近距重复采动无墙体沿空留巷围岩稳定与控制技术.pdf

国家自然科学基金青年科学基金项目51104152 国家自然科学基金青年科学基金项目51404256 江苏省“青蓝工程” 江苏省高校优势学科建设工程资助项目P AP D 硕士学位论文 近距重复采动无墙体沿空留巷围岩稳 定与控制技术 Surrounding Rock Control Technology and Stability of Gob-side Entry Retaining Without Backfilling Wall under Frequent Mining Disturbance in Close Distance Coal Seams 作 者 花锦波 导 师 郑西贵副教授 中国矿业大学 二〇一五年五月 万方数据 中图分类号 TD353 学校代码 10290 UDC_____________622_______ 密 级 公开 中 国 矿 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 近距重复采动无墙体沿空留巷围岩稳定与 控制技术 Surrounding Rock Control Technology and Stability of Gob-side Entry Retaining Without Backfilling Wall under Frequent Mining Disturbance in Close Distance Coal Seams 作 者 花锦波 导 师 郑西贵 申 请 学 位 工学硕士 培养 单 位 矿业工程学院 学 科 专 业 采矿工程 研 究 方 向 巷道围岩控制 答 辩 委 员 会 主 席 陆菜平 评 阅 人 盲审 二〇 _ 五年五月 万方数据 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、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 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即 ①学校档案馆和图书馆有权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；②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师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年月日年月日 万方数据 论文审阅认定书 研 究 生 花 锦 波 在 规 定 的 学 习 年 限 内 ， 按照研究生培养方案的 要求，完成了研究生课程的学习， 位论文，经审阅，论文中的观点、 文撰写格式符合学校的相关规定， 专家评审。 成绩合格；在我的指导下完成本学 数据、表述和结构为我所认同，论 同意将本论文作为学位申请论文送 导师签字 年月日 万方数据 致 谢 光阴荏荐， 自 2012年入徐求学，时近三载，回首往昔，历历如在昨日。余 生性驽钝，虽牢记勤力自勉，但多碌碌不得其法，所幸读研三年，得良师益友指 点，受益颇深，方有今日，育教之恩， 当黄雀衔环以图报之万一。 本论文是在导师郑西贵副教授的悉心指导之下完成的。与导师相处三年，导 师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师 德 ，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。导师为人幽默风趣，积极乐 观的生活态度深深影响着我，师从三载，受益终生。论文从选题到完稿，无论是 论文构思还是论文标题的修改，每一步都是在郑老师的指导下完成的，倾注了导 师大量的心血，惟愿导师桃李满天下 本论文的完成也离不开其他各位老师、同学和朋友的关心与帮助。在此也要 感谢张农教授、李桂臣副教授、许兴亮副教授、阚甲广副教授、季明老师、赵一 鸣老师、韩昌良老师在论文开题、初稿、预答辩期间所提出的宝贵意见，感谢课 题组为本论文提供的平台。还要感谢同门的师兄师弟们，在三年的读研过程中给 予的鼓励与帮助。同时，感谢冯晓巍博士、刘娜、夏伟、李涛三年来在学习和生 活中的付出与帮助、还要感谢同学卫英豪、刘飞、陈红、冯飞、蒋作函、王逸凡 等以及师弟路抗、 麻 卫、 邱鹏、张霖、 岳伟、 付世雄等对我的爱护、包容和帮助， 愿友谊长存 感谢课题组薛飞博士、李宝玉博士、潘东江博士等在学术上给予的 指导。 还要感谢父母和女友在我求学生涯中给与我无微不至的关怀和照顾， 一如既 往地支持我、鼓励我，愿将来能用自己的努力回报他们。 感谢各位专家、教授在百忙之中评审本论文，由于作者水平有限，文中难免 有不足和疏漏之处，热切希望得到您们的批评指正。 花 锦 波 2015年 4 月于南湖 万方数据 摘 要 老母坡煤矿2 煤 、3 煤 层 间 距 6〜 12m，埋深较浅，无瓦斯隐患，为解决工作 面接续紧张、资源采出率低等难题，进行了近距煤层重复采动条件下得无充填墙 体沿空留巷。目前对于单一煤层开采条件下沿空留巷围岩控制技术研宄较多，但 对于近距重复釆动下无充填沿空留巷围岩控制理论的研宄较少。 本文综合采用理论分析、数值模拟与现场实测等方法，从上覆煤层釆后下伏 煤层的矿压显现规律以及底板损伤范围入手， 分析了下伏采空区下留巷顶板结构 及其荷载特征，提出了重复釆动无墙体沿空留巷切顶力学模型，阐明了留巷侧向 基本顶的断裂平衡机制，结合“给定载荷”、“给定变形”、“采空区矸石侧压” 以及 “底板比压”，设计了巷旁强力切顶支架作为巷旁支护方式，完善了近距煤层重复 釆动无墙体沿空留巷围岩控制体系。主要研究成果如下 1 运用弹塑性理论，结合上覆煤层顶板垮落特点及其应力分布推导得出 上覆煤层釆后底板损伤破坏深度，并通过数值模拟及现场RQ D 质量指标实测进 行验证；通过底板屈服比计算及老母坡矿实际地质条件，确定老母坡煤矿下伏巷 道顶板存在单层基本顶，为 下 伏 3 煤顶板锚索长度的确定提供了初步依据。 2 以老母坡煤矿地质条件为例，通过数值模拟，揭示近距下伏煤层工作 面矿压显现规律， 为探讨近距下伏煤层无墙体沿空留巷围岩控制提供可靠的理论 基础。 3 针对近距离煤层釆后顶板特征，理论研宄了近距离下伏煤层沿空留巷 顶板荷载的计算依据， 分析了上覆煤层釆后下伏沿空留巷侧向基本顶的破断失稳 特征 。 4 通过对国内无墙体沿空留巷的成功案例进行归纳总结，分析了无墙体 沿空留巷的适用条件； 依据无墙体沿空留巷切顶力学模型，结合“给定载荷” 、 “ 给 定变形”、“采空区矸石侧压”等分析了巷旁切顶支架载荷的设计依据；通过数值 模拟计算，分析了巷旁400kN/m、600kN/m、800kN/m以 及 1000kN/m四种切顶 载荷下留巷基本顶的破断形态及其对沿空留巷围岩应力分布及位移的影响情况; 通过模拟分析巷内1排 、2 排 及 3 排单体支护时，留巷顶板及实体煤支承压力及 围岩变形情况，确定合理的巷内辅助单体支撑密度。 5 针对近距下伏煤层顶板受上覆煤层采动损伤影响，沿空留巷顶板破碎 易冒顶等安全隐患问题， 采用现场试验的方法确定了包括掘进期间锚杆的施工预 紧力矩、合理的锚索支护长度以及留巷期间的巷旁强力切顶支架切顶、顶板深浅 孔联合注浆加固技术、防漏风隔模和喷涂材料喷涂封闭采空区等安全保障体系， 形成了一套较为完善的近距重复釆动无墙体沿空留巷技术， 在取消巷旁充填墙体 I 万方数据 的条件下，保证了留巷的成功。 老母坡煤矿近距重复釆动无墙体沿空留巷的成功实施， 为重复采动下的沿空 留巷开辟了一条新的路径， 其实践过程中积累的技术和现场管理经验具有较高的 推广价值。 该论文有图64幅，表 9 个 ，参 考 文 献 92篇 。 