溪山矿业有限公司4-2煤层下分层回采巷道布置及支护方式研究.pdf

分类号分类号 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 溪山矿业有限公司溪山矿业有限公司4-2煤层下分层回采巷道煤层下分层回采巷道 布置及支护方式研究布置及支护方式研究 孙孙 牧牧 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士 领域领域名名称称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名 温温 兴兴 林林 职职 称称 副副 教教 授授 副副指导教师姓名指导教师姓名宋先明宋先明 职职 称称 研究员研究员 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一七二零一七年年十十月月 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 论文题目论文题目 溪山矿业有限公司溪山矿业有限公司 4 4 - -2 2 煤层下分层回采巷道布置煤层下分层回采巷道布置 及支护方式研究及支护方式研究 作者姓名作者姓名孙孙 牧牧 入学时间入学时间 2015 年年 4 月月 领域名称领域名称矿业工程矿业工程 研究方向研究方向采煤方法与工艺采煤方法与工艺 指导教师指导教师温温 兴兴 林林 职职 称称 副副 教教 授授 副指导教师副指导教师宋宋 先先 明明 职职 称称 研研 究究 员员 论文提交日期论文提交日期2017 年年 10 月月 论文论文答辩日期答辩日期2017 年年 11 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 Created by free version of DocuFreezer XISHAN MINING CO., LTD. 4-2 COAL LAYERED EXTRACTION ROADWAY LAYOUT AND SUPPORT RESEARCH A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Sun mu Supervisor Associate Professor Wen Xinglin College of Natural Resources and Environmental Engineering Oct 2017 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 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的文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。除文中已经标明引用的内献外，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。本人完全意识到本声明的法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。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 Created by free version of DocuFreezer 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，同意本人所撰写的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。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定机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数据库发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；允许学校档案馆和图书馆保表，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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学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的学位论文作为资料在位论文；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、浏览。档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、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） 硕士生硕士生签名签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 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，完成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，论文中的观了课程学习，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规定，同意将本论点、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。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 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 摘 要 摘摘 要要 目前，根据矿井煤层厚度的划分，我国许多矿井已进入分层开采行列，且全国近 51的中厚煤层的开采实行分层开采技术。在中厚煤层实行分层开采时，下分层巷道掘 进过程中与上分层巷道经常发生贯通现象，这就使得巷道的布置方式，工作面的回采工 艺的选择变得十分重要。根据巷道围岩应力的变化及时调整巷道的支护，解决分层煤层 开采条件下的回采巷道围岩支护问题，对于分层开采的矿井而言具有重大意义。 溪山矿业有限公司（下称溪山煤矿）位于内蒙古侏罗纪煤田蒙西北矿区大海则井田 的东北角。井田东西长约 4.0km，南北宽约 4.5km，面积 11.2297km2。矿井设计工业储 量 119.88Mt，可采储量 69.62Mt。矿井设计生产能力 1.50Mt/a，服务年限 35.7a。 溪山煤矿井田范围内赋存 3-1、4-2 上、4-2 煤层等 3 个可采煤层，目前正在开采平均 厚度 8.09m 的 4 -2煤层。井田范围内 4-2煤层划分为 4 个盘区，目前一盘区为生产盘区， 该盘区采用长壁分层布置方式，综采开采，已经开采了 4101 工作面一分层，正在接续 开采 4102 工作面一分层。 本文通过井下现场考察及资料查阅，以 4 -2煤层现有的采煤方法、地质条件为基础， 采用理论分析和 FLAC3D数值模拟方法，就 4 -2 煤层工作面回采顺序、上分层区段煤柱 的合理尺寸、下分层回采巷道的布置方式和巷道支护方案进行了探讨，经现场实测，能 起到良好的工程效果。 