特厚煤层巷道顶板冒顶机理与控制技术研究.pdf

分 类 号 密 级 太原理工大学 硕 士 学 位 论 文 题 特厚煤层巷道顶板冒顶机理与控制技术研究 Ro o f Caving Mec hanism and Co ntro l T ec hno lo gy Researc h o n 英文并列题目_______Ro adway under T he Extremely T hic k Co al Seam 研究生姓名 郑志军 专 号 业 研 究 方 向 导 师 姓 名 职 称 2014510637 矿业工程 矿山压力与岩层控制 张百胜 副教授 论文提交日期 2017/05 学位授予单位太 原 理 工 大 学 地 址 山西太原 太原理工大学 万方数据 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含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 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论 文 作 者 签 名 許表 日 期 / 7 -f h 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件 ；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文; ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文; ⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 （ 保密学位论文在解密后遵守此规定） 。 签名辟尤、年日 期 a、/o________ 导师签名成日期D 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 特 厚 煤 层 巷 道 顶 板 冒 顶 机 理 与 控 制 技 术 研 究 摘 要 巷道冒顶控制问题一直以来是巷道支护领域的研究热点和难点，冒顶 事故具有较高的隐蔽性、突发性和高度危险性，给人们带来了巨大的精神 压力、心理恐惧和财产损失。巷道顶板的塑性破坏是产生冒顶的重要原因， 揭示回采巷道冒顶机理必须掌握巷道围岩的塑性区分布规律，由于回采巷 道围岩所处的应力场环境特征一般是非均匀的，这种环境下的围岩塑性破 坏形态势必出现不同于均匀应力场的形态特征。因此，研究非均匀应力场 条件下巷道冒顶机理，寻求解决巷道冒顶问题的实用理论和方法是煤矿开 采中亟待解决的关键问题之一。采用理论分析的方法推导出不均匀应力场 下围岩的塑性区分布的理论公式，并分析不均匀应力场下巷道围岩的塑性 区的影响因素，得出巷道的埋藏深度、巷道的开挖半径、巷道的侧压系数 以及围岩的内聚力和内摩察角等因素对巷道围岩塑性区的深度有影响，并 且揭示了回采巷道冒顶机理，顶板含有软弱岩层且塑性区穿透下位坚硬岩 层在该软弱岩层重新形成，伴有巨大的膨胀压力和强烈变形，这种围岩的 变形破坏在现有技术条件几乎是给定的，使下位坚硬岩层受到持续、巨大 的“挤压”载荷，致使其发生断裂破坏，当这种软弱岩层区域的塑性区形 成产生的变形达到一定的程度后，其下位坚硬岩层则彻底失稳垮落，如果 此时支护不再能承担顶板破坏岩石的重量，巷道便发生冒顶。因此，在大 变形回采巷道受到不均匀应力的影响下围岩的塑性破坏及其产生的变形在 现有支护条件下几乎是给定的，应釆用能够适应围岩大变形、可持续提供 I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 较高工作阻力、具有足够锚固范围的支护材料，遏制塑性区围岩的恶性扩 展，保证塑性区围岩的稳定，进而消除冒顶隐患，形成了以接长锚杆为主 的支护手段。 本文以陈家沟煤矿8512工作面为工程实例，采 用flac3D数值模拟软 件，模拟了回采巷道在掘进期间、距离回采工作面10m，距离回采工作面 0m等情况下，塑性破坏区分布、垂直和水平应力分布、竖直方向的位移分 布、最大和最小主应力分布，巷道和工作面周边围岩体塑性区的破坏分布 等云图， 以了解大变形回采巷道围岩节理裂隙的发育和扩展情况， 并 以8512 工作面为工程实例，布置观测站监测巷道在普通支护情况下和采用加长锚 杆支护情况下巷道围岩的顶底板移近量和两帮移近量，确定采用加长锚杆 情况下巷道的支护效果，为这类大变形回采巷道的冒顶机理和控制提出宝 贵的意见。 关键词冒顶， 大变形回采巷道， 塑性区， 可接长式锚杆 II 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 ROOF CAVING MECHANISM AND CONTROL TECHNOLOGY RESEARCH ON ROADWAY UNDER THE EXTREMELY THICK COAL SEAM ABSTRACT Ro adway ro o f ing c o ntro l pro blems has always been the researc h ho tspo t and dif f ic ulty po int in the f ield o f ro adway suppo rt. Ro o f ing ac c idents have high c o nc ealment, suddenness and high risks, whic h brings great mental stress, psyc ho lo gic al f ear and pro perty damage. T he plastic def o rmatio n o f the ro o f ro adway is an impo rtant reaso n f o r the o c c urrenc e o f ro o f ing. It is nec essary to grasp the distributio n law o f the surro unding ro c k ro adway. T he enviro nmental c harac teristic s o f the stress f ield o f the surro unding ro c k are generally no n unif o rm. T he plastic def o rmatio n o f the surro unding ro c k is bo und to appear dif f erent f ro m the unif o rm stress f ield c harac teristic s. T heref o re, it is o ne o f the key pro blems to be so lved urgently in the study o f the mec hanism o f ro adway ro o f ing under