强动压影响回采巷道锚网索平衡支护技术研究.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 学学 位位 论论 文文 强动压影响回采巷道锚网索平衡支护强动压影响回采巷道锚网索平衡支护 技术研究技术研究 杜杜 金金 顿顿 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采矿工程采矿工程 指指导导教教师师姓姓名名秦秦 忠忠 诚诚职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇一七年二〇一七年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 强动压影响回采巷道锚网索平衡支护技术强动压影响回采巷道锚网索平衡支护技术 研究研究 作者姓名作者姓名 杜杜 金金 顿顿入学时间入学时间2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向矿矿山山压压力力与与岩岩层层控控制制 指导教师指导教师 秦秦 忠忠 诚诚职职称称教教授授 论文提交日期论文提交日期2017 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2017 年年 6 月月 万方数据 STUDY ON THE INFLUENCE OF STRONG DYNAMIC PRESSURE ON THE BALANCE SUPPORT TECHNOLOGY OFANCHOR NET CABLE IN MINING ROADWAY ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING STUDIES from Shandong University of Science and Technology by Du Jindun Supervisor Professor Qin Zhongcheng College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 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。除文中已经标明的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经标明 引用的内容外引用的内容外，， 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人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意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。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 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，同意本人所撰本人完全了解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 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。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，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纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制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；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开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、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏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。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） 硕士生签名硕士生签名导师签名导师签名 日日期期日日期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，论 文中的观点文中的观点、、数据数据、、表述和结构为我所认同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。同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 动压巷道要经受相邻回采工作面老顶岩层破断、回转下沉、触矸稳定这一动 态变化过程的影响，巷道围岩变形剧烈，维护比较困难，尤其是在回采工作面超 前支承压力和动压滞后段影响范围内的区域需要加强支护。本文以付村煤矿研究 背景，采用以极限平衡为基础的理论分析、FLAC3D数值模拟和现场矿压监测相结 合的研究方式，主要从以下几个方面进行系列研究 （1）根据极限平衡原则分析动压巷道周围煤体的边缘应力，计算得出窄煤柱 的合理宽度范围为 3.85～4.75m。利用 FLAC3D模拟在留设煤柱宽度分别为 3 m、 3.5 m、4 m、4.5 m、5m 共 5 个方案下，窄煤柱内应力和位移变化情况，最终确定 窄煤柱的合理尺寸为 4m； （2）通过对数值模拟过程中矿压监测数据的分析可知，3 上411 运输巷受相邻 工作面动压剧烈影响范围为-40m～80m， 应力峰值最大值为 19.25MPa， 发生在相 邻工作面后方约 20m 处，应力集中系数为 2.5； （3）根据受相邻工作面动压影响程度不同，最终制定并采用了动压巷道动 态分段围岩控制方案，在 3上411 运输巷剧烈动压影响段合理调整支护密度，同时 利用加长锚杆锚梁对窄煤柱进行加固； （4）现场监测表明，实体煤掘进段采用锚网索梁联合支护，锚索采用平行交 错式三花布置方式；动压剧烈影响段在实体煤掘进段的基础上加大支护密度，锚 索采用平行五花式布置方式，同时利用加长锚杆锚梁对窄煤柱进行加固；沿空掘 巷段受动压影响较小，为加快掘进速度采用锚网喷支护，有效地控制了动压影响 巷道的围岩变形，同时也为相似条件下动压巷道围岩控制提供了依据。 关键词关键词采掘相向，沿空掘巷，平衡支护，动压巷道 万方数据 山东科技大学硕士学位论文abstract II Abstract Dynamic pressure roadway should be affected by the adjacent stope roof strata breaking,rotary sinking and contacting waste stability in the process of dynamic change, the deation of surrounding rock is intense, difficult maintenance,Espe- cially in the face of the advance support pressure and the influence area of the dynamic pressure lag segment needs to strengthen the support.In this paper, taking Fu Chun mine as the background,based on the theory of limit equilibrium, FLAC3D numerical simulation and field pressure monitoring,mainly to obtain the following conclusions 1 According to the principle of limit equilibrium, the edge stress of coal around the dynamic pressure roadway is analyzed, and the reasonable width of narrow coal pillar is 3.854.75m.Based on the FLAC3Dsimulation, the stress and displacement of the narrow coal pillar were calculated under the width of the coal pillars being 3m, 3.5m, 4m, 4.5m, 5m a total of 5 schemes,and the reasonable size of narrow coal pillar is 4m. 2 Through the simulation analysis of monitoring data of mine pressure on the numerical,The range of violent influence of dynamic pressure of 3upper411 transportation roadway by adjacent working face is -40m～80m,the peak value of stress being the maximum value of 19.25MPa, and the stress concentration factor is 2.5 at the place behind the adjacent working face by 20m. 3According to the influence degree of dynamic pressure of adjacent working face,finally, the dynamic segment surrounding rock control scheme is developed and adopted. In the severe dynamic pressure influence section of 3upper411 transportation roadway, adjustment of support density reasonably, and reinforce the narrow coal pillar by the extended anchor anchor beam at the same time. 4 The field monitoring shows that the solid coal mining section is supported by anchor net and cable beam, and the cable is made of three kinds of parallel staggered arrangement; The section of dynamic pressure in severe impact increase the density of support, using five parallel fancy layout on basis of solid coal excavation section,at the same time, the lengthened bolt and anchor beam are used to reinforce the narrow coal pillar;in the gob side entry driving section,the influenced by the dynamic pressure is small, in order to speed up the driving speed, The support scheme is adjusted to anchor net spray support, effectively control the surrounding rock dynamic pressure roadway 万方数据 山东科技大学硕士学位论文abstract III deation, but also provides a basis for pressure control of roadway surrounding rock under similar conditions. Keywordexcavated in the opposite direction of mining;gob side entry driving; balance support;dynamic pressure roadway. 