关键词关键词煤炭开采，矿山压力，顶板组成，覆岩运动，支架阻力 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 摘 要 Abstract At present, according to the thickness of the coal seam, many mines in our country have entered the ranks of layered mining, and the mining technology of the nearly 51 of the thick coal seam in the whole country. When layered mining is carried out in medium and thick coal seam, the connect phenomenon often occurs in the tunneling process of the lower layered tunnel, which makes the layout of the roadway, and the selection of the mining technology of the working face become very important. According to the change of surrounding rock stress in the roadway to adjust the support of roadway in time, to solve the problem of mining roadway surrounding rock support under the condition of layered coal seam mining, it is of great significance for the mine of layered mining. Xishan mining co., ltd hereinafter referred to as Xishan coal mine is located in the northwest of inner Mongolia Jurassic coalfield, northwest of Mongolia mining area, the northeast corner of the minefield. The coal mine field is about 4.0 km long, with a north-south width of about 4.5 km and an area of 11.2297 km2. Mine design industrial reserve119.88mt, recoverable reserves 69.62mt. Mine design production capacity of 1.50/a, service life of 35.7. Xishan coal mine has 3-1, 4-2 upper and 4-2 coal seams in the range, and the 4-2 coal seam with an average thickness of 8.09m is being mined. The 4-2 coal seam in the range of the mine field is divided into 4 plates. at present, a plate area is a production plate area. in this area, the long wall lamination arrangement , fully mechanized mining, has been exploited to a layer of the 4101 working face, and the 4102 working face is continuously layered. In this paper, through the site investigation and data access, with the existing mining s and geological conditions of 4-2 coal seam, using theoretical analysis and FLAC3D numerical simulation , the 4-2 coal face mining sequence, the reasonable size of the upper slicing section coal pillar, the layout of the lower layer mining roadway and roadway supporting scheme were discussed, through the field measurement,can play a good engineering effect. Key words coal mining, mine pressure, roof composition, cover rock movement, support resistance 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 目 录 目目 录录 摘摘 要要 .................................................................................................................. 1 1 绪绪 论论 .............................................................................................................. 1 1.1 问题的提出 ........................................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................................ 2 1.3 主要存在问题 .................................................................................................................... 7 1.4 研究内容及技术路线 ........................................................................................................ 9 2 工程概况工程概况 ........................................................................................................ 11 2.1 矿井位置及交通 .............................................................................................................. 11 2.2 井田地层及构造 .............................................................................................................. 