关键词近距离煤层；重复釆动；底板屈服比；切顶载荷；切顶支架；巷内支护 密度 II 万方数据 Abstract In te r laye r sp acin g b e twe e n shallow-b ur ial coal se ams No.2 an d No.3 in Laomup o Min e r an ge s fr om 6 m to 12 m, an d the r e is n o me than e occur r e n ce in the se two coal se ams. In this min e , p illar le ss gob -side e n tr y r e tain in g un de r r e p e ate d coal min in g in flue n ce is adop te d for the sake of solvin g min in g face s r e p lace me n t p r ob le ms in close in te r laye r se ams. Cor r e late d r e se ar che s on gob -side e n tr y r e tain in g in sin gle coal se am have fully de ve lop e d, n on e the le ss, study on sur r oun din g r ock sup p or t in p illar le ss gob -side e n tr y r e tain in g, suffe r s r e p e ate d min in g-in duce d distur b an ce due to close in te r laye r coal se ams sp acin g, is r ar e ly discusse d. 1 By utilizin g e lastic-p lastic the or y, fr actur e de p th in floor on accoun t of e xtr action of ove r lyin g coal se am was de duce d b ase d on r oof cavin g char acte r istics an d comp ar ative str e ss distr ib ution , an d it also b e e n te stifie d with the aid of n ume r ical simulation an d R QD in de x in fie ld te st. Sin gle laye r of imme diate r oof in un de r lyin g e n tr y was clar ifie d b ase d on calculation on yie ld r atio an d p r actical ge ology in Laomup o Min e , it thus p r ovide d p r e limin ar y b asis for the de sign of b olt le n gth in un de r lyin g No.3 coal se am. 2 Distr ib ution law for min in g-in duce d p r e ssur e in un de r lyin g coal se am is e xp lain e d b y n ume r ical simulation , which p r ovide s r e liab le the or e tical b asis for study on sur r oun din g r ock con tr ollin g in p illar le ss gob -side e n tr y r e tain in g. 3 In vie w of r oof char acte r istics b e hin d the min in g face un de r the cir cumstan ce of close distan ce coal se ams, calculation b asis for r oof load in r e tain e d e n tr y b ur ie d in un de r lyin g coal se am is the or e tically an alyze d, an d fr actur e in stab ility char acte r istics of late r al r oof ar e also p r ob e d. 4 The ap p lication con dition s of p illar le ss gob -side e n tr y r e tain in g we r e studie d b y ge n e r alization an d summar ization of succe ssful case s in home an d ab r oad, the load de sign b asis of e n tr y-side r oof-cuttin g sup p or t, on the b asis of r oof-cuttin g me chan ical mode l for p illar le ss gob -side e n tr y r e tain in g, was p r ob e d b y comb in in g “p r e se t load”, “p r e se t de for mation ”， “late r al gan gue p r e ssur e ”， an d “floor sp e cific p r e ssur e ”. The n ume r ical simulation p r e se n te d the fr actur e mode s un de r diffe r e n t r oof-cuttin g loads, 400kN/m、600kN/m、800kN/m,1000kN/m of imme diate r oof in r e tain e d e n tr y, an d the imp acts of diffe r e n t mode s on str e ss distr ib ution ar oun d r e tain e d e n tr y was also discusse d. In or de r to clar ify a r e ason ab le de n sity for auxiliar y in dividual p r op s, sup p or tin g p r e ssur e an d de for mation in r oof an d coal r ib , with the aid of simulation III 万方数据 softwar e , we r e an alyze d as the p r op ar r an ge me n t we r e 1 r ow, 2 r ows, an d 3 r ows, r e sp e ctive ly. 5 Aime d at the p r ob le ms that the r oof of un de r lyin g se am may suffe r min in g-in duce d fr actur e of ove r lyin g coal se am an d some se cur ity hidde n tr oub le s con ce r n in g r oof fr actur e an d cavin g in clin ation , p r e -tighte n in g mome n t an d advisab le cab le le n gth of b olt was de fin e d b y fie ld tr ie s, this study also p r op ose d p owe r r oof-cuttin g p r op s for gob -r ib sup p or t in r e tain e d e n tr y, gr outin g te chn ology comb in e d de e p hole s an d shallow hole s, air le akage p r e ve n tion se p ar ation mode , an d gob se alin g e lastic mate r ial b y sp r ayin g e tc. He n ce , a se t of te chn ical syste m was b uilt for p illar le ss gob -side e n tr y r e tain in g un de r r e p e ate d min in g in flue n ce an d multip le coal se ams ge ology, this te chn ology can ce lle d tr adition al te chn iq ue s with man -made b ackfillin g wall se t alon g gob r ib in e n tr y, an d