深井沿空预掘顺槽（泄水巷）高强锚网支护技术研究与应用.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 深井沿空预掘顺槽深井沿空预掘顺槽（（泄水巷泄水巷））高强锚高强锚 网支护技术研究与应用网支护技术研究与应用 聂海洋聂海洋 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刘刘 立立 民民职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二○○一七年六月一七年六月 万方数据 论文题目论文题目 深井沿空预掘顺槽深井沿空预掘顺槽（（泄水巷泄水巷））高强锚网支护高强锚网支护 技术研究与应用技术研究与应用 作者姓名作者姓名聂聂 海海 洋洋入学时间入学时间2014 年年 9 月月 专业名称专业名称采采 矿矿 工工 程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 指导教师指导教师刘刘 立立 民民职职称称教教授授 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 AND APPLICATION OF HIGH STRENGTH ANCHOR MESH SUPPORT TECHNOLOGY FOR PRE EXCAVATED TROUGH DRAINAGE TUNNEL ALONG GOAF ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Nie Haiyang Supervisor Professor Liu Limin College of Mining and Safety Engineering 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学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆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在规定的学习年限内，， 按照培养方案及个人培养计划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，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、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 本论文以彭庄煤矿 1301 泄水巷为工程背景，通过应用现场调研分析、理论 分析、计算机数值分析、现场应用监测等方法，研究了深井沿空巷道复合锚网 支护技术。 首先从沿空巷道围岩变形破坏特征入手，对采空区和巷道上覆岩层结构的 力学模型作了分析，明确了上覆岩层破断后形成的弧形三角块结构的稳定性对 巷道稳定性的决定作用，还分析了巷道变形在采煤工作面在回采过程中的不同 阶段的特点；其次，探讨了沿空留小煤柱掘巷的可行性，根据合理煤柱宽度的 确定原则，以及和其他矿区沿空巷道条件的比较，得出了留 4.5m 小煤柱掘巷可 行的结论；第三，介绍了高强高预应力让压锚杆支护技术，详细阐述了高强高 预应力让压锚杆支护作用机理，对锚杆让压构件进行了合理的设计，提高了锚 杆支护系统的支护效率；第四，根据 1301 泄水巷矿压显现规律，并借助计算机 数值模拟软件，理论计算确定了支护方案及支护参数；第五，为了保证 1301 泄 水巷顶板支护试验成功，对锚杆的性能进行了井下测试，锚杆系统（杆体、托 盘、螺纹、螺母、树脂）的整体表现良好，满足了巷道支护要求。 文章的最后综合分析了 1301 泄水巷整体支护效果，通过对泄水巷的顶、底 板和两帮的位移的观测，可以得出泄水巷围岩变形在可接受的科学范围之内， 达到了支护预期目标。论文中的支护方案及支护参数科学合理，很好地解决了 彭庄煤矿泄水巷的安全支护问题，降低了煤矿生产成本，提高了煤矿生产效率， 也为相邻采区和类似矿井的支护提供一种方法和思路。 关键词关键词沿空巷道，围岩稳定性控制，锚杆支护，巷道变形，让压锚杆 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract II ABSTRACT In this paper, 1301 drainage lane in Pengzhuang coal mine as engineering background, through the application of field investigation, analysis of physical and mechanical experiments, theoretical analysis, numerical analysis and field application of monitoring s of roadway driving along goaf in deep mine composite anchor net support. From the first along the goaf surrounding rock deation characteristics, the mechanical model of mining overburden structure area and empty roadway are analyzed, the decisive role of the stability of overlying rock fractured ation of triangle block structure on roadway stability, also analyzed the roadway deation in the coal face in the mining process. The characteristics of the different stages; secondly, discusses the feasibility of small coal pillar along gob excavation, the principle to determine the reasonable width of coal pillar, as well as a comparison with other mining areas along goaf conditions, to determine the feasibility of 4.5m in small coal pillar roadway driving; third, the introduction of high prestressing support supporting technology of anchor bar, elaborated high prestressing supporting mechanism of bolt bolt pressure, pressure component of reasonable design, improve the bolting system supporting efficiency; fourth, roots According to the pressure of 1301 drainage roadway, and with the help of computer numerical simulation software, the theoretical calculation to determine the supporting scheme and supporting parameter; fifth, in order to ensure the 1301 drainage lane roof support bolt on trial is