层逐一开采是极近距离煤层群开采的主要发展趋势。 上世纪末， 由于放顶煤开采技术在我国快速推广， 使厚煤层和极近距离煤层群采 用综合放顶煤开采得以实现。 为此我国学者在实践过程中对极近距离煤层群夹矸层顶 煤的冒落进行了探索性的研究， 最终根据现场实际提出了采用综放开采法解决含夹矸 厚煤层技术措施 [16～19]。 张顶立[20]从力学性能的角度深入分析了载荷层厚度、 矸石层块 度、夹矸极限厚度受软化系数影响程度。贾永军 [21]运用材料力学的方法推出了顶煤中 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 夹矸层的厚度 G h ＜ t tmm R Rh 2 1293 2  （式 1.3） 式中 G h夹矸层厚度，m ； 夹矸密度， 3 /mMN； m 顶煤密度， 3 /mMN；  m h夹矸上煤层厚度，m ； t R夹矸抗压强度，MPa 实践表明，夹矸层的岩石强度、厚度、层数是影响极近距离煤层群放顶煤开采效 果的重要因素，若夹矸较厚且坚硬时，支架上方顶板不易破碎或破碎后块度较大，进 而影响放煤效果， 放出的煤因含矸率高从而也影响煤质； 其次， 根据放顶煤技术要求， 采放比为 13 时，效果最佳，但多数极近距离矿区无法满足此条件；再次，放顶煤 开采，落煤量较大，如果是高瓦斯矿井，工作面上隅角容易超限，影响正常回采。因 此，综放技术普及于极近距离煤层群受众多客观条件的约束， 不能有效解决极近距离 煤层群的开采技术问题。 煤炭开采从以前的 “肉搏战” 到现在的高度机械化生产， 积累了无数经验与智慧， 但对于极近距离煤层的开采， 其开采理论尚不完善， 仅仅停留在开采实践和经验的定 性总结上 [22～26]。从这些实践和经验总结中可以看出，对于极近距离煤层，无论是采用 综采还是普采，都会出现顶板破碎，围岩应力增加的现象，对此，各生产单位依据生 产经验盲目地采用锚杆、 锚索、 可缩性支架等联合支护来应对， 而未从根本上找原因， 造成巷道掘进成本高，效率低。 1.2.2 极近距离煤层覆岩结构研究现状1.2.2 极近距离煤层覆岩结构研究现状 在采矿技术发展的过程中，围岩控制技术也随之发展，但在早期，由于对该行业 重视不够，投入不足，再加上受科学技术水平限制，人们只能用简单的力学原理解释 实践过程中围岩出现的各种矿压现象，对种种现象提出了不同的假说， 典型的假说有 以下几种 （1）压力拱假说 上世纪 30 年代，德国人HackW.和GillitzerG.首先提出了压力拱假说 [27]，他们认 为，回采空间上方的岩层由于自然平衡的结果形成“压力拱”，该“拱”的两个支撑 点即为两个拱脚，一个支撑点在前方实体煤内，另一支撑点在采空区内垮落矸石上， 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 随着工作面向前推进，“压力拱”也随之向前移动。在 “压力拱”的前后两个拱脚 之间，形成应力降低区，回采工作面的支架只需承受“压力拱”内的岩层重量。“压 力拱” 假说明确了支架的减压范围及工作面前后支撑压力的来源， 但对于拱的岩层变 形、拱的各项参数以及支架与围岩的相互作用未作实质性分析，不能指导工程实际。 （2）悬臂梁假说 悬臂梁假说 [27]最开始是由德国的施托克于 19 世纪 20 年代提出来的， 后得到英国 的弗里德、 前苏联的格尔曼等的支持。该假说认为回采工作面顶板是一种层状的连续 介质，顶板初次垮落后，将其看作一端固定在工作面前方煤体上的悬臂梁，当悬臂长 度达到一定值时，发生有规律的周期性折断，从而引起周期来压。由于悬臂梁假说假 设条件过于简单，很难定量解释矿压问题，更不适用于松软岩层顶板，但对坚硬顶板 有一定的参考价值。 （3）铰接岩块假说 上世纪 60 年代，定量地研究矿压现象有了重大突破，前苏联学者库涅佐夫提出 了铰接岩块假说 [27]。 该假说较为深入的揭示了采场上覆岩层的运动规律， 它指出工作 面上覆岩层的破坏分为冒落带和冒落带上方的规则移动带， 而冒落带又分为上下两部 分，下部冒落时，岩块杂乱无章，上部冒落时，则呈规则的排列，与规则移动带相比， 无水平方向水平挤压力的联系。 规则移动带的岩块相互铰接成多环节铰链， 并在采空 区上方逐步下沉。 该学说中铰接岩块间的平衡关系为三铰拱式的平衡， 它对矿山开采 围岩控制的理论的贡献在于正确的解释了工作面上覆岩层的分带情况， 且已初步涉及 到岩层内部，阐明了其力学关系和可能形成的“结构”，这一贡献为以后矿压理论发 展奠定了基础。 铰接岩块假说的