浅埋煤层大采高综采工作面切眼支护优化研究.pdf

论文题目浅埋煤层大采高综采工作面切眼支护优化研究 工程领域矿业工程 硕 士 生王高伟王高伟 （签名） 指导教师黄庆享黄庆享 （签名） 校外导师王兴顺 （签名） 摘 要 本文针对红柳林煤矿 7m大采高工作面切眼支护难题，采用现场实测、数值模拟、 理论分析和工程实践相结合的方法，开展了系统的研究与实践。通过对两个切眼的围岩 结构探测，发现切眼顶板 0.5m～1.2m 以下有微弱裂隙发育，切眼两端头顶板裂隙较中 间段发育。切眼顶底板岩性为细砂岩或粉砂岩，顶、底板中等稳定。实测表明，切眼顶 底和两帮移近量分别在 42mm 和 15mm 以内。顶板位移变化主要集中在距顶板 0～3m 范围，最大离层量在 30mm 以内。切眼掘进完成后锚杆锚索工作阻力在 10 天内变化较 大，最大值位于切眼距两端头 10m左右，帮部锚杆工作阻力最大 6.5t，顶板锚杆工作阻 力最大 7.3t， 顶板锚索工作阻力最大 10.8t。 切眼两端的变形和锚杆与锚索载荷相对较大， 中间段较小。总体上，切眼变形量较小，锚索的工作阻力不高，存在过度支护问题，需 要对支护参数进行优化。采用“自稳平衡拱”理论计算、工程类比和数值模拟相结合的 方法，优化了切眼的支护参数和支护方案，确定出顶板锚杆长度为 2.6m，帮部锚杆长度 为 2.2m，间排距为 1.2 1.2m，锚索直径改为 17.8mm，长度选取为 6.0m，顶板均匀布置 4 根锚索。在此基础上，提出了切眼支护设计、支护工艺、施工和安全管理措施等整套 工业性试验方案。实践表明，通过支护参数和支护工艺优化，提高了锚杆和锚索的支护 效率，节约了支护材料，降低了巷道综合成本，提高了大跨度切眼的掘进和支护效率。 通过浅埋薄基岩大采高工作面切眼支护优化，形成了一套较完善的大采高切眼支护 设计方法，可为类似大跨度巷道或切眼支护提供借鉴。 关 键 词浅埋煤层；大采高；大跨度切眼；过度支护；支护参数优化；降低成本 研究类型应用研究 万方数据 Subject Support Optimization of Longwall Setap Entry Sea Inside Mining Thick Coal Seam in Shallow Mines Specialty Mining Engineering Name Wang Gao-wei Wang Gao-wei （（Signature）） InstructorHuang Qing-xiang Huang Qing-xiang（（Signature）） Extramural InstructorWang Xing-shunHiang （（Signature）） ABSTRACT In the Northern Shaanxi mining area, the large height mining technology is widely used in shallow coal seam mining, and the support strength of the large span open-off cut is increased year by year. Study the deation and failure mechanism of large span open-off cut of large mining height face, and determine the reasonable support parameters, has important theoretical and practical significance. According to open-off cut support problems in the Hongliulin 7m height mining face, and through field measurements，numerical simulation，theoretical analysis and engineering practice, the open-off cut support is systemically studied and practiced. Through the detection of the structure of the surrounding rock of two open-off cuts, it was found that there was a weak crack in the 0.5m1.2m of open-off cut, and the fracture was more than the middle part of the two ends of the open-off cut. Roof and floor of open-off cut is sandstone and siltstone, the floor is moderate stability. Actual measurement shows that the displacement of roof to floor and stability of sides is 42mm and 15mm, but the total deation is small in the top and bottom displacement of the top floor and the two side of the open-off cut. The roof displacement is mainly concentrated in the range of 03m from the roof, the maximum separation volume within 30mm. Open-off cut after the completion of the tunneling working resistance of anchor cable within 10 days of great changes, maximum at the open-off cut hole at both ends of the first 10m from about help department working resistance of bolts 6.5T, roof bolting resistance is the biggest 7.3t, roof cable resistance maximum 10.8t.The deation and load at both ends of the open-off cut is larger, and the middle segment is 万方数据 II smaller. On the whole, the shear deation is small, the working resistance of anchor cable is low, and the problem of excessive support is needed. The “ultimate self stable arch theory calculation, combining engineering analogy and numerical simulation , optimize the open-off cut open-off cut support parameters and support supporting scheme, determine the roof bolt length was 2.6m, help anchor length is 2.2M, spacing of 1.2 1.2m, the anchor diameter changed to 17.8mm, length selection 6.0m. The roof is evenly arranged 4 cables. On this basis, the design of open-off cutting support, support technology, construction and safety management measures, such as a full set of industrial test program. Practice shows that through the optimization of supporting