浅埋煤层柔模混凝土沿空留巷技术应用研究.pdf

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于西安科技大学。 学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位 为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 万方数据 论文题目浅埋煤层柔模混凝土沿空留巷技术应用研究 专 业桥梁与隧道工程 硕 士 生赵腾飞 （签名） 指导老师王晓利 （签名） 摘 要 神东矿区是我国典型的浅埋煤层矿区，矿区探明储量达 2236 亿吨，是世界八大煤 田之一。 近年来年产量均超过 2 亿吨， 煤层埋藏浅 （大部分在 100m 以内） 、 上覆基岩薄、 地表为厚风积沙覆盖层，是神东矿区煤层赋存条件的突出特点。沿空留巷是提高煤炭资 源开采回收率，减少巷道维护成本和巷道掘进量，提高矿井安全开采和改善煤矿技术经 济收益的一项煤炭资源开采技术。因此对浅埋煤层沿空留巷的研究具有重要意义。 本文采用理论研究、数值模拟和现场工业试验相结合的方法，系统研究了浅埋煤层 沿空留巷矿压结构模型。 通过 FLAC 数值分析软件对浅埋煤层沿空留巷围岩应力进行了 分析，得出了沿空留巷的矿压特征。并对沿空留巷施工进行现场实测，总结现场矿压变 化规律。 本文通过研究得出了浅埋煤层沿空留巷 “承载梁” 结构模型， 该模型计算方法简单， 计算参数较易获得，具有较大的适用性。通过计算得，榆家梁煤矿 43308 工作面巷旁支 护最大压力为 10.3MPa，与留巷矿压观测数据相符。通过现场矿压观测得出，沿空留巷 巷道围岩剧烈活动范围为超前工作面 20m 至工作面后方 60m，在工作面后方 100m 处， 巷道围岩趋于稳定。 柔模混凝土沿空留巷技术在神东集团榆家梁煤矿 43308 工作面进行了成功应用。 实 现了将柔模混凝土沿空留巷技术成功应用于浅埋煤层中。 关 键 词浅埋 柔模混凝土 沿空留巷 支护结构 巷内支护 矿压监测 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Application Research on the Flexible work of Pumped-concrete Support in Gob-side Entry Retaining in Shallow Coal Seam Specialty Bridge and tunnel engineering Name Zhao Tengfei （Signature） Instructor Wang Xiaoli （Signature） ABSTRACT Shendong mining area is a typical shallow coal seam mining area of our country, The proven reserves of this area is 223.6 billion tons, one of the eight coal field of the world. Annual production has more than 2 billion tons In recent years .The prominent features of Shendong coal seam conditions is the shallow buried coal seam usually within 100m, The overlying thin bedrock and thick sand layer. Gob-side Entry Retaining is a technology of Coal mining to raise the recovery ratio of resources, reduce the maintenance cost and the amount of roadway excavation, improve Safety mining and improve the technical and economic benefits. So it is very important to study the Gob-side Entry Retaining in shallow coal seam. This paper using the of theoretical research, Numerical simulation and industrial test to study the pressure structure model of shallow coal seam systematically. Using the numerical analysis software FLAC to analyze the surrounding rock stress of Gob-side Entry Retaining in shallow coal seam, And got the mine pressure feature of Gob-side Entry Retaining. And the mine pressure feature has been measured along the construction to Summary the variation law of mine pressure. In this paper, “Bearing Beam” structure model of Shallow Coal Seam Gob-side Entry Retaining has been got through the study. The calculation of the model is simple and the calculation parameters are easy to obtain. it also has universal application. The maximum pressure of roadside support in Yujialiang coal mine 43308 working face is 10.3MPa. It was in accordance with Mine pressure observation. According to the observation of mine pressure, The activity range of surrounding rock of Gob-side Entry Retaining is between the 20 meters In front of the working face and 60 meters behind the working face. The activity of surrounding rock is stable at the range of 100 meters behind the working face. The Flexible work and concrete Gob-side Entry Retaining Technology has been 万方数据 applied successfully in Shendong group Yujialiang coal mine 43308 working face. It is a fact that The Flexible work and concrete Gob-side Entry Retaining Technology has been applied successfully in the shallow seam. Key words Shallow coal seam Flexible work of Pumped-concrete Gob-side Entry Retaining Supporting structure Roadway support Mine pressure monitoring Thesis Applying Research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出........................................................................................................................ 1 1.2 研究背景............................................................................................................................ 4 1.3 研究意义............................................................................................................................ 4 1.4 浅埋煤层矿压显现规律研究现状.................................................................................... 