近浅埋煤层综放面沿空留巷围岩协调控制研究.pdf

分类号分类号 TDTD353353 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 近浅埋煤层综放近浅埋煤层综放面面沿空留巷沿空留巷 围岩围岩协调控制研究协调控制研究 史新帅史新帅 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名宁宁 建建 国国 职职 称称副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二〇〇一七年五月一七年五月 万方数据 论文题目论文题目 近浅埋煤层综放近浅埋煤层综放面面沿空留巷沿空留巷 围岩围岩协调协调控制研究控制研究 作者姓名作者姓名 史史 新新 帅帅 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层矿山压力与岩层控制控制 指导教师指导教师 宁宁 建建 国国 职职 称称 副副 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2017 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 Study on the coordination control of Gob-side entry retaining in near shallow seam with fully mechanized caving A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Shi Xinshuai Supervisor Associate Professor Ning Jianguo College of Mining and Safety Engineering May 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解本人完全了解山东科技山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权（保密的学位论文在解密后适用本授权）） 硕士生硕士生签名签名 导师导师签名签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查学位论文审查认定书认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内， 按照在规定的学习年限内， 按照培养方案培养方案及个人培养计划及个人培养计划，， 完成了课程完成了课程学学习，成绩合格习，成绩合格，修满规定学分，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文；在我的指导下完成本学位论文，， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师导师签名签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 西部煤炭资源丰富，在目前煤炭经济下行的压力下，开展西部地区沿空留 巷研究不仅有利于提高煤炭采出率，降低巷道掘进率、缓解采掘接替紧张的矛 盾，同时对于实现西部地区煤炭资源的可持续发展意义重大。 本文综合运用现场调研、理论分析、数值模拟、相似材料模拟、现场监测 等方法，从研究近浅埋煤层综放沿空留巷覆岩运动规律入手，建立了综放面沿 空留巷围岩协调变形力学模型， 分析了沿空留巷各承载结构间的协调变形关系， 揭示了基本顶给定变形条件下沿空留巷围岩协调控制机理。主要研究成果为 （1）通过对现场岩石进行室内力学试验，获得 4煤层顶板各岩层物理力 学参数，如单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等。结果表 明顶板以泥岩、砂岩为主，岩石强度较低，所获得的试验结果为数值模拟、 相似材料模拟试验岩石参数的选取提供了依据。 （2）利用现场矿压监测、相似材料模拟试验、理论分析相结合方法，对近 浅埋煤层综放面沿空留巷覆岩运动规律进行研究，分析了工作面侧向顶板破断 特征和侧向关键块参数，系统研究了实体煤帮、巷旁充填体及其煤层顶板的稳 定性对于整个沿空留巷围岩稳定性的影响。 （3） 建立了基本顶给定变形条件下综放沿空留巷围岩协调变形力学结构模 型，分析了沿空留巷各承载结构（实体煤帮、巷旁充填体、采空区矸石）之间 的变形协调关系，通过对实体煤帮、巷旁充填体的变形能力进行分析，确定了 各承载结构所允许的基本顶岩梁最大旋转角 θMmax和 θFmax，结合巷道断面尺寸 所允许的岩梁最大旋转角 θWmax，并以此作为保持沿空留巷围岩稳定性的判据， 即沿空留巷基本顶岩梁的旋转角 θ 应满足 。依据综 放沿空留巷围岩协调变形原理，提出了针对性的巷道围岩变形定量调控措施。 （4） 采用 UDEC 数值模拟分析了综放沿空留巷覆岩运动和留巷围岩变形规 律，揭示了在基本顶给定变形条件下，沿空留巷承载结构（实体煤帮和巷旁充 填体）对围岩稳定性的影响，模拟结果表明，实体煤帮、巷旁充填体作为组合 承载结构共同维持了沿空留巷围岩的稳定性， 任何一项失效都将导致留巷失败。 maxmaxmax min{,,} MFW  万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II 研究成果在新疆阿吾孜苏煤矿 41102 综放工作面进行了工业性试验，结果 表明，现有的巷内支护方案、巷旁充填体参数较好地控制了巷道围岩变形，为 类似条件煤矿综放沿空留巷提供了借鉴。 关键词关键词综放开采；沿空留巷；协调控制；围岩稳定性 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III Abstract The coal resource is very rich in western china, to implement the Gob side entry retaining technology in the western region with downward economic situation has many advantages, improving the coal recovery ratio, decreasing roadway drivage ratio, loosing mining replacement tension, and it is of great significance to realize the sustainable development of coal resources in Western china. By comprehensive using of field investigation, theoretical analysis, numerical simulation, similar material simulation, and the of field monitoring, this dissertation began with the study of overlying strata movement law for gob-side entry retaining in near shallow seam, established the mechanic model of the compatible deation of surrounding rock for gob-side entry, analyzed the deation compatibility relation between the bearing structures, and revealed coordinated control mechanism of surrounding rock for gob-side entry retaining t under the condition of main roof of confined deation. Main results are as follows 1The physical and mechanical parameters of the strata of 4 coal seam roof are obtained through the indoor mechanics test, such as uniaxial compressive strength, elastic modulus, Poissons ratio, cohesion, friction angle, etc. The results show that the seam roof mainly consist of sandstone and mudstone, of which the rock strength is poor, and the rock mechanics parameters obtained from indoor test can provide the basis for numerical simulation and similar material simulation test. 2 Under the research of overlying strata movement law for gob-side entry retaining in near shallow seam by field monitoring, similar material simulation test and theoretical analysis, the structural characteristics and key block parameters of lateral roof are analyzed. And the stability of surrounding rock influenced by the coal sides and backfilling body is also studied systematically. 