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 IV 目目录录 摘要摘要.............................................................................................................I 目录目录..........................................................................................................IV 1 绪论绪论........................................................................................................ 1 1.1 问题的提出及研究意义.................................................................................1 1.2 国内外研究现状............................................................................................2 1.3 研究内容与技术路线....................................................................................8 2 工程概况工程概况..............................................................................................10 2.1 付村煤矿概况..............................................................................................10 2.2 工作面及巷道概况......................................................................................13 3 动压巷道围岩变形动压巷道围岩变形破坏破坏机理分析机理分析......................................................15 3.1 动压巷道围岩受力特征分析.......................................................................15 3.2 煤柱宽度的确定...........................................................................................20 3.3 采掘相向动压巷道围岩变形规律数值模拟...............................................24 3.4 本章小结.......................................................................................................31 4 强动压影响巷道锚网索平衡支护技术强动压影响巷道锚网索平衡支护技术............................................. 33 4.1 平衡支护技术概述......................................................................................33 4.2 平衡支护技术机理......................................................................................34 4.3 平衡支护系统设计理念..............................................................................34 4.4 锚网索作用机理..........................................................................................35 4.5 锚网索协同支护方法..................................................................................38 4.6 动压巷道动态分段围岩控制技术..............................................................43 4.7 本章小结......................................................................................................50 5巷道支护矿压监测巷道支护矿压监测............................................................................52 5.1 矿压监测方案..............................................................................................51 5.2 矿压监测方法及测站布置..........................................................................52 5.3 矿压监测结果分析......................................................................................54 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 5.4 本章小结......................................................................................................58 6 结论与展望结论与展望..........................................................................................59 6.1 主要结论......................................................................................................59 6.2 主要创新点..................................................................................................59 6.3 展望..............................................................................................................59 参考文献参考文献..................................................................................................61 致谢致谢.......................................................................................................... 64 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果..........................................................................67 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VI Contents Abstract.................................................................................................... II Contents...................................................................................................VI 1 Introduction............................................................................................1 1.1 The proposition of the problem and the significance of the study..................1 1.2 Research status at home and abroad...............................................................2 1.3 Research content and technical route..............................................................8 2 Engineering overview..........................................................................10 2.1 The overview of fucun coal mine................................................................. 