5 1.5 沿空留巷国内外研究现状................................................................................................ 7 1.6 研究内容............................................................................................................................ 8 2 浅埋煤层沿空留巷巷旁支护设计研究 ............................................................................... 10 2.1 浅埋煤层沿空留巷顶板活动规律.................................................................................. 10 2.1.1 沿空留巷采空侧上覆岩层活动规律 ................................................................... 10 2.1.2 沿空留巷围岩活动的三个时段 ........................................................................... 12 2.2 沿空留巷围岩应力分布特征.......................................................................................... 13 2.2.1 沿空留巷应力分布 ............................................................................................... 13 2.2.2 顶板砌体梁结构 ................................................................................................... 14 2.2.3 老顶“台阶岩梁”结构模型 .................................................................................... 16 2.3 浅埋煤层沿空留巷巷旁支护计算模型分析.................................................................. 17 2.3.1 分离岩块法计算巷旁支护荷载 ........................................................................... 18 2.3.2 浅埋煤层柔模混凝土沿空留巷力学模型 ........................................................... 19 2.3.3 煤帮支护设计 ....................................................................................................... 20 2.4 本章小结.......................................................................................................................... 23 3 榆家梁煤矿沿空留巷支护设计与数值模拟研究 ............................................................... 24 3.1 工程地质概况.................................................................................................................. 24 3.2 沿空留巷支护设计.......................................................................................................... 24 3.2.1 巷内支护设计 ....................................................................................................... 24 3.2.2 巷旁支护设计 ....................................................................................................... 28 3.2.3 43308 工作面沿空留巷支护参数 ........................................................................ 32 3.3 沿空留巷数值模拟.......................................................................................................... 32 3.3.1 模拟验算过程 ....................................................................................................... 33 3.3.2 模拟计算 ............................................................................................................... 33 3.2.3 分析及结论 ........................................................................................................... 37 3.4 本章小结.......................................................................................................................... 37 万方数据 目 录 II 4 工业试验研究 ....................................................................................................................... 