坚硬顶板大采高沿空掘巷支护关键技术.pdf

分类号分类号 TD322TD322密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码1 104240424 学学 位位 论论 文文 坚坚硬硬顶顶板板大大采采高高沿沿空空掘掘巷巷支支护护关关键键技技术术 王王帅帅 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称工程力学工程力学 指指导导教教师师姓姓名名代代 进进职职称称教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六年二零一六年六六月月 万方数据 论文题目 坚坚硬硬顶顶板板大大采采高高沿沿空空掘掘巷巷支支护护关关键键技技术术 作者姓名作者姓名王王 帅帅入学时间入学时间 2013 年年 9 月月 专业名称专业名称工程力学工程力学研究方向研究方向矿山岩体力学矿山岩体力学 指导教师指导教师代代 进进职职称称教教授授 论文提交日期论文提交日期2016 年年 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期2016 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 The key Technology of Hard Roof and Large Mining Height along Goaf ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wang Shuai Supervisor Professor Dai Jin College of Mining and Safety Engineering June 2016 万方数据 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 我国厚煤层的煤炭储量十分丰富且分布广泛，全国拥有厚煤层的生产矿井占生产矿 井总数的 40.6，可采储量占生产矿井总储量的 45。厚煤层开采一般有大采高、综采 放顶煤和分层开采三种开采方法。由于大采高工作面具有生产能力大、自动化程度高、 回采率和生产效率高、安全条件和经济效益好等特点，逐渐成为目前国内外厚煤层开采 的首选采煤工艺。 本文以济宁三号煤矿为原型，综合采用理论分析、数值模拟及工程实践等方法对大 采高沿空掘巷稳定性和支护技术进行了研究。首先，根据砌体梁结构的 S-R 稳定理论， 建立大采高综采和综放开采两种结构力学模型， 推导出了水平挤压力和剪力的对应公式， 绘制了弹塑性支承压力曲线， 直观地反映出采空区侧向煤体内支承压力分布规律； 其次， 根据 UDEC2D离散元数值模拟软件， 分析了基本顶断裂结构对于沿空掘巷稳定性的影响； 对煤厚为 3m、4m、5m、6m 四种不同情况下沿空巷道围岩应力环境和变形特征进行了 研究，同时将大采高综采和综采放顶煤进行对比，分析了不同开采工艺所对应的沿空巷 道围岩变形规律；最后，对济宁三号煤矿 5312 工作面沿空巷道进行支护设计，并观测分 析了巷道围岩稳定性效果，验证了支护参数设计的合理性和科学性。 关键词关键词砌体梁；大采高；综放开采；沿空掘巷；巷道支护 万方数据 山东科技大学硕士学位论文ABSTRACT ABSTRACT The coal reserves of thick coal seam in our country are very rich and widely distributed.Theproductionofthickcoalseamsaccountedfor40.6ofthetotal production.Recoverable reserves reached 45 of the total production of the mine.There are three kinds of mining s in high and thick coal seam mining such as full high coal mining,fullymechanizedsub-levelcavingmining,slicingmining .There are many characteristics in large cutting height workface,for example,large productioncapacity,highdegreeofautomation,highrecoveryrateandproduction efficiency,safety conditions and good economic benefits and so on.It has gradually become the first choice of coal mining technology in thick coal seam mining at home and abroad. In this paper,Jining No.3 Coal mine is used as the background.Based on the theoretical analysis,numerical simulation,engineering practice,the stability and support technology of large mining height along goaf are studied.First of all,according to the S-R stability theory of masonry beam structure,two kinds of structural mechanics models of large mining height fully mechanized mining and fully mechanized caving mining are established.The corresponding ulas of the horizontal extrusion force and the shear force are derived.The elastic plastic support pressure curve is drawn.It can reflect the distribution law of supporting pressure of side coal in the goaf.Secondly,based on the UDEC2Ddiscrete element numerical simulation software,I analysis the influence of the basic roof fracture structure on the stability of the