no n unif o rm stress f ield and the prac tic al theo ry and metho d to so lve the pro blem o f ro adway ro o f ing. In this paper, the theo retic al f o rmula o f the plastic zo ne distributio n o f the surro unding ro c k under inho mo geneo us stress f ield is deduc ed. T he inf luenc e f ac to rs o f the plastic zo ne o f the surro unding ro c k o f the ro adway under the uneven stress f ield are analyzed. T he exc avatio n depth o f the ro adway, the exc avatio n radius o f the ro adway, And the f ac to rs suc h as the c o erc ivity o f the surro unding ro c k and the angle o f the inner f ric tio n are related to the depth o f the plastic zo ne o f the surro unding ro c k. It is f o und that the exc avatio n ro adway has a petal plastic zo ne under the inf luenc e o f the uneven stress, and reveals the ro o f ing mec hanism , T he ro o f c o ntains a weak ro c k layer and the petal plastic zo ne penetrates the lo wer hard ro c k f o rmatio n in the weak ro c k f o rmatio n, ac c o mpanied by a huge expansio n pressure and stro ng def o rmatio n, the def o rmatio n o f the surro unding ro c k damage in the existing tec hnic al c o nditio ns is almo st given, So that the lo wer hard ro c k is sustained, huge “squeeze“ lo ad, III 万方数据 太原理工大学硕士研宄生学位论文 resulting in the o c c urrenc e o f f rac ture damage, when the weak ro c k area o f the butterf ly plastic zo ne f o rmed def o rmatio n to a c ertain extent, the lo wer hard ro c k layer is c o mpletely lo st Stable c o llapse, At this time c an no lo nger bear the ro o f to destro y the weight o f the ro c k, the ro adway will take the ro o f . T heref o re, the plastic damage and its def o rmatio n o f the surro unding ro c k under the inf luenc e o f the uneven stress under the large def o rmatio n mining ro adway are almo st given under the existing suppo rt c o nditio n, and it sho uld be used to adapt to the large def o rmatio n o f the surro unding ro c k, High wo rking resistanc e, with suf f ic ient anc ho rage range o f suppo rting materials to c urb the plastic area o f the malignant expansio n o f the surro unding ro c k to ensure the stability o f the plastic zo ne surro unding ro c k, and thus eliminate the risk o f c aving, f o rming a lo ng anc ho r to the main means o f suppo rt. Based o n the 8512 wo rking f ac e o f Chenj iago u Co al Mine, the f lac 3D numeric al simulatio n so f tware is used to simulate the distributio n o f the plastic f ailure zo ne, the vertic al and ho rizo ntal o f the mining ro adway during the exc avatio n perio d, 10m f ro m the wo rking f ac e o f the mining f ac e and 0m f ro m the wo rking f ac e Stress distributio n, displac ement distributio n in the vertic al direc tio n, distributio n o f the maximum and minimum princ ipal stresses, and the distributio n o f the plastic zo ne aro und the surro unding ro c k mass in the surro unding area o f the wo rking f ac e, so as to understand the develo pment and expansio n o f the j o int f issures o f the large def o rmatio