跨采动压巷道支护技术及应用研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 跨采动压巷道支护技术及应用研究跨采动压巷道支护技术及应用研究 学位类型学位类型 学术性学位 学科 （专业学位类别）学科 （专业学位类别） 采矿工程 作者姓名作者姓名 王国举 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 赵伏军 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2014 年 6 月 6 日 密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD 353.4 万方数据 跨采动压巷道支护技术及应用研究跨采动压巷道支护技术及应用研究 学位类型学位类型 学术性学位 学科（专业学位类别）学科（专业学位类别） 采矿工程 作者姓名作者姓名 王国举 作者学号作者学号 11010102004 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 赵伏军 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2014 年 6 月 6 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖南科技大学 万方数据 Study on Support Technology and application of span crossing dynamic pressure roadway Type of Degree Academic Degree Discipline Mining Engineering Candidate WangGuoju Student Number 11010102004 Supervisor and Professional Title Prof. ZHAO Fu-jun Practice Mentor and Professional Title School School of Energy and Safety Engineering Date June .2014 University Hunan University of Science and Technology 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 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 法律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 - i - 摘要摘要 华润集团唐洞煤矿主要生产巷道由于受采动影响，巷道围岩破坏严重，维护状态 急剧恶化，支护困难。为了解决唐洞煤矿支护中遇到的难题，本文针对跨采底板巷道 围岩变形破坏机理、巷道围岩稳定性开展研究，提出了锚网、可伸缩“U”型钢联合 支护、 关键部位锚索加强支护的方案， 并应用于现场实践。 论文主要取得了如下成果。 （1 通过对采场支承压力分布规律的研究，建立了工作面前后支承压力的附加 应力模型，得出了超前支承压力影响的水平范围；依据 MohrCoulomb 破坏准则分 析了工作面回采期间受采动支承压力影响底板岩体的最大破坏深度与开采深度、 采动 支承压力、煤岩体强度等因素之间的关系。 （2）根据工作面与底板巷道的空间关系，分三个阶段，跨采前、跨采阶段、跨 采后。 分析了三个阶段中底板巷道的受力变形破坏情况，并对底板巷道受采动影响时 4 种典型破坏特征进行分析。 （3）运用 FLAC3D数值软件，模拟了影响跨采底板巷道稳定性的两个因素，结 果表明垂直距离越小对底板巷道影响越大，不利于巷道的维护；为了有利维护巷道 的稳定，布置巷道时，两者垂直距离应适当。随着水平距离的不断减小，当巷道水平 距离 10m 左右时，围岩应力达到最大，此时巷道围岩最易发生破坏；跨采后巷道围 岩应力明显低于跨采前，底板巷道处于采空区应力降低区。 （4）针对华润集团唐洞煤矿生产巷道布置，提出了锚网、可伸缩“U”型钢联合 支护、关键部位锚索加强支护的方案；经过现场实践，取得了良好的支护效果。该支 护技术解决了唐洞煤矿受采动影响的巷道围岩变形的支护问题， 有效缓解了唐洞煤矿 采掘接替紧张的局面并推动该矿巷道支护技术的革新， 并对类似条件下的矿井巷道支 护具有借鉴意义。 关键词跨采巷道；破坏特征；数值模拟；支护技术； 万方数据 - ii - ABSTRACT The roadway surrounding rock was serious failure for during the period of mining the coal of the main production roadway in TangDong coal of Hunan huarun coal Ltd, the maintenance roadway was very difficulty .To solve the problem supporting of Tangdong coal , the paper mainly across the floor mining roadway deation mechanism, conduct research and critical control stability mechanism, proposed anchor ,scalable “U“ shaped steel combined support, anchor key parts of the program to strengthen support, The study result is used in practice. The following was main research 1 Through the study of the working face support pressure distribution law, Established a model for working pressure in front of the rear support additional stress, draw a horizontal range abutment pressure effects; Based on Mohr Coulomb failure criterion a condition of maximum damage depth obtained by mining rock bearing pressure on the floor during the mining face, The maximum damage depth was influence mining depth, mining bearing pressure, coal and rock strength and other factors. 2 To Analysis across the roadway on the floor mining theoretical analysis is divided into three stages, cross stage by mining、cross-mining stage、After the inter-stage mining. The force of deation and failure analysis of the three stages in the floor tunnel; And floor roadway affected by mining when four typical failure characteristics were analyzed. 