11 2.3 可采煤层 .......................................................................................................................... 12 2.4 工作面回采巷道布置及回采工艺 .................................................................................. 16 3 采煤工作面回采顺序设计及巷道布置方式选择采煤工作面回采顺序设计及巷道布置方式选择 ........................................ 24 3.1 采煤工作面的回采顺序 .................................................................................................. 24 3.2 下分层回采巷道的布置方式 .......................................................................................... 25 3.3 本章小结 .......................................................................................................................... 30 4 区段煤柱合理尺寸确定区段煤柱合理尺寸确定 ................................................................................ 31 4.1 回采巷道外错布置时上分层煤柱留设尺寸分析 .......................................................... 31 4.2 下分层外错布置时回采巷道位置的选择原则 .............................................................. 32 4.3 数值模拟分析 .................................................................................................................. 33 4.4 本章小结 .......................................................................................................................... 41 5 回采巷道支护方案设计回采巷道支护方案设计 ................................................................................ 43 5.1 上分层回采巷道锚网支护方案优化设计 ...................................................................... 43 5.2 下分层回采巷道锚网支护方案设计 .............................................................................. 45 5.3 巷道矿压监测 .................................................................................................................. 48 5.4 巷道支护中的几个重要技术问题 .................................................................................. 50 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 目 录 5.5 本章小结 .......................................................................................................................... 52 6 结论与建议结论与建议 .................................................................................................... 53 6.1 结论 .................................................................................................................................. 53 6.2 建议 .................................................................................................................................. 54 致致 谢谢 .................................................................................................................. 55 参考文献参考文献 .............................................................................................................. 56 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 目 录 Contents 1 Introduction 1 1.1 Submission of questions 1 1.2 Status of domestic and foreign research2 1.3 There are major problems 7 1.4 The contents and s of the study 9 2 Engineering general situation11 2.1 Mine location and traffic11 2.2 Minefield stratigraphy and structure11 2.3 Recoverable coal seam12 2.4 Working face mining roadway layout and mining technology 16 ３３ Mining sequence design of coal mining face24 3.1 Mining sequence of coal face24 3.2 Arrangement mode of the layered mining gateway25 3.3 Brief summery 30 4 Reasonable size of section coal pillar31 4.1 Dimensional analysis of mining roadway31 4.2 Selection principle of the lower layer32 4.3 Numerical