深部高应力采掘巷道支护设计研究.pdf

分类号分类号 TD353 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码10424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 深部高应力采掘巷道支护设计研究深部高应力采掘巷道支护设计研究 陆一飞陆一飞 申请学位级别申请学位级别 工程硕士工程硕士 专业专业名名称称 矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名 陈陈 绍绍 杰杰 职职 称称 副副 教教 授授 副指导教师姓副指导教师姓名名 沈沈 伟伟 职职 称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一二零一七年十一七年十一月月 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 论文题目论文题目 深部高应力采掘巷道支护设计研究深部高应力采掘巷道支护设计研究 作者姓名作者姓名 陆一飞陆一飞 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 矿业工程矿业工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师 陈绍杰陈绍杰 职职 称称 副副 教教 授授 副指导教师副指导教师沈沈 伟伟 职职 称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期 2017 年年 11 月月 论文答辩日期论文答辩日期 2017 年年 11 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 Created by free version of DocuFreezer RESEARCH ON SUPPORT DESIGN OF DEEP HIGH STRESS ROADWAY A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Lu Yifei Supervisor Associate Professor Chen Shaojie Vice-supervisor Senior Engineer Shen Wei College of Mining Safety and Engineering Nov. 2017 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文， 除所列参考文献和世所公认的文献外，本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文， 除所列参考文献和世所公认的文献外， 全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个 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结果由本人承担。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结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解本人完全了解山东科技山东科技大学有关保留、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，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其指定机构送学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其指定机构送 交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库发表，并可交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库发表，并可 以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案馆和图书馆保留学位论文的以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案馆和图书馆保留学位论文的 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；为教学和纸质版和电子版，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；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。或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权（保密的学位论文在解密后适用本授权）） 硕士生硕士生签名签名 导师导师签名签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 学位论文审查学位论文审查认定书认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照在规定的学习年限内，按照培养方案培养方案及个人培养计划及个人培养计划，完成了课，完成了课 程程学学习，成绩合格习，成绩合格，修满规定学分，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文；在我的指导下完成本学位论文，，论文中的观点、数据、论文中的观点、数据、 表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为申请学位表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为申请学位 论文。论文。 导师导师签名签名 日日 期期 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 巷道围岩稳定性受多种因素的影响，不仅取决于地质因素，同时也取决于生产技术因 素。保持巷道畅通和围岩稳定对煤矿建设与生产具有重要意义，巷道支护设计的科学合理 性、安全可靠性直接影响着煤矿采掘平衡、生产安全和经济效益。本文以鲁能菏泽煤电公 司郭屯煤矿四采区辅助轨道巷为研究对象， 在充分了解国内外巷道支护研究状况的基础上， 通过现场调研和理论分析，深入探索深部高应力巷道变形破坏的机理，阐述了巷道围岩变 形破坏的表现形式和过程。在此基础上，采用数值分析的方法分析了沿空掘巷时的巷道变 形特点，认为采用巷道锚网平衡支护技术，以高强预应力锚杆（索）为主要手段是解决巷 道围岩变形的有效途径。针对郭屯煤矿四采区辅助轨道巷地质采矿条件，通过理论计算和 对比分析确定了合理的巷道支护参数范围，结合计算结果和原有相同地质条件的巷道支护 参数，选择了不同的支护参数进行方案设计。利用数值模拟软件进行了不同方案的巷道围 岩变形的分析对比，最终确定了最优方案。同时，为评估最优方案的巷道支护效果，选择 一段巷道进行井下支护试验，并开展一系列监测。监测结果证明，本次研究提出的巷道支 护方案取得了良好的围岩加固支护效果，能使巷道保持长期稳定。同时，巷道能够满足正 常的运输、通风要求，保证生产的连续性，因此将取得显著的经济效益。 关键词关键词深部，高应力，巷道，锚网索，平衡支护 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 II Abstract The stability of roadway surrounding rock is affected by many factors， not only depends on geological factors， but also depends on the production technology factors. Keeping roadway surrounding rock stability is of great significance to coal mine construction and production. The scientific and safety of roadway support design have a direct impact on coal mining balance， production safety and economic benefits. In this paper， Luneng Heze coal company Guotun coal mine four mining area of auxiliary track tunnel as the research object， based on a full understanding of the domestic and foreign research on roadway support status， through field investigation and theoretical analysis， in-depth exploration of deep and high stress roadway deation and failure mechanism， expounds the and process of deation and failure of roadway surrounding rock. On this basis， Analyzed the characteristics of gob side entry driving by numerical analysis . It is considered that the effective way to solve the deation of roadway surrounding rock is to use the bolt-net balanced support technology and the high strength prestressed anchor cable as the main means. According to Guo Tun coal mine four mining area roadway auxiliary geological and mining conditions， the reasonable supporting parameters of roadway were confirmed by theoretical calculation and comparative analysis， combined with the calculation results and the same original geological conditions of the roadway support parameters， different support parameters are chosen to design the scheme. The numerical simulation software is used to analyze and compare the deation of roadway surrounding rock with different schemes， and finally the optimal scheme is determined. Finally， in order to uate the roadway support effect of the optimal scheme， a section of roadway is selected for underground support test， and a series of monitoring are carried out. The monitoring results show that the roadway support scheme proposed in this study has achieved good supporting effect of surrounding rock， and can keep the roadway stable for a long time. At the same time， the roadway can meet the normal transportation and ventilation requirements， and ensure the continuity of production， so it will achieve remarkable economic benefits. Keywords Deep， high stress， roadway， cable anchor， balance supporting 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 III 目目 录录 1 绪论.......................................................................................................................III 1.1 选题意义 ........................................................................................................................... 