3 The use of numerical software FLAC3D to simulate the impact of mining floor roadway stability across the two factors. The result have shown that the closer the vertical distance the greater the impact on the bottom roadway, is not conducive to the maintenance of roadway; beneficial to maintain the stability of the roadway when the roadway layout, the vertical distance between the two should be appropriate, with the horizontal distance is reduced to the level of the roadway distance of about 10 meters, rock stress reaches the maximum, most likely at this roadway damage occurred; rock stress across postharvest significantly lower across the roadway before harvest, because of roadway across postharvest reduce stress in Gob area. 4 By theoretical analysis, numerical simulation, presented Anchor, scalable “U“ shaped steel combined support, key parts of the anchor to strengthen support programs; through field practice, support to good effect, to solve the coal hole by Don mining issues affecting the supporting roadway deation; effectively alleviate the succeeding Tang hole tension coal mining and mine roadway promote innovation and technology, and with reference mine roadway under similar conditions. Keywords Cross-mining; Failure Characteristics; Numerical simulation; supporting technology. 万方数据 目目 录录 摘要摘要................................................................................................................................... i Abstract ........................................................................................................................... ii 第一章第一章 绪论绪论 1.1 选题背景及其意义 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 1 1.2.1 国内外巷道支护理论的现状 ............................................................................ 2 1.2.2 动压巷道支护技术研究现状 ............................................................................ 4 1.3 主要研究内容与技术路线 ...................................................................................... 6 1.3.1 主要研究内容 ................................................................................................... 6 1.3.2 研究技术路线和方法 ....................................................................................... 6 第二章第二章 跨采动压巷道受采动支承压力影响失稳分析跨采动压巷道受采动支承压力影响失稳分析 2.1 采场支承压力分布规律 .......................................................................................... 9 2.1.1 超前支承压力的形成 ....................................................................................... 9 2.1.2 工作面前后支承压力分布规律 ...................................................................... 10 2.2 巷道围岩受力特征分析 ......................................................................................... 14 2.2.1 未受采动影响的巷道 ..................................................................................... 14 2.2.2 巷道围岩主要破裂范围 ................................................................................. 14 2.2.3 巷道稳定性影响因素 ..................................................................................... 15 2.3 动压巷道变形失稳分析 ........................................................................................ 16 2.3.1 工作面推进速度对超前支承压力的影响 ...................................................... 17 2.3.2 动压底板巷道围岩变形阶段 .......................................................................... 17 2.3.3 动压底板巷道失稳特征 ................................................................................. 20 2.4 本章小结 ................................................................................................................ 22 第三章第三章 跨采动压巷道围岩稳定性数值分析跨采动压巷道围岩稳定性数值分析 3.1 FLAC3D简介 ........................................................................................................ 