n mining ro adway T aking the 8512 wo rking f ac e as the engineering example, the o bservatio n statio n mo nito ring the ro adway in the c ase o f o rdinary suppo rt and the use o f extended bo lt suppo rt under the situatio n o f the to p and bo tto m o f the ro adway near the f lo o r and the two sets o f c lo se to the amo unt, to determine the use o f extended anc ho r Under the suppo rt o f the ro adway, f o r suc h large def o rmatio n o f mining ro adway ro o f ing mec hanism and c o ntro l o f valuable advic e. KEY WORDSRoof caving,Large deation mining roadway, Plastic zone, The long connected anchor IV 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目 录 摘 要 .......................................................................................................................................I ABSTRACT..........................................................................................................................III 目 录 .....................................................................................................................................V 第 一 章 绪 论 ..........................................................................................................................1 1 .1 问 题 的 提 出 ..............................................................................................................1 1 .2 国 内外研宄现状......................................................................................................3 1.2.1巷道围岩塑性区理论研宄现状.....................................................................3 1.2.2采动巷道岩体应力环境研宄现状.................................................................5 1.2.3巷道冒顶机理研宄现状................................................................................ 7 1.2.4巷道围岩控制理论与技术研宄现状.............................................................8 1.2.5研 宄 现 状 综 述 .............................................................................................. 12 1.3论文研宄内容与研宄方法.................................................................................... 13 1.3.1主 要 研 宄 内 容 .............................................................................................. 13 1.3.2本文研宄技术路线...................................................................................... 13 第三章巷道围岩塑性区形成的力学机制与形态特征.....................................................21 3 .1 巷道围岩塑性区形成的力学机制.........................................................................21 3.1.1双向不等压圆形巷道围岩的应力状态.......................................................21 3.1.2围岩强 度准 则 .............................................................................................. 22 3.1.3双向不等压圆形巷道围岩塑性区边界方程...............................................23 3 .2 巷道围岩塑性区深度的影响因素分析.................................................................27 3.3本 章 小 节 .................................................................................................................32 第 四 章 数 值 模 拟 ................................................................................................................33 4 .1 原岩应力场分布规律............................................................................................ 