mor e ove r , it guar an te e s the succe sse s of gob -side e n tr y r e tain in g. The succe ssful imp le me n tation of p illar le ss gob -side e n tr y r e tain in g un de r multip le coal se ams an d r e p e ate d min in g-in duce d in flue n ce p r ovide s a n ove lty p ath for gob -side e n tr y r e tain in g un de r r e p e ate d min in g in flue n ce , the te chn ical an d man age r ial e xp e r ie n ce accumulate d b y fie ld p r actice s has ce r tain valuab le p r omotion al value . Ke ywor ds close distan ce coal se ams； r e p e at min in g； yie ld r atio for floor ； r oof-cuttin g load； r oof-cuttin g sup p or t； sup p or t de n sity in r e tain e d e n tr y IV 万方数据 目 录 摘要.........................................................................................................................I 目 录 ........................................................................................................................V 图清单......................................................................................................................IX 表 清 单 ...................................................................................................................X III 变 量 注释 表 ...........................................................................................................XIV 1 绪 论 ........................................................................................................................1 1.1 问题的提出及研宄意义......................................................................................1 1.2研宄现状及存在的问题......................................................................................3 1.3研宄内容及技术路线........................................................................................11 2 近距重复釆动沿空留巷力学环境及基本顶破断特征.......................................13 2 .1 近距离下伏煤层开采工作面矿压显现规律....................................................13 2 .2 上覆煤层采后底板损伤分析............................................................................17 2 .3 重复采动沿空留巷顶板结构及荷载分析........................................................21 2 .4 无墙体沿空留巷基本顶破断平衡机制...........................................................23 2.5 本章小结........................................................................................................... 31 3 无墙体沿空留巷巷旁切顶及巷内支撑载荷数值计算.......................................32 3 .1 无墙体沿空留巷的适用条件............................................................................32 3.2 UDEC数值模拟模型的建立.............................................................................34 3 .3 不同切顶载荷下沿空留巷切顶效果............................................................... 36 3 .4 无墙体巷旁切顶留巷围岩塑性区分布规律....................................................42 3 .5 沿空留巷巷内辅助支撑强度数值分析对比....................................................44 3.6 本章小结........................................................................................................... 49 4 近距重复釆动无墙体沿空留巷围岩控制及参数设计.......................................50 4 .1 巷旁切顶组合支架设计....................................................................................50 4 .2 重复釆动下留巷巷内巷内锚杆工程预紧力矩................................................54 4 .3 重复釆动下留巷巷内顶板锚索长度优选........................................................59 4 .4 深浅孔围岩注浆控制技术................................................................................64 4.5 本章小结........................................................................................................... 65 5 老 母坡煤矿 3101工作面工业性试验.................................................................66 V 万方数据 5 .1 工程概况及地质条件.......................................................................................66 5.2 围岩控制方案 ................................................................................................... 