successful, the perance of the downhole testing system anchor rod body, tray, screw, nut, resin the overall perance is good, can meet the requirement of the roadway support. Finally the article analysis 1301 drainage lane overall supporting effect, through the observation on the top and bottom of the drainage lane and two for the displacement of surrounding rock roadway deation can be obtained discharge within an acceptable range of science, to support the expected goal. The support schemes and support parameters is scientific and reasonable, is a good solution in Pengzhuang coal mine drainage lane safety support, reduce the coal production cost, improve the efficiency of coal production, but also for the adjacent mining area and similar mine support provide a way of thinking. 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract III Keywords roadway driving along goaf, stability control, bolting, roadway deation, pressure bolt. 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问题的提出和研究意义....................................................................................................1 1.2国内外研究现状................................................................................................................2 1.3主要研究内容及研究方法................................................................................................7 2彭庄煤矿地质概况彭庄煤矿地质概况...........................................................................................9 2.1矿井地质生产概况............................................................................................................9 2.21301 泄水巷概况.............................................................................................................11 2.3本章小结..........................................................................................................................13 3沿空巷道围岩变形及控制研究沿空巷道围岩变形及控制研究.....................................................................14 3.1沿空巷道围岩变形特征..................................................................................................14 3.2小煤柱护巷可行性分析..................................................................................................16 3.3高强高预应力让压锚杆支护技术.................................................................................19 3.5本章小结.........................................................................................................................28 4沿空巷道高强锚网支护技术沿空巷道高强锚网支护技术.........................................................................29 4.11301 泄水巷矿压显现规律.............................................................................................29 4.2FLAC3D 数值模拟......................................................................................................... 29 4.3支护方案及支护参数设计..............................................................................................35 4.4锚杆性能井下测试..........................................................................................................43 4.5本章小结..........................................................................................................................46 5工程应用效果分析工程应用效果分析.........................................................................................47 5.1泄水巷矿压观测..............................................................................................................47 5.2巷道观测分析结论..........................................................................................................55 