10 2.2 The overview of Face and roadway..............................................................13 3Analysis of surrounding rock deation and control mechanism of dynamic pressure roadway..............................................................15 3.1Analysis on the characteristics of Surrounding Rock of dynamic pressure roadway.........................................................................................................15 3.2 Determination of narrow coal pillar size...................................................... 20 3.3 Numerical simulation of surrounding rock deation law of excavated dynamic pressure roadway............................................................................24 3.4 Chapter summary..........................................................................................31 4 Balancing support technology for bolting with wire mesh under dynamic Pressure................................................................................33 4.1 Overview of balanced support technology................................................... 33 4.2 Mechanism of balance support technology...................................................34 4.3 The design concept of balance support system.............................................34 4.4Action mechanism of anchor cable...............................................................35 4.5Anchor cable net coordination supporting .......................................38 4.6 Dynamic segment surrounding rock control technology of dynamic pressure roadway.........................................................................................................43 4.7 Chapter summary..........................................................................................50 5 Roadway support effect mine pressure monitoring.........................52 5.1 Mine pressure monitoring program.............................................................. 51 5.2 Mine pressure monitoring and station layout...................................52 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VII 5.3Analysis of mine pressure monitoring results...............................................54 5.4 Chapter summary..........................................................................................58 6 Conclusions and prospects..................................................................59 6.1 Main conclusions and prospects...................................................................59 6.2 Major innovation...........................................................................................59 6.3 prospects....................................................................................................... 59 Reference.................................................................................................61 Thanks......................................................................................................64 Main achievements during the postgraduate study............................67 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 绪论绪论 1.1 问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义 经过半个多世纪的煤炭开采，煤矿的开采条件以及地质条件变得越来越复杂， 巷道受掘进扰动、构造应力以及原岩应力等的相互影响，支护越来越困难。由于 巷道支护效果不佳引起巷道严重变形破坏，安全隐患大，巷道需要反复维修，直 接增加了巷道的支护成本，制约了回采工作面的推进速度以及生产效率。巷道围 岩控制是煤矿生产过程中至关重要的一步，将直接关系着矿井高效生产的实现， 因此，煤巷支护技术就越发显得重要。随着科技发展的不断进步以及矿井开采理 论实践的不断探究，围岩控制理论以及围岩支护形式不断完善，支护理念也随之 产生质的变化，逐步由传统的被动支护转为主动支护。巷道支护中，高强度、高 刚度、高预应力的锚网索支护正逐步取代传统的低强度、低刚度、低预应力锚杆 支护及棚式支护形式[1 ～2]。然而，确保井下巷道围岩控制取得良好的效果仅靠选择 合理的支护形式是远远不够的，巷道围岩应力状态以及所处的地质条件都将制约 巷道支护效果。能否选择合理的支护方案，针对具体巷道的围岩应力状态选择恰 当有效的锚网索支护方式，具有较大的理论意义以及实用价值。 锚杆支护体系是一种主要的主动支护形式，具有成本低、适应性强、工作量 小等优点，在巷道支护中得到了广泛应用。但是，对于同时受掘进扰动和动压双 重影响以及多次受动压影响的回采巷道，锚杆支护系统在承载巷道周围原岩应力 的同时，还要承担回采工作面超前支承压力带来的影响，单纯的锚杆支护不能满 足支护要求，为保证煤矿生产的安全进行，矿山及科研单位探索了新型锚索加金 属网支护形式。锚索由于其长度和强度上的优势，在大断面巷道、顶板构造复杂 以及受采动影响较大的巷道中支护效果明显优于锚杆，金属网支护可以对顶板围 岩进行封闭，具有较强的护表和防止破碎岩体掉落的作用，锚网索联合支护已成 为巷道工程中应用较多的支护方式之一。本文将以付村煤矿巷道为研究背景，对 动压巷道围岩的变形特征及破坏规律进行分析，根据动压巷道掘进受相邻工作面 回采动压影响程度将沿空巷道分为三个阶段实体煤掘进段、相邻工作面采动动压 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 影响段以及沿空掘巷段。其中，相邻工作面采动动压影响阶段为动压巷道的特有 阶段，此阶段受相邻工作面回采动压影响较为严重，需要加强支护。 付村煤矿3上411 工作面运输巷位于 3上408工作面轨道巷北侧， 为提高采出率、 减少煤炭资源浪费，两巷道之间要留设小煤柱。为了缓解付村煤矿工作面采掘接 替紧张的局势，避免因留设宽煤柱造成底板煤层中应力集中诱发动力灾害，付村 煤矿 3上411 工作面采用采掘相向沿空掘巷方式布置巷道。通过分析动压巷道围岩 的变形及破坏规律，根据动压影响程度的不同将动压巷道分为三段实体煤掘进 段、动压剧烈影响段以及沿空掘巷段，并制定了“动压巷道动态分段控制围岩” 对策。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 围岩控制理论围岩控制理论技术方面技术方面 19 世纪初开始，人们就时常采用试验方法解决巷道中遇到的支护问题，归纳 总结围岩的支护理论，不断完善巷道围岩的支护设计。20 世纪起，古典的材料力 学以及结构力学逐渐成为分析解决地下工程中问题的主要理论。古典压力理论最 早由 A.Haim 等人提出，该理论认为，作用在支护系统上的竖直压力等价于上覆岩 体的重力；随后 K.Terzaghi 等人又总结出“塌落拱”理论，地下岩层会在开挖扰 动作用下形成一个拱状结构，该结构被命名为“塌落拱”，地下工程跨度不同， 围岩性质不同，拱的高度以及力学性质也就不尽相同；到了 1930 年前后，弹性力 学以及塑性力学也逐渐成为地下工程中分析岩石力学性质的理论基础，芬纳公式 和卡斯特纳公式是采用弹性力学以及塑性力学分析巷道围岩应力分布最典型的成 果，也是确定巷道围岩支护方案的重要理论依据。19 世纪 40 年代以后，由支护经 验总结得出，围岩除了作为被支护对象外，其自身也是很好的天然承载结构，这 为研究利用支架支护来控制围岩变形提供了新思路。“支架围岩”相互作用的 观点使围岩控制理论取得了进一步的发展，柔性让压支护，二次支护等理论随后 相继被提出；60 年代起，出现了刚性试验机，刚性试验机应用到围岩破坏理论研 究中，人们能够更好地研究岩石变形破坏的特性，经不断研究总结，归纳出了弹 塑性断裂破坏理论；1970 年前后，奥地利工程师 L.