25 3.2 数值计算模型的建立.......................................................................................... 26 3.3 垂直距离 z 对围岩稳定性的影响 ...................................................................... 27 3.3.1 巷道围岩应力分布特征 ............................................................................... 28 3.3.2 巷道围岩变形分布特征 ............................................................................... 31 万方数据 3.3.3 巷道围岩塑性区分布特征 ........................................................................... 34 3.4 巷道距工作面端头水平距离对围岩稳定性的影响 ........................................... 35 3.4.1 巷道围岩应力分布特征 ............................................................................... 36 3.4.2 巷道围岩变形分布特征 ............................................................................... 38 3.4.3 巷道围岩塑性区分布特征 ........................................................................... 41 3.5 本章小结 ............................................................................................................ 43 第四章第四章 跨采动压巷道控制技术跨采动压巷道控制技术 4.1 动压巷道稳定性因素 ........................................................................................... 45 4.2 动压巷道围岩控制原则 ....................................................................................... 46 4.3 跨采动压巷道控制技术途径 ................................................................................ 47 4.4 跨采动压巷道围岩控制技术 ................................................................................ 48 4.4.1 “U”型钢可伸缩支架联合支护技术 ............................................................. 49 4.4.2 关键部位加强支护技术 ................................................................................. 52 4.4.3 控制跨采动压巷道围岩变形机制 .................................................................. 54 4.5 本章小结 .............................................................................................................. 55 第五章第五章 工程实践工程实践 5.1 工程概况 .............................................................................................................. 57 5.2 巷道的变形破坏情况 ........................................................................................... 58 5.2.1 原巷道的支护方式 ......................................................................................... 58 5.2.3 围岩内部探测情况 ......................................................................................... 60 5.2.4 巷道破坏原因分析 ......................................................................................... 63 5.3 支护方案设计 ....................................................................................................... 64 5.3.1 支护方案 ........................................................................................................ 64 5.3.2 施工工艺与要求............................................................................................. 65 5.4 巷道围岩变形监测 ............................................................................................... 66 5.4.1 测站布置 ........................................................................................................ 66 5.4.2 测量仪器 ........................................................................................................ 67 5.4.3 数据整理与变形监测分析 ............................................................................. 67 5.5 施工中所发现的问题及解决方法 ........................................................................ 70 5.6 本章小结 .............................................................................................................. 71 第六章第六章 结论与展望结论与展望 6.1 主要结论 .............................................................................................................. 