三软煤层沿空掘巷围岩控制技术研究.pdf

硕士学位论文 三软煤层沿空掘巷围岩三软煤层沿空掘巷围岩控制技术研究 申请人姓名 赵庆涛 指 导 教 师 郜进海 教授 专 业 名 称 采矿工程 研 究 方 向 巷道矿压及其控制 河南理工大学能源科学与工程学院 二○一一年十二月 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 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 取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他 个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。 其他同志对本研究的启发和所 做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、 使用学位论文的 规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩 印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 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。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 中图分类号中图分类号TD353 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 三软煤层沿掘巷围岩控制技术研究 Research on technology of surrounding rock controlling in three-soft-coal seam drifting along goaf 申请人姓名申请人姓名 赵庆涛 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士 学 科 专 业学 科 专 业 采矿工程 研 究 方 向研 究 方 向 巷道矿压及其控制 导师导师 郜进海 职称职称 教授 提 交 日 期提 交 日 期 2011.12 答 辩 日 期答 辩 日 期 2011.12 河南理工大学 万方数据 致谢致谢 岁月如梭，时光荏苒，转眼我的研究生生活就要结束了，值此论文完成之际， 我向我的导师郜进海教授表示衷心的谢意师从三载，收获颇丰，感触亦深。三 年来，导师在学习和生活中给我的帮助和支持使我永生难忘，尤其是再研究生期 间，从考研入学、论文选题到论文最后的定稿都离不开导师的精心指导和支持， 使我能够顺利完成各项研究内容。谨此向我的导师表示深深的感激 感谢韦四江老师，师兄王大顺，张明建在我数值模拟软件学习过程中给予的 无私帮助。 感谢采矿教研室的各位老师，在论文开题时，给了我很多宝贵的建议。 感谢师弟镐振、吕兆恒的大力帮助，感谢朝夕相处的室友和同届的同学们， 他们在学习上和生活上都给了我很大的帮助 深深感谢我的父母，多年来，是他们的理解和支持，我的学业才能够顺利完 成 感谢所引用参考文献的作、编、译者 最后，再次向我的导师郜进海教授表示深深的谢意 万方数据 I 摘摘 要要 三软煤层沿空掘巷围岩控制及窄煤柱的合理留设一直是采矿工程中的重点问 题。本文以新安煤矿工作面沿空掘巷为工程背景，采用数值模拟、工程类比及理 论分析的方法，结合现场试验研究，针对沿空掘巷合理煤柱的留设、巷道掘进阶 段和支护过程中存在的问题，对三软煤层沿空掘巷围岩稳定性进行了研究。 本文首先系统的阐述了三软煤层沿空巷道的围岩力学特征、巷道破坏失稳特 点及围岩变形特征，并结合煤柱变形破坏机理确定了沿空掘巷巷道布置的合理位 置，通过煤柱留设的计算公式，计算出了煤柱留设的合理宽度；然后依据工作面 实际工程地质条件， 应用 FLAC3D数值模拟软件对采空区侧向支承压力的分布规律 进行了研究，并且结合采空区侧向支承压力的分布规律对不同煤柱宽度条件下， 煤柱应力分布规律和变形特征进行了研究，进而确定了煤柱的合理留设宽度；同 时，根据现场实际条件，对三软煤层沿空掘巷掘进阶段和回采阶段联合支护结构 的受力特征进行了分析和研究；最后，通过现场试验检验了联合支护的效果，取 得了良好的效果。 关键词关键词三软煤层；沿空掘巷；数值模拟；联合支护 万方数据 II Abstract The mechanism and control of three-soft coal roadway and optimum coal pillar size are important problem in mineral engineering .In this paper, supported by the engineering background of working face in Xin’an coal mine, with numerical modeling, synthesizing project analogy , theoretical arithmetic, field test, the stability of the surrounding rock along next goaf caving roadway are studied, based on the problem of coal pillar designing, laneway excaving and supporting. The paper makes a systematic exposition for the characteristics and mechanics property of the three soft coal seam of the surrounding rock along next goaf caving roadway, the characteristics of broken three soft coal roadway driving along next goaf and the deation of ground. With the deation and broken of the coal pillar, the paper ascertains the rational coal column breadth by the theory; Based on the geology condition of working face,FLAC3D is used in the chapter to do the numerical study the distribution and the characteristics of confining pressure which caused by the mine stope. With the distribution of confining pressure which caused by the mine stope,the stress distribution of coal pillar and the characteristics deation of coal pillar are studied under the different coal pillar breadth and the rational coal column breadth are determined. Then by the actual geology condition,the stress characteristics of the combination of frame and cable is studied under the three soft coal roadway driving along next goaf and the extracing. At last, the combination support of frame and cable was successfully applied in the roadways. Keywords Three soft coal roadway; Roadway driving along next goaf; Numerical modeling; Combination support 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................. I 目目 录录 ............................................................................................................................. III 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 1.2.1 软岩的概念及分类 .................................................................................................... 