simulation analysis33 4.4 Brief summery 41 5 Design of supporting scheme of gateway43 5.1 Optimization design of anchor net support scheme of layered mining gateway43 5.2 Design of anchor net support scheme of layered mining gateway under45 5.3 Roadway pressure monitoring48 5.4 Important technical problems in roadway support50 5.5 Brief summery 52 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 目 录 6 Conclusions and expectation 53 6.1 Main summarizing of studying works 53 6.2 Expectation 54 Thanks.55 References.56 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 绪 论 1 1 绪绪 论论 1.11.1 问题的提出问题的提出 如今我国煤炭产量丰富且占世界首位， 在一次性能源开发和利用方面煤炭占主导地 位，是一个煤炭生产和消费大国；据有关部门统计预测，在未来几十年内，煤炭消费依 旧为主要能源格局。然而，我国统计在册的煤矿数量之多确实是惊人的，大、中、小型 煤矿遍及各个省份，年产量在 3 万 t 以下的矿井不计其数，前段时间，仅被国家煤矿安 全监察局停产整顿的矿井就有 6033 个；煤矿多为井工开采，安全生产技术装备差，对 自然灾害的预防和控制能力不强，作业过程中违章现象屡禁不止，所以煤矿安全生产形 势十严峻，重特大事故频发，引起了国家对煤矿安全生产工作的重视，“安全第一、预 防为主”的安全生产方针和“企业负责、地方监管、国家监察”的管理原则依旧要坚持。 从源头上解决问题，抓现场、抓管理、抓职工的素质教育，由过去的“人防”逐步向“技 防”转变，提高矿井的抗灾避险能力。然而，赋存条件比较好的煤层随开采活动的不断 进行而迅速减少，致使大部分矿井面临开采条件复杂、地质构造不利等问题；同时，随 着采深的加深，受地温、地压等因素影响，在围岩变形、巷道支护等方面遇到了许多新 的课题，尤其是回采巷道是煤炭生产系统的咽喉，随工作面推采、老塘顶板的垮落及受 地质构造等影响， 矿山压力显现明显， 支护管理困难。 同时， 随矿井机械化程度的提高、 大型设备的不断应用、工作面单产能力的提高，回采巷道断面不断加大，支护管理难度 增加，在安全稳定性方面要求更强。 随着煤炭资源的减少，煤炭生产逐步转为深部开采。随着开采规模的不断扩大，煤 矿的深井开采问题尤为重要， 现已成为世界上许多采煤国家面临且需要及时解决的重要 问题。如我国的新汶的孙村矿、华丰矿，开滦的赵各庄矿、唐山矿、马家沟矿、林西矿 等煤矿[1]也纷纷进入深井开采的状态。 影响煤矿正常安全生产的重要因素之一是围岩控制。但现如今，深井的岩石力学性 质随采深的增加而发生了一系列变化，如矿压、巷道维护、冲击地压、开采条件、通风、 生产技术、瓦斯涌出量、地温、提升和勘探、经济效益等都面临巨大挑战。其中岩层压 力等深井巷道支护问题为主要问题，而深井回采巷道锚杆支护技术为重中之重，是我国 煤炭行业的重要研究问题之一[2]。 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 绪 论 2 深井煤层巷道围岩岩层控制技术的深入研究方面，目前所知的文献资料比较匮乏。 调查显示，我国东部地区，浅层煤矿数量逐渐变少，且大部分均以进入不稳定复杂地区 煤层的深部开采，地质条件、开采技术、巷道及采场顶板支护的难度随之加大，而安全 系数较低，安全技术管理困难，经济效益较低。 改变围岩力学的特性需要锚杆支护， 好的支护效果能够带来相对较高的技术经济效 益。由此可见，先进的支护理论、支护方法和合理的支护参数的选择成为长期以来国内 外专家研究的重要研究方向[3]，在煤矿的安全生产方面具有重大意义。 锚杆支护有加固、悬吊、合成梁和挤压连接体等作用，使用锚杆做支护不仅能改变 岩体的受力状态、增加岩石稳定度，而且可以使被支护岩体由荷载变为承载体。锚杆支 护的优点还有用料省、经济效益高、利用率高、支护及时、劳动强度小、适应性好等。 据调查，美国、澳大利亚、英国、法国的煤矿巷道采用锚杆支护的比例相当高，而我国 的煤矿锚杆支护在煤巷中仅占 20左右[4]。影响锚杆支护发展的因素主要是冒顶事故， 冒顶事故的发生特点是具有规模大、突发性、危害大等。 锚杆支护巷道顶板离层界限值的研究较为匮乏， 尤其是在解释和应用顶板离层仪所 显示的离层值和顶板处于非稳定状态需要加强支护的具体数值等方面较为匮乏。 如果离 层界限值太小，会增加加强支护的费用，甚至导致人们的心理作用发生转变，导致事故 发生概率变大。若顶板离层界限值设定很大，会造成更为严重的后果。 因此，对回采巷道锚杆支护形式的研究，采取围岩变形观测、回采巷道矿山压力数 据采集、数值模拟等手段，若对锚杆的支护效果进行综合分析，从经济和安全角度进行 对比，进行合理方案，有利于提高煤矿安全生产可靠性。通过改善巷道支护技术与支护 质量，用来减少顶板事故、支护费用和巷道维修等工作带来积极的影响和显著的经济效 益。 1.21.2 国内外现状研究国内外现状研究 1.2.1 采场矿山压力理论的发展现状采场矿山压力理论的发展现状 （1）早期矿山压力理论 采场矿山压力研究始于 19 世纪后期，在 19 世纪后期到 20 世纪初很多学者开始探 讨矿压现象的力学原理，F.许普鲁特提出的“压力拱假说”为这一时期比较具有代表性 的成果，该假说认为，在巷道的上方能够形成自然平衡的拱型结构。这种观点主要内容 万方数据 Created by free version of DocuFreezer 山东科技大学工程硕士学位论文 绪 论 3 是支架承受上覆岩层的范围有限；煤壁上和老塘矸石上将形成较大的支撑压力，其来 源是控顶上方的岩层重量[3-6]。20 世纪 30 年代至 50 年代，矿压研究主要是建立在连续 介质力学的基础上的，后来又考虑了材料的非均质性和各项异性等影响因素[6]。 （2）近现代矿山压力理论 近现代的矿山压力理论主要特点是以梁的理论为重点。关于梁的假说有很多种，其 中比较有代表性的有双支梁理论、悬臂梁理论、砌体梁理论、传递岩梁理论等多种假说 和理论[7-11]。 1867 年德国学者舒里兹，首先提出悬臂梁理论，后经多为学者的发展丰富，悬臂 梁理论逐渐成熟。悬臂梁假说的理论基础是将地下岩体看成是一种层状的连续弹性介 质，将工作面和采空区上方的顶板看做是梁，一端固定于岩体内，一端处于悬伸状态。 铰接岩块学说主要内容为工作面上覆岩层的破坏有两种，分别为不规则垮落带和 规则移动带。需控的顶板有冒落带和其上的铰接岩梁组成。铰接岩块在水平推力的作用 下，构成一个平衡结构。它解释了拱假说所能解释的矿压现象和采场周期来压现象，是 以后矿压理论发展的重要基础。 “砌体梁”理论[2][12]的发展比较全面，清楚的力学模型使其自成体系，该理论在国 内外影响巨大，在开采层上方有坚硬顶板时，采场上覆岩层有可能形成砌体梁平衡，运 用该理论可以对许多矿山压力现象给出较为合适的解释。 宋振骐院士[10]根据现场实测资料提出的传递岩梁理论。 在采场逐步向前推进的过程 中，该岩梁在相对稳定阶段以及进入显著运动阶段，都能够在工作面逐步推进的方向上 保持传递力的有效联系，