parameters and supporting process, it can save the supporting materials, reduce the comprehensive cost of the roadway, and improve the efficiency of the excavation and support of large span open-off cut. Though optimize open-off cut supporting in large mining height working face with the shallow buried depth and thin bedrock, ed a set perfect design of large mining high shear open-off cut support, improve reference for similar to the large span roadway or open-off cut supporting. Key words shallow seam; large mining height; large span open-off cut; excessive support; support parameter optimization；reduce cost Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 .................................................................................................................................... 1 1.1 论文选题背景及意义 ............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 2 1.2.1 浅埋深、薄基岩的特征 .............................................................................. 2 1.2.2 巷道围岩控制理论与技术研究现状 .......................................................... 3 1.2.3 大断面巷道和切眼支护的研究现状及发展趋势 ...................................... 6 1.3 研究内容及技术路线图 ......................................................................................... 8 1.3.1 研究内容 ...................................................................................................... 8 1.3.2 技术路线图 .................................................................................................. 9 2 浅埋深薄基岩大断面切眼围岩结构及力学参数测定 .................................................. 10 2.1 研究区域地质条件 ............................................................................................... 10 2.1.1 主研 5-2煤地质概况 .................................................................................. 10 2.1.2 试验巷道地质概况 .................................................................................... 10 2.2 切眼围岩结构探测 ............................................................................................... 12 2.2.1 顶板结构探测目的 .................................................................................... 12 2.2.2 测试仪器 .................................................................................................... 13 2.2.3 测试原理 .................................................................................................... 13 2.2.4 测试准备 .................................................................................................... 14 2.2.5 测试结果分析 ............................................................................................ 14 2.3 煤岩体物理力学参数 ........................................................................................... 20 2.4 小结 ....................................................................................................................... 21 3 浅埋深薄基岩大断面切眼变形规律 .............................................................................. 22 3.1 巷道围岩表面位移监测 ....................................................................................... 22 3.1.1 测试方法及布置图 .................................................................................... 22 3.1.2 监测数据分析方法 .................................................................................... 23 3.1.3 监测数据分析 ............................................................................................ 23 3.2 深基点位移监测 ................................................................................................... 26 3.2.1 监测原理 ................................................................................................... 26 3.2.2 监测仪器 ................................................................................................... 