38 4.1 工程地质条件.................................................................................................................. 38 4.1.1 工作面概况 .............................................................................................................. 38 4.1.2 煤层赋存特性 .......................................................................................................... 38 4.1.3 地质构造特征 .......................................................................................................... 39 4.1.4 水文地质特征 .......................................................................................................... 39 4.2 施工准备.......................................................................................................................... 39 4.2.1 现场混凝土设计 ...................................................................................................... 39 4.2.2 施工材料 .................................................................................................................. 41 4.3 柔模混凝土沿空留巷施工工艺...................................................................................... 41 4.3.1 设备选型 .................................................................................................................. 41 4.3.2 设备布置 .................................................................................................................. 42 4.3.3 人员配备 .................................................................................................................. 43 4.3.4 施工工序 .................................................................................................................. 43 4.3.5 安全技术措施 .......................................................................................................... 44 4.4 本章小结.......................................................................................................................... 45 5 沿空留巷围岩稳定性监测 ................................................................................................... 46 5.1 监测内容.......................................................................................................................... 46 5.2 监测仪器.......................................................................................................................... 46 5.3 监测方法.......................................................................................................................... 46 5.3.1 顶底板及两帮移近量监测 ...................................................................................... 47 5.3.2 锚索拉力监测 .......................................................................................................... 47 5.3.3 单体压力监测 .......................................................................................................... 47 5.3.4 柔模混凝土墙体荷载监测 ...................................................................................... 48 5.4 监测数据.......................................................................................................................... 49 5.5 本章小结.......................................................................................................................... 52 6 结论与展望 ........................................................................................................................... 54 6.1 结论.................................................................................................................................. 54 6.2 展望.................................................................................................................................. 54 致 谢 .................................................................................................................................. 