深部综放沿空掘巷围岩变形破坏特征与控制技术.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 深部综放沿空掘巷围岩变形破坏特深部综放沿空掘巷围岩变形破坏特 征与控制技术征与控制技术 张张 强强 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 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谭谭 云云 亮亮 职职 称称教教 授授 臧臧 传传 伟伟 职职 称称副副 教教 授授 副副指导教师姓名指导教师姓名李李 小小 平平 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 二二〇〇一一七七年六月年六月 万方数据 国家自然科学基金项目（51474137） 山东省科技发展计划项目（2014GSF120002） 山东省泰山学者工程专项经费资助（NO.ts201511026） 论文题目论文题目 深部综放沿空掘巷围岩变形破坏特征深部综放沿空掘巷围岩变形破坏特征与与控控 制技术制技术 作者姓名作者姓名 张张 强强 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 谭谭 云云 亮亮 职职 称称 教教 授授 臧臧 传传 伟伟 副副 教教 授授 副副指导教师指导教师 李李 小小 平平 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 6 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 SURROUNDING ROCK DEATION AND FAILURE CHARACTERISTICS AND CONTROL TECHNOLOGY OF ENTRY DRIVING ALONG GOAF IN FULLY-MECHANIZED CAVING FACE WHEN DEEP MINING A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhang Qiang Supervisor Professor Tan Yunliang college of mining and safety engeneering Jun 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人和集体，均已在文中以明确方式标明。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。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 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。撰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，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，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纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫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。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， 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论文。规定，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 随煤炭资源高强度开采，浅部资源日益减少，开采重心逐步向深部转移。 为实现煤炭资源高效利用，回采巷道多采用小煤柱沿空掘巷技术。但处于深部 高应力环境下，围岩变形破坏加剧，维护难度高，影响工作面回采。因此，本 文以东滩煤矿 3304 轨道顺槽为工程背景，采用理论分析、数值模拟、现场试验 及监测相结合研究方法，对深部综放沿空掘巷围岩变形破坏特征与控制技术进 行分析，得到如下主要结论 （1）采用数值模拟方法，确定了 3304 工作面应力降低区、应力升高区、 原岩应力区范围。结合窄煤柱宽度确定原则、围岩应力位移分布特征，发现窄 煤柱宽度为 4m 时，煤柱与巷道处于应力降低区，围岩稳定性较好。综合其他 影响因素，4m 煤柱留设宽度最为适宜，保证了煤柱自身稳定性，围岩整体变形 量较小，利于巷道稳定。 （2）总结了深部综放沿空掘巷围岩变形特征，具体为①围岩塑性破坏范 围大；②围岩整体变形大，窄煤柱、实体煤帮变形尤为严重。因此，提出了深 部综放沿空掘巷围岩控制技术。具体为①强预紧力锚杆、锚索，保持顶煤完 整性；②实体煤帮高强锚杆配合高锚固力、强让压长锚索，限制其大变形；③ 高强度锚杆-锚索强化加固塑性小煤柱，提高其承载能力。 （3）针对综放沿空掘巷顶板力学条件，考虑到锚杆间排距、锚固力等因素 对锚杆长度的影响，修正了锚固岩梁理论，根据抗拉强度、抗剪强度两个极限 条件，确定了顶板锚杆支护参数；运用悬吊理论设计了顶锚索锚固参数，保证 锚索能够承担其作用范围内潜在冒落岩层重量。基于深部综放沿空掘巷两帮变 形破坏特征，研究了实体煤帮、窄煤柱帮控制原理；通过极限平衡理论、数值 模拟等研究方法，给出了实体煤帮、煤柱帮支护参数设计方法。 （4） 运用理论计算、 数值模拟并结合现场情况， 提出了支护参数优化方案， 优化了东滩煤矿 3304 轨道顺槽锚杆、锚索支护参数，进行现场应用。现场监测 发现，巷道使用期间，围岩变形量较小，巷道支护效果良好，能满足设备需要 及生产要求，有利于巷道快速掘进，更好地实现采掘接替平衡。 关键词关键词深部综放；沿空掘巷；窄煤柱；变形破坏；锚网索支护 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II ABSTRACT With shallow coal resources decreasing, deep mining has become an inevitable trend in the coal industry. In order to reduce coal loss and improve resource recovery, technology of driving along gob was widely used by domestic coal mines. However, under the condition of high stress in deep mine, surrounding rock of roadway was severely damaged. It was difficult to support and maintain during mining process and it brought serious affection to normal mining. Therefore, based on 3304 tail entry, the of theoretical analysis, numeral simulation and field test was used in the paper to study the deation and failure characteristics and control technology of surrounding rock. The main conclusions are as follows 1 The range of stress decreasing zone, stress rising zone and primary stress zone was determined by numerical simulation. According to the principle of determination of width of narrow coal pillar and the features of stress and displacement of surrounding rock, when the width of narrow coal pillar was 4m, the coal pillar and roadway were in the stress decreasing zone, and the stability of surrounding rock were better. Combined with other factors, the width of 4m pillar was the most suitable. In this case, the narrow coal pillar could not only guarantee the stability, but also the deation of roadway surrounding rock was small, which was beneficial to the stability of roadway. 2 The deation and failure characteristics of surrounding rock of the deep gob-side entry driving are summarized in this paper, which are as follows ① the plastic failure range of surrounding rock is large; ② the deation of surrounding rock is large, the deation of narrow coal pillar and the solid coal side is particularly serious. Based on this, the paper put forward the surrounding rock control technology of gob-side entry in deep fully-mechanized caving mining. ① maintaining the integrity of the top coal by anchor bolt and cable with strong prestress; ② high strength anchor bolt and high anchoring force, long anchor cable with strong pressure to limit large deation; ③ high strength anchor bolt and cable to reinforce the plastic small coal pillar and improve its bearing capacity. 3 In the light of mechanical conditions of roof of gob-side entry in deep fully-mechanized coal caving mining, considering the effect of anchor bolt spacing, anchoring force and other factors on the length of anchor, according to the two limiting conditions of tensile strength and 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III shear strength, the support parameters of roof anchor bolt were determined. Based on the generalized suspension theory, the support parameters of roof anchor cable were carried out to ensure that the cable had the ability to bear the weight of potential falling rock. Based on the characteristics of deation and failure of two sides of gob-side entry, the control principle of solid coal side and coal pillar side were studied. Based on the limit equilibrium theory and numerical simulation , the design of bolt-mesh-cable support parameters of the solid coal side and coal pillars side were presented. 