5.3本章小结..........................................................................................................................55 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 6主要结论主要结论.........................................................................................................56 参考文献参考文献...............................................................................................................58 致致谢谢................................................................................................................... 62 在校期间研究成果在校期间研究成果...............................................................................................63 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents VI Contents 1Introduction.........................................................................................................1 1.1The problem and its significance...............................................................................1 1.2Research status at home and abroad..........................................................................2 1.3Main research contents and research s...........................................................7 2Geological survey of Peng Zhuang coal mine...................................................................9 2.1Geological production of coal mine...........................................................................9 2.21301 drainage tunnel survey....................................................................................11 2.3Summary..................................................................................................................13 3Study on surrounding rock deation and control of gob side entry driving.........14 3.1Deation characteristics of surrounding rock in gob side entry driving............14 3.2Feasibility analysis of small coal pillar protection.................................................. 16 3.3High strength and high pre stress bolt support technology......................................19 3.5Summary..................................................................................................................28 4Composite anchor net support technology of gob side entry driving.......................... 29 4.11301 the law of mine pressure behavior in the drainage roadway...........................29 4.2FLAC3Dnumerical simulation.................................................................................29 4.3Support scheme and support parameter design........................................................35 4.4Downhole perance test of anchor rod...............................................................43 4.5Summary..................................................................................................................46 5Engineering application effect analysis...........................................................................47 5.1Mine pressure observation.......................................................................................47 5.2Roadway observation analysis conclusion...............................................................55 5.3Summary..................................................................................................................55 6Main conclusions...............................................................................................................56 References................................................................................................................................58 Acknowledge............................................................................................................................62 Research results during school.............................................................................................. 