roadway along goaf.Thirdly,the stress environment and deation characteristics of surroundingrock of roadwayunderfour differentconditionsof coal thicknessin 3m,4m,5m,and 6m are studied.At the same time,I compare fully mechanized mining with fully mechanized top coal caving,and analysis the deation law of surrounding rock in different mining processes.Finally,the supporting design of 5312 working face in Jining No.3 coal mine is carried out.The stability effect of roadway surrounding rock is observed and analyzed.The rationality and the scientific nature of the design of support parameters are verified. Keywordsmasonry beam;large mining height;full-mechanized caving mining;gob-side entry driving;roadway support 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1绪绪论论...........................................................................................................1 1.1课题的提出及研究的意义.............................................................................................1 1.2国内外研究现状..............................................................................................................2 1.3课题研究的主要内容、目标和技术路线....................................................................6 2工作面上覆岩层运动结构及支承压力研究工作面上覆岩层运动结构及支承压力研究................................................8 2.153下11 工作面上覆岩层运动状态................................................................................8 2.2沿空掘巷顶板破断机理............................................................................................... 14 2.3沿空巷道上覆岩体铰接结构力学分析......................................................................16 2.4采空区侧向支承压力分布研究...................................................................................21 2.5本章小结.........................................................................................................................27 3坚硬顶板沿空巷道围岩变形机理研究坚硬顶板沿空巷道围岩变形机理研究......................................................29 3.1沿空巷道围岩变形力学机理研究...............................................................................29 3.2坚硬顶板沿空掘巷围岩变形特征及影响因素分析.................................................33 3.3本章小结.........................................................................................................................45 4坚硬顶板大采高沿空掘巷支护技术坚硬顶板大采高沿空掘巷支护技术..........................................................46 4.1沿空巷道断面设计........................................................................................................46 4.2煤厚 6m 时沿空巷道支护方式及支护参数选择......................................................46 4.3本章小结.........................................................................................................................54 5济宁三号煤矿沿空掘巷围岩稳定性实测济宁三号煤矿沿空掘巷围岩稳定性实测..................................................55 5.1煤层赋存条件及沿空巷道的支护实验......................................................................55 5.253 下12 工作面沿空巷道围岩变形分析......................................................................56 