33 4 .2 采动叠加应力场分布特征.................................................................................... 33 4.3模 拟 软 件 介 绍 .........................................................................................................34 4.3.1煤层地质力学模型分析................................................................................34 4.3.2掘进巷道的塑性破坏及应力分析................................................................35 V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4.3.3距 回 采 工 作 面 10m巷道的塑性破坏及 分析..............................................37 4.3.4距回采工作面0m巷道的塑性破坏及分析................................................40 4.4本 章 小 结 ................................................................................................................42 第五章层 状顶板巷道冒顶机理与控制方法....................................................................43 5.1层状 顶板巷道冒顶机理....................................................................................... 43 5.2层状顶板巷道冒顶影响因素分析........................................................................44 5.2.1塑 性 影 响 区 范 围 ......................................................................................... 45 5.2.2顶板岩层结构的影响................................................................................. 45 5.3层状顶板巷道冒顶控制方法................................................................................45 5.4 本章小结 ............................................................................................................... 46 第六章回采巷道顶板支护技术及现场工程实践............................................................49 6.1. 巷道顶板控制原 理 49 6.2. 接长锚. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 杆 50 6.3. 现场工程实践 51 6.4试 验 结 果 分 析 ........................................................................................................53 第 七 章 结 论 与 展 望 ...........................................................................................................55 7.1 论文主要结论 ....................................................................................................... 55 7 .2 展 望 与 不 足 ...........................................................................................................56 参 考 文 献 .............................................................................................................................57 致 谢 ...................................................................................................................................65 攻读学位期间发表的学术论文目录..................................................................................67 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第 一 章 绪 论 1.1冋题的提出 煤炭作为我国的主要化石能源燃料，在我国的一次性能源供给中占到60以上，极 大的促进了我国的经济发展和建设，同时可靠的保障了我国的国民基本的经济生活，从 这一层面上讲煤炭具有举足轻重的战略作用和深远的意义。但是，另一方面，采煤行业 作为一种高危行业，随时都可能危及工人的生命财产安全，这就给煤炭带来了极大的负 面影响， 其中矿井顶板灾害居于各类灾害之首， 其死亡人数占到总死亡人数的38以上， 造成了巨大的灾害[14] 。其中的根本原因在于矿井冒顶灾害具有高度的隐蔽性、随意性 和及其危险性，人们因为无法有效的预判顶板冒顶灾害的发生，所以不能及时的采取有 效的补救措施，只能在灾害到来的时候束手待毙，极大的增加了人们对顶板灾害的恐惧 心理。