68 5 .3 重复釆动无墙体沿空留巷矿压观测规律........................................................75 5 .4 无墙体沿空留巷经济效益................................................................................77 5 .5 本章小结........................................................................................................... 78 6 主 要 结 论 ..............................................................................................................79 参考 文 献 ..................................................................................................................80 作者 简 历 ..................................................................................................................85 学位论文原创性声明.............................................................................................. 87 学位论文数据集...................................................................................................... 88 VI 万方数据 Contents Con te n ts..................................................................................................................VII List of Figur e s..........................................................................................................IX List of Tab le s........................................................................................................ X III List of Var iab le s................................................................................................... XIV 1 In tr oduction ............................................................................................................1 1.1 State me n t of P r ob le m an d R e se ar ch Sign ifican ce .................................................1 1.2 R e se ar ch Status an d P r ob le ms .............................................................................. 3 1.3 Main R e se ar ch Con te n ts an d Me thods ................................................................ 11 2 Str e ss En vir on me n t an d Failur e Char acte r istics on Old R oof of Gob -side En tr y R e tain in g Without Backfillin g Wall.......................................................................13 2.1 Min e P r e ssur e Be havior of Un de r gr oun d Coal Se am in close distan ce coal....... 13 2.2 In flue n ce of the Up p e r Coal Se am Min in g on Faulte d Con dition of Floor.........17 2.3 An alysis of Load Str uctur e of R oof in Gob -side En tr y R e tain in g un de r Fr e q ue n t Min in g Distur b an ce .................................................................................................. 21 2.4 Fr actur e an d Balan ce of Old R oof in Gob -side En tr y R e tain in g Without Backfillin g Wall un de r Fr e q ue n t Min in g Distur b an ce ..............................................23 2.5 Br ie f Summar y ................................................................................................... 31 3 Nume r ical Mode l of Sup p or t Load of R oadside an d R oadway in Gob -side En tr y R e tain in g without Backfillin g W all.............................................................32 3.1 Ap p ly Con dition in Gob -side R n tr y R e tain in g without Backfillin g Wall un de r Fr e q ue n t Min in g Distur b an ce ................................................................................... 32 3.2 Estab lishme n t of UDEC Mode l........................................................................... 34 3.3 Simulation Effe ct in Diffe r e n t R e sistan ce Load.................................................. 36 3.4 R e gulation Law of P lastic Zon e in Gob -side En tr y R e tain in g Without Backfillin g Wall un de r Fr e q ue n t Min in g Distur b an ce ................................................................ 42 3.5 Simulation An alysis of Sup p or tin g S