2 1.2.2 沿空掘巷护巷煤柱宽度留设研究现状 .................................................................... 4 1.2.3 巷道围岩控制技术研究现状 .................................................................................... 6 1.3 主要研究内容及研究方法 ................................................................................ 9 1.3.1 研究内容 .................................................................................................................... 9 1.3.2 研究方法 .................................................................................................................. 10 1.4 研究技术路线 .................................................................................................. 10 2 三软煤层沿空掘巷围岩稳定性的理论研究三软煤层沿空掘巷围岩稳定性的理论研究 ............................................................ 11 2.1 三软煤层沿空掘巷的基本特点 ...................................................................... 11 2.1.1 巷道围岩性质 .......................................................................................................... 11 2.1.2 巷道围岩应力环境 .................................................................................................. 12 2.1.3 巷道的维护特点 ...................................................................................................... 12 2.2 三软煤层沿空掘巷围岩变形破坏特点分析 .................................................. 13 2.2.1 煤层巷道失稳力学机理 .......................................................................................... 13 2.2.2 沿空掘巷巷道破坏形式 .......................................................................................... 14 2.3 三软煤层沿空掘巷巷道合理位置的选择 ...................................................... 15 2.4 煤柱宽度理论分析 .......................................................................................... 18 2.4.1 煤柱的破坏机理及稳定性的影响因素 .................................................................. 19 2.4.2 合理煤柱宽度的确定 .............................................................................................. 20 2.5 本章小结 .......................................................................................................... 21 3 三软煤层沿空掘巷窄煤柱的稳定性分析三软煤层沿空掘巷窄煤柱的稳定性分析 ................................................................ 23 3.1 数值模拟方法概述及模拟软件简介 .............................................................. 23 3.1.1 数值模拟方法概述 .................................................................................................. 23 万方数据 IV 3.1.2 数值模拟软件简介 .................................................................................................. 24 3.2 数值计算模型的建立 ....................................................................................... 26 3.2.1 工程地质概况 .......................................................................................................... 26 3.2.2 模型构建 .................................................................................................................. 26 3.2.3 计算模型中的岩力学参数 ...................................................................................... 27 3.2.4 边界条件 .................................................................................................................. 