此外，由于发生顶板冒顶灾害的巷道一般情况下都会出现严重的变形，比如顶底 板移近量大、锚 杆 （ 索 ）破断 、锚网坠包等等现象，并且巷道围岩变形严重而且持续处 在不稳定的状态，围岩体的变形普遍超过了支护体的承受能力，使 得 锚 杆 （ 索 ）破断、 支架毁损等现象，严重的威胁到了煤炭行业高产高效的能力，造成了极大的支护成本， 并且随着煤炭行业采深的不断加大，开采条件变得越来越复杂和多变化，开采强度也随 着机械装备制造业的发展而在不断的加强，以至于出现这类巷道的工程量越来越大，根 据不完全统计，这种大变形、高 冒 顶 风 险 的 巷 道 每 年 占 我 国 新 掘 工 程 量 的 1000kM 以上，占同期的50以上，每年因为这类巷道的支护费用高达数百亿元之多，大大增加 了煤矿行业的支出，让现在的煤矿行业更是雪上加霜。 巷道顶板冒顶从本质上来说，就是巷道开挖之后导致周边岩体的应力环境发生改 变 ，使得原岩应力重新分布并且伴随有巨大的膨胀压力和强烈的变形，使得巷道周边的 围岩体发生了一定的塑性破坏，与此同时，如果没有采取合理的支护手段，巷道便会发 生冒顶灾害。换句话说，就是巷道围岩变形破坏本质上是由围岩的塑性破坏引起的，塑 性破坏区的范围决定了巷道顶板冒顶的高度，要保持住巷道围岩的稳定，必须控制围岩 体塑性区的产生和破坏，并确保围岩塑性区不会继续发展下去。 现有支护理论认为，在岩层中开挖巷道导致原岩应力重新分布，产生了围岩塑性区 分布，其中围岩塑性区主要有圆形、椭圆形、不规则块体和自然冒落拱性等形状，这在 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 浅部小变形、断 层 （ 背斜、向斜） 等构造附近下开挖巷道所产生塑性区形状基本相吻合， 但在现实生产实际上，我们发现在一些埋藏深度大、严重的受到采动影响、或是位于构 造带附近的大变形巷道，这类巷道普遍处在非均匀应力场环境下，这类大变形巷道开挖 之后其围岩塑形区的形状具有明显的蝶形分布，巷道围岩变形也存在明显的不均匀现 象 ，完全不同于上述几种理论认识的破坏形态， 以上传统理论基本无法指导实践。 这种对巷道顶板冒顶机理认识的不彻底，也使得巷道支护设计方案的不完善，在相 当长的一段时间里，很多人认为只要不断的提高锚杆（ 索 ）的强度和初锚力，就可以将 巷道围岩的变形控制在合理的区间内，因此在困难条件下的巷道，人们通常情况下是不 断的增加锚索的数量，增粗锚索的直径，在大多数类似条件的矿，每米巷道顶板锚索的 数量从五根增加到七根，巷道顶板锚索的直径从1 5 .2 4 _增 粗 到 22mm，甚至有些矿方 采用巾28mm粗的锚索，其中，为了防止巷道顶板冒顶，将锚索的长度也在加长，在断 面 宽 为 5m的巷道中采用了 8- 10m长的锚索，尽管出现了锚索数量、直径 、长度的加强， 但是相比于巷道的原岩应力微乎其微，依然出现了大量的锚索破断的现象，巷道顶板的 冒顶灾害依然时有发生。如在甘肃省华亭县的陈家沟煤矿，该 矿 主 采 5 号煤层，埋深 552m左右，煤层顶板多为炭质泥岩，底板为砂岩，顶板稳定性比较差，当回采巷道在 受到原岩应力和二次采动应力叠加影响的时候，巷道周边围岩变形剧烈，在有的地方顶 板下 沉量达 到500mm,有些地方甚至达到650mm， 单方面提高巷道周边煤岩体的支护范围 和强度，对于缓解顶板下沉的问题都不太明显，出现在巷道围岩支护强度大的地方顶板 的下沉量甚至大于巷道围岩支护强度小的地方， 出现这种差异性主要是巷道岩层空间分 布的差异性和受到动压影响的不均匀性造成的，因此，在这类巷道顶板的下沉量与围岩 的支护强度没有明显的线性关系， 单方面的增加投资和加大支护强度并不能很好的控制 巷道顶板的下沉量，反而大大加重了矿方的经济负担。 在 巷 道 锚 杆 （ 索 ）支护技术上，随着开采深度的不断增加，巷道围岩破坏越来越严 重 ，出现锚网坠包甚至局部冒顶，巷道围岩变形较大，出现顶底板移近量和两帮移近量 都是很大的现象，支护难度越来越大，同 时 巷 道 锚 杆 （ 索 ）支护技术还应该满足矿井安 全 、高产、高效的特点，这 些 都 对 锚 杆 （ 索 ）支护技术提出了很大的要求，导致巷道支 护理论与技术应用凸显出很大的理论与技术难题，主要表现为以下几个方面。1、锚杆 索 ）支护性能与围岩的大变形不能协调，导致支护效果不明显，巷道顶板冒顶事故频 发 ，巷道的支护费用在不断的攀高大大增加了矿方的经济压力；2. 因为对于巷道围岩的 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 高强度支护，造成了工期的延长，极大的影响了矿井的产能，严重的危害到了矿井的安 全 、高产、高效。 因此， 本文以陈家沟煤矿采动巷道为工程背景， 以回采巷道围岩塑性区理论为主线， 系统的研宄在巷道顶板上方围岩的塑性区分布状态， 进一步完善非均匀应力场条件下巷 道围岩塑性区的理论。同时基于巷道围岩塑性区理论，研宄特厚煤层回采巷道顶板冒顶 的机理，并且形成具有一定针对性的巷道顶板冒顶机理和与之相配套的控制技术，这对 保证这类矿井安全生产、高产、高效巨大极大的战略意义。 1 . 2国内外研究现状 针对巷道顶板破坏机理和稳定性控制，国内外学者从巷道塑性区理论、巷道围岩体 应力环境特征、巷道顶板冒顶机理和巷道围岩控制理论与技术进行了大量的研宄工作， 取得了很多有价值的成果，对于保证巷道围岩稳定和矿井安全生产、高产、高效起到了 重要的作用。 1.2.1巷道围岩塑性区理论研究现状 从根本上来说进行巷道支护设计的关键是掌握巷道围岩破坏的原理， 国内外很多专 家学者，Fenner、Kastner、于学馥、董芳庭、陆士良、侯朝炯、何满潮、马念杰等， 等对巷道围岩的变形破坏和稳定性控制问题进行许多的研宄工作， 取得了很多有价值的 成果；其中最重要的认知，认为巷道围岩变形破坏的根本原因在于巷道围岩塑性区的产 生和扩展，塑性区的范围决定了巷道围岩破坏的大小，要想保持巷道围岩的稳定，必须 控制巷道围岩塑性区的产生和不发生恶性的扩展。 1圆形塑性区经典理论 早 在 上 世 纪 50年 代 ，很多学者对于巷道围岩塑性区破坏主要基于莫尔库伦准则， 并且结合弹性和弹塑性理论分析等方法， 芬纳Fenner， 1938、 卡斯特掠Kastner， 1951 以理想弹塑性模型和岩石被破坏后体积不变为前提， 给出了圆形巷道围岩的弹塑性的应 力解和弹塑性半径的Kastner方程，并且得到了塑性区半径的R 的数值解，圆形塑性区 经典理论认为圆形巷道开挖后在受到双向等压条件下，它的塑性区形状为圆形[ M 4 ] ，这 个理论对后续更近一步研宄起到了承前启后的作用，具有非凡的意义，至今延续，对于 很多工程依然有很好的指导意义。 2围岩松动圈理论 在 20世 纪 90年代中期，根据大量的现场试验和实测资料，董芳庭教授提出了围岩 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 松动圈支护理论，该理论主要利用超声波探测仪，即声波在破裂围岩中的传播速度明显