3 The mechanic model of the compatible deation of surrounding rock for gob-side entry is established under the condition of main roof of confined deation, based on the analysis of the deation compatibility relation between the bearing structures, such 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 IV as coal sides, backfilling body and gob caving gangue, the maximum rotation angle of rock beam can be confined ,which can be regard as a criterion to maintain the stability of gob side entry retaining wall. That is to say, the rotation angle of the roof rock beam θ should meet . According to the principle of deation compatibility, the paper puts forward the quantitative control measures for the deation of surrounding rock. 4 Analyzed the overlying strata movement law and surrounding rock deation of gob side entry retaining by using the of UDEC numerical simulation, and the influence of bearing structure coal sides and backfill body on stability of surrounding rock of the gob-side entry retaining have also been studied. the simulation results show that the coal sides, backfilling body, as the combined bearing structure to maintain the stability of the surrounding rock, any failure will lead to failure. The research results are applied successfully in 41102 fully mechanized mining face of Awuzisu coal mine. Results show that the existing roadway support scheme, backfill parameters can fairly well solve the surrounding rock deation, which provides the reference for the similar conditions of coal mine. Keywords Full-mechanized caving mining; Gob-side entry retaining; Coordinated control; The stability of surrounding rock maxmaxmax min{,,} MFW  万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 目目 录录 摘摘 要要 I I 目目 录录 V V 1 1 绪论绪论 1 1 1.1 研究背景 1 1.2 国内外研究现状 2 1.3 研究内容及技术路线 6 2 42 4煤层顶板岩石力学参数测试煤层顶板岩石力学参数测试 8 8 2.1 取样地点及方案 8 2.2 实验设备及方法 8 2.3 小结 16 3 3 综放沿空留巷覆岩运动规律分析综放沿空留巷覆岩运动规律分析 1 17 7 3.1 工作面现场矿压观测 17 3.2 41002 综放面沿空留巷相似材料模拟试验 21 3.3 综放沿空留巷顶板破断结构 29 3.4 沿空留巷围岩稳定性分析 34 3.5 小结 35 4 4 综放沿空留巷围岩变形协调控制机理研究综放沿空留巷围岩变形协调控制机理研究 3 37 7 4.1 各承载结构变形能力分析 37 4.2 沿空留巷围岩稳定性协调控制机理 42 4.3 沿空留巷围岩协调性数值模拟 46 4.4 小结 52 5 5 工业性试验工业性试验 5 53 3 5.1 工程概况 53 5.2 综放沿空留巷围岩控制效果 55 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI 6 6 结论与展望结论与展望 6 60 0 6.1 主要结论 60 6.2 主要创新点 61 6.3 展望 61 参考文献参考文献 6 62 2 致谢致谢 6 67 7 攻读硕士学位期间主要成果攻读硕士学位期间主要成果 6 68 8 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII Contents 1 Introduction.1 1.1 Research Background..1 1.2 Research Status at Home and Abroad..2 1.3 Research Content and Technical Route...6 2 Rock mechanics parameter test of 4 coal seam roof8 2.1 Sampling Locations and Scheme.8 2.2 Experimental Apparatus and ..8 2.3 Brief Summary..16 3 Analysis of Overlying Strata Movement Law in Gob Side Entry of Fully Mechanized Top Coal Caving....17 3.1 Field Pressure Monitoring...............................................................................................17 3.2 Similar Material Simulation Test for Gob Side Entry Retaining in 41002 Fully Mechanized Caving Face.21 3.3 Roof Breaking Structure of Gob Side Entry Retaining in Fully Mechanized Caving Face..29 3.4 Stability Analysis of Surrounding Rock in Gob Side Entry Retaining34 3.5 Brief Summary..35 4 Study on the Mechanism of Coordinated Control of Surrounding Rock Deation of Gob Side Entry Retaining...37 4.1 Analysis of Deation Capacity of Each Bearing Structure.37 4.2 The Coordinated Control Technology...42 4.3 Numerical Simulation Study.46 4.4 Brief Summary..52 5 Industrial Testing53 5.1 General Situation...53 5.2 Effect Analysis of Surrounding Rock Control...55 6 Conclusion and Prospect.60 6.1 Main Conclusions......60 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VIII 6.2 Main Innovative Points. 61 6.3 The Prospects.61 References..62 Acknowledges