63 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问题的提出和研究意义问题的提出和研究意义 煤炭作为我国的基础能源，在我国的能源消费的结构中占 68％[1]左右，尽 管近年来国家逐渐致力于能源结构的调整，但受资源条件、开采技术、装备水 平及进出口政策等因素的制约，我国以煤炭为主的能源格局在较长时期内仍然 不会有较大改变[2]。随着世界煤炭工业的飞速发展和我国高产高效矿井建设目 标的提出，传统的技术工艺和陈旧的生产模式己不能适应现代化矿井建设和发 展的需要[3]。鉴于上述原因，国内一些厚煤层矿井相继采用了大采高一次采全 高综合机械化的采煤方法。由于大采高开采一次性开采煤层厚度大、开采强度 高，客观上要求大采高综采设备实现重型化、强力化、自动化、机电一体化， 工作面推进速度加快，因而其回采巷道数量增多，要求工作面的开切眼、回采 巷道以及停采线附近的回撤通道的断面积都要相应增大，巷道维护困难程度也 相应增加，传统的支护方式已跟不上煤炭开采巷道支护强度，需要对现有的巷 道支护理论与技术进一步拓展，以使煤炭的生产效率在安全的前提下尽可能的 提高[4]。 随着科技的进步，理论研究的不断发展，支护形式于是也发生了重大的变 化[5-7]。支护理念大力提倡主动支护，把围岩和支护系统的巷道看作统一的整体 进行支护。过去的支护方式落后存在不足，如砌碹支护墙体厚重，工人劳动强 度大，材料耗费量大，速度慢影响掘进[8]。还有棚式支架的支护费用高，钢材 用量相当大，很难实现成机械化的操作作业，工人们的劳动强度也很大，于是 加重了巷道的掘进速度慢的情况。以上的两种支护方式都属于被动支护，即随 着巷道围岩地应力增大，巷道的支护砌体厚度就要增加，工字钢的强度也要增 加，从而造成支护成本的增加。而且当地应力大于一定值后，这两种支护方式 基本上就无法支护住巷道，导致巷道变形量增大，并伴随顶板冒落，底板鼓起， 片帮等事故。作为主动支护的其中一种方式，锚杆支护改善了以上这些传统支 护方式所有的弊端，加快了巷道掘进速度，降低了工人井下劳动强度，节约了 支护成本。锚杆支护经过加固围岩，充分利用了巷道围岩自身承载能力，从而 降低了巷道围岩的变形量，另外锚杆还能与围岩同步变形，释放部分围岩应力， 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 降低巷道围岩的变形量[9-11]。回采巷道因为其有的特殊性，巷道围岩相对其他巷 道更加软弱不便维护，巷道的围岩顶板结构不简单，节理裂隙有较成熟发育， 回采巷道大多处在软弱煤层中，巷道顶板岩层强度都不小于巷帮围岩的强度。 回采巷道还要承受数次的采动影响，其峰值的应力甚至能达到原岩应力的 3 倍 之多，由于工作面和巷道内的更大型设备的使用，提出了更大断面的巷道和更 长的回采巷道，以及更长的服务年限等要求[12]。基于以上情况，回采巷道的支 护就更加需要科学指导，以免将来发生严重的后果。 如今单纯的锚杆支护形式已经很难满足矿井的生产需求，为了能更好服务 矿井生产，支护形式开始由单一走向复合支护[13]。如锚喷、锚网、锚网喷、 锚网索支护，在复合支护中，锚杆起主要作用，使开挖后变形的围岩形成一个 整体，并用混凝土以及金属网辅助加强支护。还有把数根锚杆组合到一体如 桁架锚杆，锚杆配钢筋梯子梁，锚杆配钢带的支护方式。 本课题通过对煤层及顶底板岩层的取样、测定力学参数、理论分析、数值 模拟和现场观测，得出巷道围岩变形规律，优化沿空顺槽支护参数，并提出合 理的支护方案。对于减少巷道维护工作量，减少矿井通风阻力，同时减少大量 的人力和物力以及财力，加快掘进速度，优化巷道的支护效果，增加矿井的煤 炭开采量，提升矿井的经济效益，对改善煤矿安全高效生产条件，具有一定现 实的指导意义。 1.2国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1国内外国内外深部巷道支护理论研究现状深部巷道支护理论研究现状 随着深部工程地不断开展，出现众多常规岩石力学理论难以解决的深部岩 体采动问题，从而促使近现代岩石力学理论的创新和发展。其中，巷道工程的 支护理论研究日新月异，而最初的支护理论可以追溯到 20 世纪初，一直以来都 在不断地发展和完善。国内外深部巷道支护理论研究发展主要有 古典压力理论与新奥法。Haim、Rankine 等推崇的古典压力理论[14]认为地 下岩体处于静水压力状态，上覆岩层的重量直接作用在支护结构上。 L.V.Rabcewice 等提出新奥法 （NATM） ， 该理论[15, 16]提出 “利用围岩自身的强度， 让破碎围岩继续参与控制围岩变形，把围岩和支护系统看作统一的整体”的主 动支护的理念。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 能量支护理论。M.D.G. Salamon 提出能量支护理论[17]，表明围岩岩体受到 力学行为扰动，必然会发生能量的转化，巷道围岩与支护体间的力学耦合作用 过程中围岩以变形释放能量，而支护体吸收其所释放的部分能量从而也产生形 变，两者通过不断的自主调节最终达到一种动态平衡。 除了这些经典理论之外，国内一些巷道支护研究专家根据我国特有的矿井生产 地质条件，丰富发展了深部巷道围岩支护理论，同时也取得了众多实用性成果， 丰富了巷道围岩支护理论的研究内容，其主要研究成果如下 （1）联合支护理论 冯豫等[18]提出联合支护理论， 认为巷道开挖初期围岩因卸压而产生大变形， 为减缓围岩变形速度同时保证支护结构不因刚性破坏，要求支护参数设计时应 具有让压特性，允许巷道围岩有一定变形和释放压力，待巷道变形相对稳定后， 采取刚性支护，并形成了一种“先柔后刚、先挖后让、柔让适度、稳定支护” 的支护理念。 （2）全长锚固中性点理论 王明恕等[19]提出了全长锚固中性点理论，认为锚杆尾部剪切力可减缓巷道 围岩的径向外压作用，同时指出锚杆上的剪力指向相背的分界点以外的杆体约 束着巷道围岩向自由面变形，而分界点以内的锚杆杆体又将被约束着的浅部围 岩与深部岩体相连，共同承载着围岩应力，锚杆支护作用原理如图 1.1 所示。 应力值 拉应力 锚杆长度中性点 剪应力 图 1.1全长锚固中性点理论 Fig.1.1Full length anchorage neutral point theory （3）围岩松动圈支护理论 董方庭等[20]，认为巷道围岩松动圈的存在是不以人的意识而转移的客观事 实，而支护的应该主要考虑抵抗引发松动圈产生的围岩压力。同时，还表明巷 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 道围岩力学性质与围岩应力直接影响着松动圈尺寸，根据松动圈尺寸确定支护 难度等级。对于不同尺寸松动圈的支护应设计出不同强度支护结构，松动圈越 大，围岩的也就变形越大，对支护的强度要求也越高。 （4）围岩强度强化理论 侯朝炯、勾攀峰等[21-23]提出巷道围岩强度强化理论，认为锚杆支护可以有 效缩减塑性区范围、提高岩体的极限强度和残余强度，增加锚杆支护密度，可 使锚固区围岩强化程度大幅度提升。同时，锚杆支护可以有效改善巷道围岩岩 体的基本