5.3本章小结.........................................................................................................................62 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 6结论与展望结论与展望.................................................................................................63 6.1主要结论.........................................................................................................................63 6.2主要创新点与展望........................................................................................................63 致致谢谢...............................................................................................................65 参考文献参考文献...........................................................................................................67 攻读硕士学位期间的研究成果攻读硕士学位期间的研究成果........................................................................71 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents Contents 1Introduction................................................................................................................................ 1 1.1topic and the significance of the research...........................................................................................1 1.2research status at home and abroad.....................................................................................................2 1.3the main content, objective and technical route of the research.........................................................6 2Study on the movement structure and supporting pressure ............................................8 2.15311 working face overburden movement state.................................................................................8 2.2Roof breaking mechanism of roadway driving along goaf..............................................................14 2.3Mechanical analysis of the articulated structure of the overlying rock mass along the tunnel........16 2.4Study on lateral abutment pressure distribution of mined out area..................................................21 2.5Summary........................................................................................................................................... 27 3Study on deation mechanism of surrounding rock of roadway along goaf ........29 3.1Study on mechanical mechanism of surrounding rock deation of roadway along goaf.......... 29 3.2Deation characteristics and influencing factors of hard roof along goaf..................................33 3.3Summary........................................................................................................................................... 45 4Supporting technology of large mining height along goaf with hard roof.....................46 4.1Design of roadway section along goaf..............................................................................................46 4.2Support and parameter selection of roadway along goaf in coal thickness 6m..................46 4.3Summary........................................................................................................................................... 