73 万方数据 6.2 展望 ...................................................................................................................... 74 参考文献参考文献 ......................................................................................................................... 75 致谢致谢................................................................................................................................. 79 附录攻读硕士学位期间科研成果附录攻读硕士学位期间科研成果 .............................................................................. 81 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 1.1 选题背景及其意义选题背景及其意义 煤炭资源在我国国民经济发展中占有重要地位。随着近年来我国经济的迅速发展， 煤炭资源需求量越来越大，对煤炭合理安全高效的开采利用，能够对国民经济的发展起 到保驾护航的现实意义。煤炭作为不可再生能源，很多矿井为了提高煤炭回采率，通过 采取合适的途径减小保护煤柱尺寸、对高应力区域用卸压法进行开采，对底板巷道进行 跨采， 这就不可避免的增加了受动压影响巷道的数量。 原本已达到稳定状态的巷道围岩， 由于受动压的影响，常常表现出变形、失稳和维护困难的特点。原有的支护系统遭到严 重的破坏，围岩变形量大，巷道发生顶板冒落、片帮和底板底鼓等现象。如果对损坏巷 道维护方式不当， 将导致治理效果不佳， 有的巷道经返修后， 围岩变形量反而越来越大， 致使巷道围岩松动圈进一步增大，造成巷道维修支护难度越来越大，给煤矿的安全生产 带来了严重的不利影响，并且造成大量物力和财力的损失。 随着支护理论的不断完善，支护技术越来越成熟，矿井巷道支护有了很大的改善且 巷道围岩稳定性良好，但是受动压影响的巷道，尤其是受动压而失稳的巷道的支护仍然 是巷道支护中的薄弱环节，给煤炭合理安全高效的开采利用带来诸多不便。由于煤炭需 求量的增大，将会造成受动压影响巷道的数量的增多，所以迫切需要对动压巷道以及对 受动压失稳巷道的支护理论和支护形式进行深入研究，以找到解决此类巷道支护的有效 合理的方法，维护巷道的稳定性，更好的促进矿井的生产活动安全高效的运行。 华润集团唐洞煤矿目前主要开采 2 煤和 4 煤。随着开采力度的加大，唐洞煤矿的主 要生产巷道远离工作面时，巷道支护状态良好，受煤层开采影响时，反应强烈。如八一 井副井、21 采区轨道上山、21 采区溜煤上山、上 22 采区溜煤上山、-200m 井底车场绕 道受上覆工作面采动影响较大。在此过程中，巷道的维护状态急剧恶化，巷道围岩破坏 严重，对唐洞煤矿的正常生产造成了安全隐患。 为了解决唐洞煤矿支护中遇到的难题，本文针对跨采底板巷道围岩变形破坏机理、 关键性控制技术开展研究，形成具有针对性强的巷道围岩稳定性控制技术，为解决唐洞 煤矿受采动影响的巷道围岩变形严重问题提供理论依据。有效指导唐洞煤矿巷道支护和 三水平巷道布置，缓解唐洞煤矿采掘接替紧张的局面并推动该矿巷道支护技术的革新， 这对该矿具有较好的现实意义；同时，研究成果可以在唐洞矿区及类似条件下的矿井中 推广应用，具有一定的指导作用。 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 万方数据 第一章 绪论 - 2 - 1.2.11.2.1 国内外巷道支护理论的现状国内外巷道支护理论的现状 国内外学者对巷道围岩变形破坏机理进行大量的研究，巷道支护理论也在不断的完 善，并应用于工程实践中，取得了巨大的经济效益。 （1）国外研究现状 1）从上世纪 50 年代起，岩石力学开始作为一门独立的学科，开始运用弹塑性力学 的知识来解决巷道支护方面的问题，Fenner公式和tnerKas公式尤为经典[1]。应用弹塑 性力学知识对“支护-围岩”相互作用系统进行分析，两者相互作用维护巷道围岩的稳 定性。 2 上世纪 60 年代，奥地利工程师bcewiczRa吸取了前人的经验，在隧道施工应用 了新的设计施工方法，即“新奥法”[2-5]。新奥法的核心围岩本身是支护结构的主要承 载部分，施工工程中尽快形成筒形结构，并进行二次彻砌，使围岩与支护结构形成一个 整体结构，共同作用，实现支护的目的。 3 上世纪 70 年代， lamonSDMa.. 等人提出了“能量支护理论”[6]。该理论认为 巷道围岩在开挖前处于原始应力平衡状态，巷道开挖后，围岩应力重新分布，巷道围岩 在产生破坏的过程中释放能量，围岩本身和支护系统共同吸收巷道围岩因变形释放的能 量，总的能量不变；通过合理的支护结构有效调整围岩因变形释放的能量和支护系统吸 收的能量，使“围岩-支护体”共同作用，维护巷道围岩的稳定性。 4）上世纪 90 年代，澳大利亚学者提出了最大水平应力理论[7]。该理论的核心是巷 道围岩的稳定性主要受水平应力的影响，当巷道的轴线方向与水平应力方向平行时，巷 道围岩受水平应力影响最小，有利于巷道围岩维护；当两者垂直时，受水平应力影响最 大，巷道围岩稳定性最差。 5）近年来，数值计算模拟技术对实践进行预测和指导，很好的服务于工程实践[8]， ADINA、NOLM、UDEC、FLAC等计算程序已成为岩土力学计算中的重要方法，这 些计算程序与岩石力学知识相结合，对现场实践进行模拟分析，为巷道支护设计提供指 导。 我国从上世纪 50 年代开始了在巷道支护理论等方面的研究，经过几十年的努力研 究，支护理论得到了不断的发展和完善，取得了一系列的成果，主要成果如下 1）于学馥等人的“轴变理论”[9-11]认为巷道开挖过程中围岩应力重新分布，当应 力超过了岩体自身的承载强度极限是引起巷道围岩变形的主要原因。开挖巷道的大变形 导致的围岩坍塌改变了巷道原有的轴比，应力重新分布一直到达到平衡状态为止。形状 为椭圆形的应力平衡分布的轴比是巷道支护的最稳定的轴比，该理论巷道支护以及开挖 断面的设计提供了行的依据。 2）冯豫、陆家梁，郑雨天、朱效嘉等人对支护技术进行了深入的研究，并结合现 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 3 - 场实践，提出了“联合支护理论”[12-14]，该理论的核心为对软岩巷道支护时，允许巷 道围岩有部分变形，先进行柔性支护，等巷道达到一定变形时，再进行刚性支护，要把 握柔性支护让压适度的原则，根据此理论发展起来了以锚杆为基本支护的多种联合支护 形式。 3）孙均、郑雨天教授等人提出了“锚喷-弧板支护理论”[15]，该理论认为在软岩 巷道中，对巷道围岩不能总是放压，当应力释放到一定程度时，要坚决顶住，利用锚喷 支护作为柔性支护、钢筋混凝土弧板作为刚性支护，两者共同作用阻止巷道发生变形。 4）董方庭教授为代表的学者在大量现场与试验研究工作的基础上，提出了“围岩 松动圈支护理论”[16-17]。该理论认为，在集中应力的作用下，巷道围岩由于变形产生裂 隙形成了松动圈。在巷道支护过程中，巷道支护困难的原因主要是由于巷道围岩松动圈 过大造成的， 为了维护巷道的稳定性， 不同程度的松动圈采取的支护方式是也是不同的。 5）方祖烈教授等人根据大量实测资料并深入研究，提出了“主次承载区支护理论” [18]。该理论的核心巷道在开挖后，在围岩中形成张拉域、压缩域两大区域，压缩域形 成于处于三向应力平衡的围岩深部，是保持巷道围岩稳定性的主承载区；张拉域形成于 巷道围岩的浅部区域，通过有效的措施对其进行加固，使该区域具有一定的承载能力， 是保持巷道围岩稳定性的次承载区。只有主、次承载区相互配合，共同作用，有机的结 合在一起才能维护巷道的稳定。 6）何满潮提出了关键部位耦合组合支护理论”[19-21]，认为支护体的刚度、强度与 巷道围岩的不匹配是造成巷道支护失败的主要原因。应当采取适当的支护技术使两者相 互耦合，共同