26 3.2.3 监测结果分析 ............................................................................................ 27 万方数据 目录 II 3.3 锚杆（索）阻力监测 ........................................................................................... 30 3.3.1 测试仪器 .................................................................................................... 31 3.3.2 监测结果分析 ............................................................................................ 31 3.4 围岩变形信息监测反馈分析 ............................................................................... 36 3.4.1 现场监测指标的选择 ................................................................................ 36 3.4.2 监测指标安全阈值的确定 ........................................................................ 36 3.4.3 监测信息的反馈分析 ................................................................................ 37 3.5 小结 ....................................................................................................................... 38 4 浅埋深薄基岩大断面切眼支护参数优化 ...................................................................... 39 4.1 切眼现有支护方式评价 ....................................................................................... 39 4.2 切眼支护参数理论分析 ....................................................................................... 40 4.2.1“自稳平衡拱”理论 ...................................................................................... 40 4.2.2 确定具体支护参数 .................................................................................... 41 4.3 切眼支护参数工程类比优化 ............................................................................... 44 4.4 切眼支护参数数值模拟优化 ............................................................................... 48 4.4.1 现有支护分析 ............................................................................................ 50 4.4.2 锚杆支护材料选取及参数确定 ................................................................ 52 4.4.3 锚索支护参数选取 .................................................................................... 58 4.5 大断面切眼支护参数确定 ................................................................................... 61 4.6 小结 ....................................................................................................................... 65 5 现场工业性试验及效果监测反馈分析 .......................................................................... 66 5.1 切眼现场施工方案 ............................................................................................... 66 5.1.1 支护设计 .................................................................................................... 66 5.1.2 支护工艺 .................................................................................................... 67 5.1.3 施工工艺及方法 ....................................................................................... 67 5.2 施工质量管理及安全技术措施 ........................................................................... 68 5.3 矿压显现规律监测反馈分析 ............................................................................... 68 5.3.1 表面位移监测分析 .................................................................................... 69 5.3.2 深部位移监测分析 .................................................................................... 70 5.3.3 锚杆锚索工作阻力监测分析 .................................................................... 71 5.4 效益分析 ............................................................................................................... 72 5.4.1 技术效益分析 ............................................................................................ 72 5.4.2 经济效益分析 ............................................................................................ 73 万方数据 目录 III 5.5 小结 ....................................................................................................................... 