54 5Measurement of the stability of surrounding rock of roadway driving along goaf ...55 5.1Occurrence condition of coal seam and the supporting experiment of the roadway.....................55 5.2Analysis on the deation of surrounding rock of in working face 5312 ................................56 5.3Summary.........................................................................................................................................62 6Conclusion and Prospect.........................................................................................................63 6.1Main conclusion................................................................................................................................63 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents 6.2Key innovations and Prospects.........................................................................................................63 Thanks..............................................................................................................................................65 References........................................................................................................................................67 Major outcomes during the masters degree.............................................................................71 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1绪绪论论 1.1课题的提出及研究的意义课题的提出及研究的意义 中国经济的高速发展，依赖于煤炭产量的快速增长。我国厚煤层的煤炭储量十分丰 富且分布广泛，全国拥有厚煤层的生产矿井占生产矿井总数的 40.6，可采储量占生产 矿井总储量的 45[1-3]。厚煤层开采一般有大采高、综采放顶煤和分层开采[4]三种开采方 法。 由于大采高工作面具有生产能力大、自动化程度高、回采率和生产效率高、安全条 件和经济效益好等特点，逐渐成为目前国内外厚煤层开采的首选采煤工艺。 对于煤层倾角小于 30的厚煤层开采，大采高综采与放顶煤采煤法相比，具有煤炭 资源回收率高，煤炭含矸率低，回采工作面煤尘、煤的自然发火和瓦斯涌出危险系数低， 安全性好等优点；大采高综采与分层开采相比，大采高工作面生产能力大，有利于合理 集中生产，回采工效和煤炭资源回收率高、巷道掘进率和维护量低，回采工艺和巷道布 置简化，综采设备搬家次数少，搬家费用省，增加生产时间，节省材料（人工假顶材料 等）和回采成本低等优点。 对于放顶煤采煤法，国外早在 20 世纪 40 年代开始使用，此类采煤法引进我国也有 三十多年的时间，大量专家学者在综放开采覆岩运动规律[5-8]、综放回采巷道围岩应力分 布[9-10]、围岩稳定性研究与控制方面[11-12]取得了大量令人满意的成果。相对于厚煤层综 放开采，大采高综采由于一次采出厚度大，采空区内覆岩自由运动空间大，基本顶来压 较综放开采更为剧烈，超前支承压力峰值更高、影响范围更广；同时上覆岩层平衡结构 比综放开采层位更高，高位硬厚岩层的运动也会给沿空巷道带来不利影响，因此需要对 大采高综采和综放支承压力分布进行对比分析，基本顶断裂位置对顶板力学关系和破断 特征进行深入分析，从而对优化巷道的支护参数和护巷煤柱宽度，减少巷道支护和维护 成本、提高经济效益、显著改善采煤工作面工作环境，保障煤矿工人的身心健康，确保 煤矿安全高效生产等具有重要意义[3]。 济宁三号煤矿 53 下12 工作面为兖矿集团公司第一个大采高综采工作面，回采 3下煤 层，区段内煤层厚度 1.07.7m，平均厚度 6m，采用综合机械化一次采全高开采方法， 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 设计回采高度 5.8m，回采巷道光断面尺寸初步设计为 5m4m。工作面沿空巷道沿 53下11 工作面采空区边缘布置，留设 3.5m 小煤柱，巷道留底煤沿煤层顶板布置。 53下12 工作面回采巷道设计宽度达到 5m，顶板裸露面积大，稳定性差，顶板易发 生弯曲、离层、断裂，并且随着巷道高度的增大，巷道围岩拉应力破坏区分布范围将与 普通断面巷道存在较大差异。大断面沿空巷道沿空布置，窄小煤柱经历 53下11 侧向支承 压力和本工作面超前支承压力双重影响，强度进一步降低，以上不利因素给巷道安全、 科学、合理支护带来一定的困难。 1.2国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1采场上覆岩层活动规律的研究现状采场上覆岩层活动规律的研究现状 国外很早就对覆岩破坏规律进行了研究，1928 年德国学者 G.Giuitzer 和 W.Hack 提 出了悬臂梁假说。此假说能够较好地解释工作面周期来压的现象。 1947 年，由比利时学者 A.拉巴斯提出了预成裂隙假说。