1 1.2 国内巷道支护研究现状 ................................................................................................... 2 1.3 国外巷道支护研究现状 ................................................................................................... 3 2 巷道围岩变形及支护技术 .................................................................................... 5 2.1 巷道围岩变形破坏理论分析 ........................................................................................... 5 2.2 围岩控制与预应力锚固技术 ......................................................................................... 10 2.3 巷道锚网平衡支护技术 ................................................................................................. 16 2.4 无支护动压沿空巷道受力数值分析 ............................................................................. 19 3 沿空巷道平衡支护设计 ......................................................................................23 3.1 地质采矿条件 ................................................................................................................. 23 3.2 动压沿空巷道平衡支护设计原则 ................................................................................. 27 3.3 巷道支护参数设计 ......................................................................................................... 29 3.4 支护参数选择及方案设计 ............................................................................................. 32 4 巷道支护方案数值模拟 ......................................................................................41 4.1 数值模型的建立 ............................................................................................................. 41 4.2 数值模拟结果分析对比 ................................................................................................. 45 5 矿压显现及支护效果观测 ..................................................................................48 5.1 矿压观测 ......................................................................................................................... 48 5.2 现场观测内容与结果分析 ............................................................................................. 49 5.3 综合分析与评价 ............................................................................................................. 52 6 结论与展望 ..........................................................................................................56 6.1 主要结论 ......................................................................................................................... 56 6.2 展望 ................................................................................................................................. 56 参考文献 ..................................................................................................................58 致谢 ...........................................................................................................................61 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 IV Contents 1 Introduction 1 1.1 The significance of the topic 1 1.2 Research status of roadway support in China 2 1.3 Current research status of roadway support abroad 3 2 Roadway surrounding rock deation and supporting technology 4 2.1 Theoretical analysis of deation and failure of roadway surrounding rock 4 2.2 Surrounding rock control and prestressed anchor technology 8 2.3 Roadway anchor net balance support technology 18 2.4 Without supporting dynamic pressure roadway stress numerical analysis 14 3 Design of balanced support for gob side entry 16 3.1 Geological and mining conditions 16 3.2 Dynamic pressure along the supporting design criteria for balance of roadway 19 3.3 Roadway support parameter design 25 3.4 Support parameter selection and scheme design 27 4 Numerical simulation of roadway supporting scheme 28 4.1 The establishment of numerical model 28 4.2 Analysis and comparison of numerical simulation results 33 5 Mine pressure appearance and supporting effect observation 35 5.1 Mine pressure observation 35 5.2 Field observation content and result analysis 46 5.3 Comprehensive analysis and uation 52 6 Conclusion and Expectation 56 6.1 Main conclusions 56 6.2 Expectation 62 Reference Document 73 Thanks 72 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 选题意义选题意义 煤炭资源在我国能源构成中占据主要地位。在我国开采煤炭的模式，主要包括露天 型开采挖掘与井工型开采挖掘两大类， 其中， 井工型开采挖掘是最为常见的开采挖掘模式。 在井工型开采挖掘煤矿资源的时候， 巷道围岩会发生变形破坏， 为确保人员与设备的安全， 需要对围岩变形进行有效控制。目前，国内外巷道支护过程中，以锚杆（索）和锚网、钢 带联合支护方式为主，经过多年的理论研究和实践，以锚杆（索）为主的支护方式有效地 控制了巷道变形，极大地改善了煤矿生产安全状况。锚杆在采用锚网支护方式的巷道中占 据主要地位，围岩变形的控制主要是靠锚杆主动加固巷道围岩。在巷道开挖初期，及时打 设锚杆并对其施加一定的预紧力，对围岩稳定性控制极其重要。一般情况下，锚杆支护系 统不仅要承受围岩自重，还要受到相邻采动空间开采时的动压影响。因此，在进行巷道支 护设计时，应同时考虑围岩自重及动载荷的影响，以确保支护系统可靠性。 随着煤炭开采不断向深部延伸，开采条件日渐复杂。采用传统的支护防护设计思路及 方法已经不能满足控制围岩变形的需要。例如在巷道支护设计过程中，过分依赖原有设计 方案，没有考虑到地质采矿条件的变化，不能根据围岩实际情况设计合适的支护参数。这 就导致在围岩条件较差的巷道，支护强度和密度不足，威胁生产安全；在围岩条件较好的 巷道，支护强度过大，造成造成支护成本升高，浪费材料的同时也使得成巷时间延长。因 此，在实际的支护设计过程中，需要严格按照深部巷道周围岩层的实际情况，以及项目施 工环境，生产运营进程等，明确高效、安全、科学的支撑防护模式。 山东鲁能菏泽煤电郭屯煤矿设计生产能力 240 万吨/年，据勘探资料显示，四采区地质 采矿条件相对较为复杂。为满足采区通风、行人、运输等需求，需要掘进一辅助轨道巷， 巷道留设方式为留小煤柱沿空掘巷，考虑到巷道掘出后沿空侧帮部变形较大，因此需要进 行深部高应力采掘巷道的支护设计研究。 目前全国煤炭面经营压力很大，在保障安全生产的同时，采用有效的方法对巷道支护 方案优化，以获得安全可靠、巷道支护效率高、支护