28 3.3 采空区侧向应力分布规律研究 ....................................................................... 28 3.4 窄煤柱应力分布 ............................................................................................... 31 3.4.1 掘巷期间煤柱应力分布 .......................................................................................... 31 3.4.2 回采期间煤柱应力分布 .......................................................................................... 33 3.5 窄煤柱变形特征 ............................................................................................... 34 3.5.1 掘巷期间煤柱位移分布 .......................................................................................... 34 3.5.2 回采期间煤柱位移分布 .......................................................................................... 35 3.6 窄煤柱宽度对巷道稳定性的影响 ................................................................... 37 3.7 窄煤柱宽度的合理确定 ................................................................................... 38 3.7.1 留设窄煤柱合理宽度的基本原则 .......................................................................... 38 3.7.2 窄煤柱的合理留设宽度 .......................................................................................... 39 3.8 本章小结 ........................................................................................................... 39 4 三软煤层沿空掘巷围岩控制及其数值模拟分析三软煤层沿空掘巷围岩控制及其数值模拟分析 ..................................................... 41 4.1 三软煤层沿空掘巷联合支护控制技术 ........................................................... 41 4.1.1 锚杆支护作用机理分析 .......................................................................................... 41 4.1.2 U 型棚支护作用分析 ............................................................................................... 43 4.2 模拟方案的确定 ............................................................................................... 44 4.3 模拟结果的分析 ............................................................................................... 45 4.3.1 不同支护形式下巷道围岩应力分布特征 .............................................................. 45 4.3.2 不同支护形式下巷道围岩变形分布特征 .............................................................. 48 4.3.3 支护结构承载机理分析 .......................................................................................... 49 4.4 本章小结 ........................................................................................................... 56 5 现场工业性试验现场工业性试验 ......................................................................................................... 59 5.1 试验巷道工程概况 ........................................................................................... 59 万方数据 V 5.2 巷道支护状况概述 .......................................................................................... 60 5.2 1 掘进期间表面位移分析 .......................................................................................... 61 5.2 1 回采期间表面位移分析 .......................................................................................... 63 5.3 本章小结 .......................................................................................................... 64 6 结论结论 ............................................................................................................................ 65 6.1 主要结论 .......................................................................................................... 65 6.2 不足与展望 ...................................................................................................... 66 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 67 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 73 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................ 