证明工作面超前顶板岩体 在支承压力的作用下，产生了矿压裂隙，形成非连续性。该假说不能合理地解释釆场上 覆岩层的来压规律和周期性破断，但正确地指出了其破坏的原因。 1954 年由原苏联学者 T.H.库兹涅佐夫提出的铰接岩块假说。该假说认为，针对裂隙 带和冒落带两部分岩层的运动，釆场支架有可能在“给定变形”和“给定载荷”两种条 件下工作。没有对铰接岩块间的平衡条件、支架与岩梁运动间的关系进行研究。 20 世纪 60 年代初，由我国著名学者钱鸣高院士[13]提出砌体梁假说。于 20 世纪 80 年代初期建立了采场岩体裂隙带的“砌体梁”结构模型[14-16]。近几年，钱鸣高、 缪协兴[17] 等又对砌体梁理论进一步发展和完善，提出了经典的“关键层理论”。 20 世纪 60 年代由我国著名学者宋振骐院士[18]提出传递岩梁假说。该理论着重分析 由采场中上覆岩层的运动而造成的矿山压力显现和分布情况，经过生产实践的验证，这 个理论对我国煤矿工业的应用起到了重要的理论依据作用。 1.2.2沿空巷道的研究现状沿空巷道的研究现状 沿空巷道对煤矿无煤柱技术的发展具有现实安全和经济的价值。 李学华， 张农等[19-20] 在理论分析和数值模拟的基础上，研究了综采放顶煤工作面沿空巷道的围岩稳定性，分 析了影响掘巷位置的几个因素－基本顶岩层垮落特征、直接顶和煤体变形特点及采空侧 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 支承压力分布规律， 提出了沿空巷道的合理位置。 研究成果应用于兴隆庄煤矿 5318 综采 放顶煤工作面沿空巷道锚杆支护，并取得了成功。 柏建彪等[21-22]提出了综放工作面沿空掘巷围岩控制机理。采用高强锚杆支护系统能 有效地保持综放沿空掘进巷道的稳定,提出了高强度锚杆支护的窄煤柱是沿空掘巷围岩 承载结构中的一个重要组成部分，并针对不同煤层条件确定了相应的窄煤柱合理宽度。 石平五等[23]根据综放试采面沿空掘巷矿压观测数据,总结分析其沿空掘巷的特有矿 压显现规律,并提出区段煤柱受力力学模型。 王卫军，侯朝炯[24]应用数值模拟方法对沿空巷道围岩的应力分布和底鼓过程进行了 分析，提出沿空巷道靠近采空区的底板中无水平应力的影响，窄煤柱在底鼓过程中起到 了抑制作用。此阶段数值模拟方法得到广泛应用，成为一种研究岩石力学和煤矿安全开 采的常用方法。 马其华等[25]提出了深井小煤柱护巷机理以及沿空巷道的支护技术，通过采用高预紧 力、 强力锚杆强力锚索强力钢带的联合支护方式,使沿空巷道围岩的稳定性得到显著提 高。 刘增辉等[26]针对掘巷滞后时间、沿空掘巷围岩经历掘巷和回采两次扰动影响,研究 了沿空掘巷的开挖巷道和回采过程窄煤柱对围岩的控制作用。 陈科等[27]采用力学计算得出合理的小煤柱宽度,并通过数值模拟,分析了沿空掘巷 上区段工作面煤体内应力变化,得出小煤柱煤巷变形破坏规律,最终确定出合理的小煤柱 宽度并应用于工程实践。 朱若军等[28]通过数值计算方法，研究了沿空掘巷不同煤柱宽度和巷道支护强度时煤 柱的应力场和位移场，提出沿空掘巷小煤柱的合理宽度的留设方法。 张科学[29]针对深部煤层群沿空掘巷具体生产地质条件，采用理论分析、数值计算及 现场试验相结合的方法，得出深部煤层群沿空掘巷护巷煤柱合理宽度的确定方法，充分 考虑了下层煤回采对上层煤沿空掘巷护巷煤柱宽度大小留设的影响。 华心祝等[30]通过建立孤岛工作面沿空掘巷基本顶的力学模型，推导出受动压影响时 巷道顶板下沉量的计算公式。 郑西贵等[31]基于理论分析、FLAC3D数值模拟软件及现场工程实践三种研究方法， 分析了不同宽度护巷煤柱沿空掘巷掘采全过程的应力场分布规律，得出煤柱宽度不同对 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 沿空掘巷煤柱和实体帮应力演化的影响存在差异。提出确定沿空掘巷合理煤柱宽度时， 不仅需考虑掘巷扰动影响，还应将本工作面的超前采动影响作为一个重要影响因素。 英国 Wilson、Whittaker[32-34]等利用岩体结构静力关系提出了分离岩块力学模型。英 国 Smart[35]提出了顶板倾斜力学模型，将限制巷道煤体一侧到采空区边缘之间的顶板的 下沉量作为其核心思想，阐述了顶板倾斜角和转动支点位置是巷旁支护设计的两个重要 参数的观点。前苏联学者 B.胡托尔诺依将采场矿压悬臂模型推广到沿空留巷的研究中， 得到了计算巷旁支护切顶工作阻力计算公式[36]。 综上所述，国内外大量的学者和专家在综放沿空掘巷方面做了很多的研究工作，并 获得卓越的研究成果，但是在大采高条件下沿空巷道的研究却少之又少，尚没有系统的 分析研究。 1.2.3坚硬顶板沿空巷道支护技术的研究现状坚硬顶板沿空巷道支护技术的研究现状 牟宗龙,窦林名[37-38]应用突变理论,采取拓扑变换的方法,得到了坚硬顶板断裂起动过 程的突变条件,建立了断裂起动过程的突变模型,通过对突变模型的数学分析， 针对充州矿 区济三煤矿 6303 工作面的冲击矿压问题,提出了采用顶板爆破[39-41]解除冲击矿压危险的 技术措施,并确定了爆破参数。 刘传孝[42]分别从三维离散单元法及非线性动力学方法两个角度研究了坚硬顶板的 运动规律，坚硬顶板的初次垮落具有冲击性，在其它阶段均处于孕育着变化的混沌态。 李新元[43]等首次推导得出弹性基础梁的能量分布计算公式，分析工作面前方坚硬顶 板断裂前后的能量积聚和能量释放分布规律。 王金安等[44]以坚硬顶板下的房柱式和条带式采矿工程为背景,建立了弹性基础板力 学模型,该模型能够表征采空区内矿柱支撑顶板的情况，并研究顶板不同阶段的破断模式 与突变失稳的力学过程。 成云海等实现坚硬直接顶板条件下沿空巷旁柔性充填体 （充填矸石）承载留巷[45-47]， 试定量计算了覆岩运动对巷旁充填体的静载荷；采用动力学的方法研究了顶板结构模型 的动力效应，定量计算了动载荷。 潘岳等将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基，建立采空区与工作面前方坚硬顶板 的超静定挠度微分方程组。求得此微分方程组的精确解[48-50]，导得初次断裂前、后煤壁 前方的顶板挠度、弯矩和弯曲应变能量密度分布关系式。对实际采场顶板状况的变化作 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 5 出合理的定性判断，并可为坚硬顶板损伤断裂，为因断裂引发顶板应变能释放及冲击矿 压能量来源的研究提供基础。 冯彦军[51]针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题，进行定向水力压裂 控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。 李江通过计算机模拟，得出坚硬顶板条件下特厚煤层沿空巷道围岩应力特征分布， 巷道围岩应力分布[52-53]极不平衡，初步明确“先控帮再控顶”和“巷道围岩分区控制” 的指导思想