4 By means of theoretical calculation, numerical simulation and field study, several optimization schemes of support parameters were put forward and the support parameters of bolt-mesh-cable were optimized. By field application and monitoring, during the use period of roadway, the deation of surrounding rock was small, and the effect of roadway support was good, which could meet the requirements of the equipment and the production requirements, and was conducive to the rapid excavation of gob-side entry in fully-mechanized caving mining, and to achieve the balance of mining and driving. Key words full-mechanized caving mining in deep mine; gob-side entry; coal pillar; deation and failure feature of surrounding rock; bolt-mesh-cable support 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要 I 目目 录录 IV 1 绪论绪论 1 1.1 课题的研究背景和意义 .................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................................ 2 1.3 主要研究内容、方法及技术路线 .................................................................................... 5 2 深部综放沿空掘巷窄煤柱合理留设宽度模拟研究深部综放沿空掘巷窄煤柱合理留设宽度模拟研究 7 2.1 综放沿空掘巷窄煤柱合理留设宽度 ................................................................................ 7 2.2 窄煤柱合理宽度确定 ...................................................................................................... 12 2.3 本章小结 .......................................................................................................................... 13 3 深部综放沿空掘巷围岩稳定性控制原理与技术深部综放沿空掘巷围岩稳定性控制原理与技术 15 3.1 综放沿空掘巷围岩变形破坏特征 .................................................................................. 15 3.2 综放沿空掘巷围岩稳定性控制技术 .............................................................................. 16 3.3 综放沿空掘巷围岩控制原理及支护参数理论分析 ...................................................... 17 3.4 巷道支护参数设计 .......................................................................................................... 24 3.5 本章小结 .......................................................................................................................... 28 4 深部综放沿空掘巷支护参数优化模拟研究深部综放沿空掘巷支护参数优化模拟研究 30 4.1 模型建立 .......................................................................................................................... 30 4.2 模拟结果 .......................................................................................................................... 31 4.3 本章小结 .......................................................................................................................... 44 5 深部综放沿空掘巷围岩控制技术现场试验深部综放沿空掘巷围岩控制技术现场试验 45 5.1 试验巷道概况 .................................................................................................................. 45 5.2 巷道支护参数 .................................................................................................................. 46 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 5.3 现场试验及效果 .............................................................................................................. 48 5.4 本章小结 .......................................................................................................................... 50 6 结论与展望结论与展望 51 6.1 主要结论 .......................................................................................................................... 51 6.2 创新点 .............................................................................................................................. 52 6.3 不足与展望 ...................................................................................................................... 52 参考文献参考文献 53 致谢致谢 57 硕士期间主要成果硕士期间主要成果 58 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI Contents 1 Introduction1 1.1 Research Background and significance1 1.2 Research status2 1.3 Main research contents, and technical route5 2 Simulation study on reasonable width of narrow coal pillar of gob side entry in deep fully mechanized caving mining7 2.1 Reasonable width of narrow coal pillar in gob side entry of fully mechanized caving mining7 2.2 Determination of reasonable width of narrow coal pillar12 2.3 Chapter summary13 3 Stability control principle and technology of surrounding rock of gob side entry in deep fully mechanized caving mining15 3.1 Deation and failure characteristics of surrounding rock of gob side entry in fully mechanized caving mining15 3.2 Surrounding rock stability control technology of gob side entry in fully mechanized caving mining16 3.3 Theoretical analysis on control principle and support parameter of gob side entry in fully mechanized caving mining17 3.4 design of support parameter 24 3.5 Chapter summary28 4 Simulation study on support parameters optimization of gob side entry in fully mechanized caving mining30 4.1 Model building30 4.2 Simulation results31 4.3 Chapter summary44 5 Field test of surrounding rock control technology of gob side entry in deep fully mechanized caving mining45 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII 5.1 Test roadway survey45 5.2 Support parameter46 5.3 Field test and effect48 5.4 Chapter summary50 6 Conclusions and outlooks51 6.1 Main Conclusions51 6.2 Innovations52 6.3 Deficiency and Outlooks52 References53 Acknowledgements..57 Main achievements during master study...58 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 课题的研究背景和意义课题的研究背景和意义 随煤炭资源高强度开采，浅部资源日益减少，开采重心逐步向深部转移。 高应力、高地温、高水压和强扰动等给深部煤炭资源安全高效开采带来巨大挑 战。对深部巷道而言，支护难度明显加大，采动影响下，支护问题更为显著。 据统计表明，我国厚煤层储量十分丰富，占已探明煤炭储量的 45，而厚 煤层的产量占总产量的 4050， 合理开发厚煤层对我国煤炭行业有着重要影 响。分层开采技术逐渐被具有低成本、高产出、低投入、高效率、系统简单和 安全可靠等特点的综放开采