74 6 结论 .................................................................................................................................. 75 7 致谢 .................................................................................................................................. 77 参考文献 ............................................................................................................................. 78 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文选题背景及意义 工作面切眼是安装采煤相关设备的场所，其稳定性影响到回采和设备的安全性。 经过几十年的发展，针对大断面切眼锚杆支护[1-5]已经在设计、施工、管理、配套支 护材料生产加工和质量监测等方面形成了一定技术体系。而针对开切眼，特别是 7m 大采高工作面，切眼高 5m，宽 10m，煤层平均厚度为 6.8m，采用留顶煤沿底掘进， 为含 2m的煤层的复合型顶板，目前国内大断面巷道和切眼的锚杆、锚索支护设计及 参数选择大部分采用工程类比法，支护设计中主要存在以下三方面问题 （1）柠条塔煤矿曾经在南翼 1210 工作面，由于切眼支护强度不足，在工作面安 装期间，出现过大面积冒顶事故，导致该切眼报废； （2）红柳林煤矿 15205 综采工作面切眼完成掘进支护和设备安装，按照惯例采 取了切眼深孔预裂爆破强制放顶措施，由于切眼支护强度过大，工作面在推采 40m 后，工作面采空区大面积悬顶，为了杜绝采空区老顶大面积垮落造成飓风伤人事故， 在工作面中部支架间隙采取钻孔预裂爆破，使采空区顶板及时垮落； （3）支护理论方法不统一。红柳林、张家峁、拧条塔煤矿切眼虽然均采用锚杆、 锚索、钢筋托梁联合支护，但是支护材料的型号、规格都不相同。哈拉沟、石圪台、 上湾煤矿切眼使用的锚杆、锚索型号也不相同，另外哈拉沟煤矿使用圆钢钢带，石圪 台煤矿使用钢筋网，上湾煤矿使用木垫板。各矿支护设计的理论和技术方法不一。 红柳林煤矿现主采 5-2煤层，平均开采厚度为 6m，切眼设计宽度为 10m，高度 5m，机窝位置宽度达到了 13m，是国内断面最大的切眼之一。经过现场调研及分析， 红柳林煤矿切眼支护可能存在的问题有以下两点 （1）设计方法不够科学合理。目前切眼的支护设计主要是采用工程类比法和经 验法，在总结自身经验，吸取临近的张家峁、拧条塔煤矿和哈拉沟、石圪台、上湾煤 矿的支护经验和教训的基础上， 为了保证安全， 一味的加强支护， 支护强度只增不减。 （2）支护强度过高。现有 5-2煤层切眼宽 10m，高 5m，工作面切眼顶板采用螺 纹钢锚杆W 型钢带锚索联合支护，顶板采用螺纹钢锚杆支护，间排距为 1m 1m， 锚索间排距为 2m 2m；靠采面一帮帮锚采用玻璃钢锚杆支护，间排距为 1m 1m，另 一帮采用螺纹钢锚杆支护，间排距为 1m 1m，现有支护结构和支护技术设计的锚杆、 锚索支护密度偏高。 切眼的合理支护方式研究，一方面可以低劳动强度，提高成巷速度，保证切眼安 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 全性；另一方面可以避免支护强度过高造成的浪费，降低支护成本。因此，针对红柳 林煤矿特殊的采矿地质条件，研究确定大断面切眼锚网索合理支护参数，制定出一套 适合该地区的锚网索支护参数设计方法，对矿井安全高效生产具有重要意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 浅埋深、薄基岩的特征 （1）浅埋煤层的定义 对于浅埋深问题，黄庆享教授（2002 年）总结了浅埋深煤层覆岩运动特征[6,7]， 并根据回采工作面的现场矿压规律实测，将浅埋煤层分为两种一种为基岩比较薄、 松散载荷层厚度比较大的浅埋煤层；另一种为基岩厚度比较大、松散载荷层厚度比较 小的浅埋煤层。同时指出了浅埋煤层从岩层控制角度上可以简单概括为埋深不超过 150m，基载比 jz小于 1.0，老顶为单一关键层结构的煤层。 黄庆享教授对大柳塔煤矿20604近浅埋工作面和补连塔煤矿31303近浅埋工作面 矿压显现规律的研究[8,9]认为，工作面上覆基岩较厚、薄松散层，上覆基岩中存在两 组关键层，从而形成大小周期来压现象，其矿压显现特征介于典型浅埋煤层采场和普 通采场之间。此理论揭示了近浅埋煤层的矿压显现规律，对今后研究近浅埋煤层顶板 结构理论和指导生产实践具有重要的理论和实践意义。 （2）浅埋深、薄基岩条件对巷道的影响 浅埋深、薄基岩条件下的巷道在上覆基岩层不缺失的情况下，由于其埋藏深度较 浅，地应力小，工作面回采前切眼围岩应力水平较低，围岩较易控制，有利于巷道的 支护。当埋深处于小于 30m的情况时，巷道顶板距地表很近，其围岩一般比较松软， 顶板岩石易风化破碎，而且通常夹有土层，覆盖层一般也比较薄，其围岩的力学强度 大为降低，稳定性也比较差；巷道顶板围岩较薄，受地表水影响较大；巷道开挖后岩 体平衡状态遭到扰动破坏，在浅埋地段扰动范围会直接延伸到地面，并会在顶板范围 内产生一个较大的破坏区，导致围岩的成拱能力降低，岩体可能形不成一定形式的承 载结构，容易发生整体滑动现象，如图 1.1 所示。 滑 移 体 滑 移 面 h0 B 图 1.1 浅埋地层岩体整体滑塌示意图 万方数据 1 绪论 3 1.2.2 巷道围岩控制理论与技术研究现状 （1）巷道围岩控制理论发展现状 一直以来巷道支护研究的重要方面就是支护理论的研究。 学者们根据不同巷道所 处地质条件的差异性，对支护理论进行了深入地研究，并在巷道支护的实践中认真总 结规律，提出了许多巷道支护理论来指导生产实践。 ①平衡拱理论 地下岩体在开挖以后，若没有进行有效加固，就会在开挖空间上部的岩体内形成 冒落的松散拱形区域，把这个拱形区称为冒落拱。当洞室的埋深大于五倍的冒落拱跨 距时，冒落拱在围岩中也不会无限制地垮落，将会形成一个自然平衡拱。此时，作用 在支护体上的载荷与拱外围岩重量无关，仅仅承载的是平衡拱内碎裂岩体的重量。 ②最大水平应力理论 地下岩层中的水平应力具有明显的方向性。水平应力对巷道顶、底板的影响与它 们之间的夹角有关， 最大水平应力与巷道之间的夹角越大， 对巷道顶底板的影响越大。 ③新奥法支护理论 新奥法传入我国后很快被运用到支护的相关领域。 煤炭行业根据新奥法得到了适 合自身的支护方式实施锚喷支护，会在巷道围岩中出现一个承载圈，主动地加固了 围岩，提高了巷道自身的承能力；采用动态设计与施工；采取注浆加固破碎岩体；实 施二次支护等。 ④松动圈支护理论 中国矿业大学董方庭教授在深入研究了围岩状态后提出了松动圈支护理论[13,14] 硐室开挖后都存在围岩松动圈，围岩松动圈在变形时会产生很大的作用力。将围岩松 动圈按照厚度不同分为小松动圈、中松动圈和大松动圈三类。不同类型的松动圈采用 不同的支护方式。但实践表明在高应力软岩巷道和大松动圈巷道支护中，该理论有一 定的局限性。 ⑤“自稳平衡圈”理论 西安科技大学的黄庆享教授等提出了巷道支护的“自稳平衡拱”和“自稳平衡圈 理论” （图 1.2）[15,16]，该理论认为，巷道顶部的危险岩体是存在拉应力的岩体，两帮 的危险岩体是达到剪切极限的岩体， 两帮和顶部潜在的危险岩体在围岩内部呈平衡拱 状；提出合理控制两帮可大大缩小顶部平衡拱的观点，总结出了“治顶先治帮，治帮 先治底，重点在两肩和两帮脚”的支护控制原则，并提出了巷道支护应当按照整环的 系统支护进行控制。 通过上述分析可知大断面巷道支护可以以松动圈理论、平衡拱理论、最大水平 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 应力理论，巷道支围岩的平衡圈控制理论。对于大跨度、大断面巷道支护，可以借鉴 这些理论的基础上，结合理论分析与数值模拟和现场监测，寻求合理的巷道支护理论 和方法。 （2）巷道锚杆支护理论的发展现状 ①锚杆支护理论的研究现状 许多外国学者和中国学者提出了许多锚杆支护理论。 1952 到 1962 年间，Louls