55 参考文献 .................................................................................................................................. 56 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出 我国地域辽阔，尤其在西部地区，山岭地形所占比例极大，地形、地质条件比较复 杂，在高速公路及铁路的建设中遇到了大量的隧道工程，由于工程所在地的特殊地质地 形条件、线路桥隧衔接方式、路线线形和工程造价等方面的原因，双洞隧道的左右线间 距可能不能满足规范的要求，因此，连拱隧道成为了重要的选择方案。连拱隧道具有占 地面积小、对自然坏境影响较少等优点，在大城市中，人口密集、车流量比较大，采用 连拱隧道可以尽可能的利用有限空间，减少拆迁量，也成为国内外兴建连拱隧道的重要 原因。 在连拱隧道施工过程中，中隔墙承受来自各方向作用力的作用，并承受上部围岩传 递的荷载，在隧道施工完成后，连拱隧道的中隔墙承受两条隧道的荷载，对连拱隧道来 说，中隔墙是最重要的支撑结构[1]。但到目前为止，在已经开通和在建的连拱隧道中， 中隔墙的渗漏水和开裂现象严重影响隧道的安全性。 在采矿工程中，柔模混凝土沿空留巷技术是无煤柱开采技术的一种，其作用原理是 随着工作面的回采，在工作面端头支护效应消失前，利用支架、木点柱或单体的掩护支 撑，在巷道边缘与采空区之间打设一道柔模混凝土墙，弥补回采造成的巷道一帮缺失， 作为巷旁支护结构与原巷道支护共同作用，将巷道保留下来，作为下一工作面的风巷或 机巷，为下一工作面服务。巷旁支护结构承受本工作面及下工作面回采两次采动动压的 影响，巷道围岩经受巷道开挖、本工作面回采和下工作面回采三次扰动，围岩变形情况 复杂，支护困难。柔模混凝土墙还具有隔绝采空区瓦斯及水的作用，承受采空区顶板巷 道围岩的双层作用荷载，因此，对浅埋煤层柔模混凝土沿空留巷技术的研究对浅埋连拱 隧道的中隔墙设计及施工具有一定的借鉴意义。 随着我国国民经济的快速发展，我国煤炭资源得到了大规模的发展，但是由于开采 技术水平没能跟上开发规模的发展速度，因而造成煤炭资源损失大，矿井灾害事故发生 率高，环境破坏严重等问题。 （1）煤炭资源损失严重 美国、澳大利亚、德国和加拿大等发达国家，煤炭资源回收率比较高，回收率高达 80左右，他们开采 1 吨煤仅需消耗 1.21.3 吨资源。平均而言，我国的煤炭资源回收 率只有 30-40，不到国际先进水平的一半。据初步统计我国约 10煤炭在开采中因阶 段煤柱遗失，按今年煤炭产量约 37 亿吨计算，每年遗失煤炭 3 亿吨以上；我国“三下” 压煤约 140 亿吨，目前仅有 7已开采；从 1980 年到 2000 年的 20 年时间里，我国在煤 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 炭生产中至少遗失煤炭资源 280 亿吨。所以，我国因开采不充分而造成的煤炭资源的损 失量比较多，煤炭损失绝对量较大。 中国煤炭资源因开采不充分造成的不合理损失量比重很大，绝对量很高。 （2）我国矿井灾害事故发生率高 经过几十年的科研探索和不懈努力，我国煤矿灾害发生的次数及受害死亡人数在逐 渐降低，但矿难每年还在继续发生。2012 年我国煤炭总产量 36.5 亿吨，百万吨死亡率 仍高达 0.374，是美国的 10 倍，2000 年以来我国煤矿百万吨死亡率统计见图 1.1。 我国的矿井地质条件复杂，矿井瓦斯含量较高，矿井水害比较严重，开采困难。由 中国工程院进行的统计分析显示， 我国现有的矿井符合安全先进矿井条件的不超过 1/3， 1/3 的矿井可以形成安全高效生产条件，但必须经过重组和生产技术改造，其余矿井根 本达不到安全生产，没有改造的基本条件。我国的矿井灾害没有从根本上（通过科学理 论来指导，以科学技术手段进行预测预报和控制）得到解决。 2000200220042006200820102012 0 1 2 3 4 5 6 7 死亡率/人/百万吨死亡率/人/百万吨 年份年份 图 1.1 中国煤矿百万吨死亡率统计 （3）环境破坏严重 煤炭资源开发和利用过程中对环境的损害是难以避免的，开采对土地资源的破坏是 很严重的，尤其是对农田来说，据不充分统计目前中国农田因开采破坏累计达 40 万 ha， 每开采一吨煤则损失农田 0.2ha，每年有 2 万 ha 农田发生沉陷，等于 30 万人口的耕地 拥有量。由开采引起的土地塌陷使农民耕地大量流失，导致社会问题加剧。在中国大部 山区，开采引起的地质灾害例如泥石流和山体滑坡越来越多。开采导致的地面沉陷破坏 了很多的村庄。河南、河北、山东、江苏和安徽等五省份地处平原，人口及村庄密集， 据统计，在这五省份中，其下压煤的村庄大概有 1100 个，居住人口数超过百万。在迁 村移民方面，因采煤进行的迁村移民比水利工程更加困难，会影响到矿区的正常生产； 采煤工程会严重破坏当地水资源，煤层开采后会破坏地下水层，矿井的排水会降低地下 水水位，使农畜牧用水产生问题。在某些矿区，地下水位的降低引起地表下沉量加大， 地表下沉系数（地表沉降最大值与开采煤层高度之比）高达 1.2。在华东地区的一些矿 万方数据 1 绪论 3 区，由于地表松散覆盖层水位降低，导致矿井井筒发生破坏。 因开采对水资源的污染对生态平衡产生的影响更大，影响面积广，据统计，每开采 原煤 1 吨则需要排放地下水 2 吨， 从矿井水选煤厂排放的污水及煤矸石渗水对矿区的水 资源产生污染，坏境的危害很大。在某些地区，湖泊、河流和江海等水资源遭受到了严 重的污染，导致当地生活用水紧缺。 （4）井巷支护难度逐年增加 巷道掘进与工作面回采是煤炭开采的两个重要工序。巷道支护技术必须具有安全、 可靠和快速施工的特点，这样才能保证矿井安全高产高效的要求，煤矿巷道支护技术应 满足以下 3 方面的要求 ①煤矿安全生产的要求 我国因煤矿事故造成的人员死亡量较世界上其它主要采煤国家大。 死亡事故大多发 生在国有地方煤矿和乡镇煤矿，这些矿井大多技术比较落后，设备陈旧。在我国的煤矿 事故中，因顶板引起的事故比较严重，根据数年来的统计数据可以看出，顶板事故发生 的次数占我国煤矿事故总次数的一半以上，死亡率占全国的 1/3～2/5。在各种事故中， 顶板事故发生频率较高，伤亡比较大，且大多数的顶板事故发生在巷道的掘进掌子面与 和巷道内。 因此，巷道的稳定性是煤矿安全高效生产的基本条件，必须采用安全可靠的支护技 术，保证巷道围岩的稳定性，防止片帮、冒顶等事故的发生。 ②提高煤炭产量的要求 巷道是为采煤提供通道，故巷道支护技术必须满足工作面生产的要求。近几年来， 我国的采煤技术得到了快速的发展，例如综采放顶煤技术、一次采全高技术等，不断刷 新和保持着煤炭行业高产高效的全国纪录。出现了亿吨级矿区、千万吨级矿井，综采工 作面的年产量超过 6Mt，甚至突破 10Mt。 工作面产量的提高与推进速度的加快对巷道支护提出了更高更多的要求首先，巷 道掘进速度必须提高，以适应工作面的快速推进，否则很容易造成采掘接续矛盾，严重 影响矿井产量的提高；其次，要能保证矿井的稳产及高产条件，要提高回采巷道的稳定 性，保证回采期间的正常使用，尽量减少巷道在回采过程中的维修量，且巷道支护能满 足工作面通风、运输及行人等的要求，否则若巷道维修量较大，会影响工作面的回采速 度，使工作面产量受到影响，严重时甚至会导致工作面停产。 ③提高煤炭经济效益的要求 在煤炭企业的成本中，巷道掘进费用和支护费用是两个重要的组成部分。另外，在 巷道掘进完成后，由于复杂的地质条件和采动的影响，巷道需要进行维护才能满足使用 要求。在我国一些煤矿中的部分困难巷道，往往需维护三到四次才能保证正常回采，巷 道的维护费用远远大于掘巷的费用，巷道的总成本远超过巷道掘进成本。我国煤矿巷道 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 工程规模巨大，巷道掘进和维护成本总量很大。所以，在能满足煤矿的生产要求及巷道 的安全性的基础上，对巷道支护及维修的成本进行降低，即使成本下降量较小，也会给 煤炭企业带来丰厚的经济效益。合理的巷道支护技术是提高煤矿经济效益的重要途径。 1.2 研究背景 我