75 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出及研究意义 我国是煤炭资源储量最丰富的国家之一，近 30 年来，煤炭占我国能源的 70 以上。根据现有资料的不完全统计，我国煤炭资源已探明储量大约在 9000 亿吨以 上，现有的已知含煤面积达到 55 万多平方千米，且各种煤类齐全，煤层赋存的地 质条件多种多样，矿井开采条件复杂。根据最新的统计资料表明，煤炭资源在我 国国民经济中占有重要的经济地位，在我国现阶段一次能源生产和消费中，煤炭 资源占其中的 75，在未来的几十年中，我国一次能源生产和消费以煤为主的格 局基本不会改变。因此，充分开发煤炭资源，合理开采、有效利用煤炭资源，提 高煤炭资源开采的回采率，实现矿业的可持续发展，是我国煤炭行业现阶段急需 解决的问题[1]。目前，随着煤炭的连续开采，浅埋煤炭资源越来越少，已经转向深 部煤层的开采，全国平均立井的深度已达到了 700m，目前正以 8-12m 的速度向深 部延伸[2]。可见，随着煤矿矿井开采深度的不断加大，深部软岩问题越来越突出， 严重影响到了煤矿的正常生产，因此，软岩巷道的维护问题正变的越来越突出。 目前，随着现阶段矿井开采技术的不断进步，在井下开采过程中，为了提高 工作面煤炭资源回收率同时降低巷道掘进率，沿空掘巷技术被广泛应用于煤矿开 采过程中，所谓沿空掘巷是指在上区段工作面回采结束以后，采空区岩层活动基 本终止稳定，在回采引起的应力重新分布趋于稳定后掘进，此时巷道位于上区段 采空区侧向支承压力的应力降低区，采用小煤柱护巷和合理的支护技术可以使巷 道在掘进和掘后围岩变形量较小。一般来说，沿空掘巷又通常分为留窄煤柱沿空 掘巷和完全沿空掘巷两种形式。完全沿空掘巷通常是指沿采空区边缘开掘巷道的 布置方法，此时巷道靠近采空区一侧的帮部岩破碎松散，极易发生上区段采空区 窜矸、透水、漏风、瓦斯集中等安全隐患，因此完全沿空掘巷的应用范围受到很 大限制。而留窄煤柱沿空掘巷是指在巷道与上部采空区之间保留一定宽度的煤柱 进行护巷，防止采空区积水及有害气体、大块岩石等窜入巷道内。 随着井下巷道支护技术的不断进步，留窄煤柱护巷的沿空掘巷技术应用逐渐 增多。通常，沿空掘巷的力学环境与一般的回采巷道不同留窄煤柱护巷时，巷 道一帮因为巷道开挖和上部工作面的回采已经全部进入塑性状态，而另一帮为实 体煤，在上区段采空侧的侧向支承压力和本工作面回采时所引起的超前支承压力 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 叠加形成高支承压力，应力集中系数比一般的回采巷道大的多。在这种复杂的应 力环境下，使得沿空掘巷道的变形更难于控制，破坏更加严重。 同时，随之国民经济的发展，煤炭需求量不断增加，开采技术不断提高、煤 矿设备趋向大型化、工作面单产的提高需要更大断面的巷道保证正常的生产通风、 运输要求。相关的，煤矿开采规模的加强、矿井开采的纵深化，巷道围岩性质变 的复杂、工作面的支承压力加大。因此，软岩巷道的支护问题将随着以上原因而 变得更加突出。 长期以来，国内外学者专家对煤矿软岩巷道问题做了大量研究工作，并取得 了一大批研究成果，提出了大量控制软岩巷道问题的实用技术。但这些研究成果 大多是针对一般性软岩进行的，对回采巷道，特别是三软沿空掘巷的围岩控制的 研究较少。三软煤层沿空巷道时一类特殊的回采巷道，其围岩变形机理既与一般 软岩巷道有着共同点，又有区别，其中共同点为三软煤层沿空巷道有一般软岩 巷道围岩变形的相同的影响因素，例如软岩的扩容性、流变性等；主要区别巷 道所处的力学环境，沿空巷道在回采期间受到侧向支承压力和工作面超前叠加形 成了高支承压力，两帮应力分布不对称。 因此，鉴于三软煤层沿空掘进巷道的特殊性及其控制的复杂性，对三软煤层 沿空掘巷围岩破坏及其控制机理进行研究，并提出有效的控制措施，对煤矿的安 全生产具有非常重要的意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 软岩的概念及分类 一、 软岩的概念[3-6] 软岩，通常也被称为松软岩层，其概念总体上可分为描述性定义、指标化定 义和工程定义三大类。 1 描述性定义陆家梁教授对软岩是这样描述的，松软岩层系指松散、软弱 的岩层，它是相对坚硬岩层而言的。松软岩层由于成岩的时间短、结构疏散、胶 结程度差，故自身强度很低。郑雨天、王明恕、何修仁等人对软岩的描述是软岩 即破碎、松软、膨胀、松散、流变、强风化蚀变及受高应力作用一类岩体的总称。 朱效嘉教授认为，松软、破碎、易膨胀、易风化等岩层应被称为软岩。曾小泉提 出松软岩层应该是松散、破碎、软弱、强风化及膨胀性岩层的总称。其中，在 1984 万方数据 1 绪论 3 年，矿山压力名词讨论会上曾提出， “松软岩层是指强度低、孔隙度大、胶结程度 差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱 岩层” 。 2 指标化定义国际岩石力学学会（ISRM）依据岩石的强度指标，将软岩定 义为，软岩是指单轴抗压强在 0.5～25MPa 之间的一类岩石。而 G.Russo 则认为， 软岩是指单轴抗压强度小于 17MPa 的岩石。 3 工程性定义依据松动圈相关理论，董方庭教授提出松动圈厚度大于 1.5m 的围岩称为软岩，而鹿守敏教授提出，当围岩松动圈厚道大于 1.5m,并且常规支护 手段不能适应围岩变形的围岩称为软岩。何满潮教授通过总结和实验室研究提出 了地质软岩和工程软岩的概念，并认为地质软岩与工程软岩之间的关系为当工程 载荷相对于地质软岩的强度足够小时，地质软岩如果不产生软岩所具有的显著塑 性变形力学特征，即不作为工程软岩，反之则定义为工程软岩。 二、 软岩的分类 何满潮教授等人在充分总结前人关于软岩概念的定义及理论的基础上，将软 岩划分为地质软岩和工程软岩 [1,7,8,9]，其中工程软岩是指在工程力作用下能产生显 著塑性变形的工程类岩体，并且依据软岩自身的强度特性、泥质含量、结构面特 点及其塑性变形力学特点和变形机制，将工程软岩划分四大类，即膨胀性软岩、 高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩四类。 1 膨胀性软岩所谓膨胀性软岩是指岩层含有黏土等高膨胀性矿物，并在较 低应力水平（通常小于 25MPa）条件下即发生显著塑性变形的低强度一类工程岩 体的总称。在工程实践中，膨胀性软岩是一类以泥质岩类为主的低强度工程岩体， 其显著特点是具有膨胀性且含有大量黏土矿物，并且依据其膨胀性大小分为三类 即强膨胀性软岩 （自由膨胀变形15） 、 中膨胀性软岩 （自由膨胀变形 10～15） 和弱膨胀性软岩（自由膨胀变形25MPa） 才发生显著塑性变形的中高强度工程岩体，其地质特征是有一定含量的泥质，但 砂质成分较多。其中高应力软岩的塑性变形机理是当软岩处于高应力水平时， 岩石骨架中的基质（黏土矿物）发生滑移和扩容，此后再接着发生缺陷或裂纹的 扩容和滑移塑性变形。 3 节理化软岩所谓节理化软岩是指含泥质成分很少（或几乎不含）且节理 裂隙极为发育的岩体。通常在此类岩体中，岩块的强度颇高，呈现硬岩力学特性， 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 但整个工程岩体在巷道工程力的作用下则发生显著塑性变形，呈现出软岩的特性， 其塑性变形机理是在工程力作用下，结构面发生滑移和扩容变形。 1.2.2 沿空掘巷护巷煤柱宽度留设研究现状 在具体的现场工程实践中，沿空掘巷一般分为沿采空区边缘掘巷及与采空区 之间留设宽度较小煤柱的沿空掘巷。而窄煤柱的留设宽度对巷道稳定性的影响主 要有两个方面一是留设煤柱宽度对巷道围岩应力的影响；二是留设煤柱宽度大 小对巷道围岩变形的影响。国内外学者在沿空掘巷护巷煤柱宽度研究方面做了大 量研究工作，取得了很多理论成果，提出了多种煤柱宽度的设计方法，这些设计 方法从原理上可分为极限强度理论和渐进破坏理论。其中依据极限强度理论设计 煤柱宽度的方法称为“刚性“煤柱设计；依据渐进破坏理论设计煤柱宽度的设计方 法则被称为“屈服”煤柱设计 [10-12]。 一、 煤柱强度理论研究 对于煤柱强度的理论计算研究，国内外学者进行了大量的实验和原位试验， 通过这些实验和对现场资料的调查，并且结合理论分析，提出了多种煤柱强度计 算理论和公式，主要包括Gaddy 等人提出的 Holl