沿空留巷适应性预测及巷道支护技术研究.pdf

分类号 TD745 密 级 公 开 分类号 TD745 密 级 公 开 U D C 单位代码 10424 U D C 单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 沿空留巷适应性预测及沿空留巷适应性预测及 巷道支护技术研究巷道支护技术研究 武继胜武继胜 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名石石 永永 奎奎 职职 称称教教 授授 副指导教师副指导教师郝郝 建建 职职 称称讲讲 师师 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二〇一七年五月 二〇一七年五月 论文题目论文题目 沿空留巷适应性预测及巷道支护技术研究沿空留巷适应性预测及巷道支护技术研究 作者姓名作者姓名 武武 继继 胜胜 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 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 石石 永永 奎奎 职职 称称 教教 授授 副指导教师郝副指导教师郝 建建 职职 称称 讲讲 师师 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 日日 授予学位日期授予学位日期 THE PREDICTION OF GOB-SIDE ENTRY RETAINING ADAPTABILITY AND SUPPOT TECHNOLOGY A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wu Jisheng Supervisor Professor Shi Yongkui College of Mining and Safety Engineering May 2017 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 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。 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 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 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。 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。 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 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，同意将本论文作为申请学位论文。 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。 导师签名导师签名 日日 期期 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 针对我国在沿空留巷技术适应性预测研究较少的问题， 本文采用数据分析、 数值模拟、工程实证等方法分别建立基于贝叶斯分类器和决策树分类器的沿空 留巷适应性程度预测模型，并对模型进行准确性验证。 本文利用建立的沿空留巷适应性程度预测模型，对金达煤矿 16616 工作面 实行沿空留巷技术的可行性进行了预测，并对 16616 工作面材料道进行了巷道 支护设计。 论文对在煤层开采中实行沿空留巷技术的可行性具有理论指导意义，可供 国内外其他矿井借鉴。本文的主要研究内容为 （1）确定了影响沿空留巷适应性程度的五个影响因素；煤层倾角、回采巷 道埋深、开采煤层厚度、直接顶岩性及直接顶影响系数。 （2） 分别建立了基于贝叶斯分类器和决策树分类器的沿空留巷适应性程度 预测模型，并对模型进行了准确性验证。通过验证，两种模型都满足本文的要 求，其中利用贝叶斯分类器建立的模型预测准确率高于利用决策树分类器建立 的预测模型； （3）利用建立的预测模型进行预测，并在该技术可行的前提下对 16616 材 料道进行巷道支护设计，并用 Flac3d 进行巷道稳定性的数值模拟。 关键词关键词沿空留巷；适应性预测；贝叶斯；决策树；巷道支护 山东科技大学硕士学位论文 摘要 Abstract Based on the Bayesian classifier and decision tree classifier, the adaptability of gob-side entry retaining laneway is studied by data analysis, numerical simulation and engineering demonstration. Forecasting model and verifying the accuracy of the model. In this paper, the prediction model of the adaptability degree of gob - side entry is used to predict the feasibility of the technology of gob - side entry retaining in 16616 working face of Jinda Mine, and the support of the roadway of 16616 working face is designed. The paper is of theoretical significance to implement the technology of gob-side entry retaining in coal mining, which can be used for reference by other mines at home and abroad. The main contents of this paper are as follows 1 Five influencing factors affecting the adaptability of gob-side entry are determined; inclination of coal seam, depth of entry roadway, thickness of coal seam, direct top rock and direct top influence coefficient. 2 The prediction model of the adaptability degree of gob-side entry retaining wall based on Bayesian classifier and decision tree classifier is established respectively, and the model is validated. Both of these models meet the requirements of this paper. Bayesian classifier is used to build the prediction model with higher accuracy than the decision tree model. 3 With the prediction model established, the roadway support design of 16616 material road is carried out under the premise of this technology feasible, and the stability of roadway is simulated by Flac3d Keywords gob-side entry retaining; adaptive forecasting; bayesian theory; decision tree; roadway support 山东科技大学硕士学位论文 目录 目 录 目 录 摘要摘要 .......................................................................................................... Ⅰ 目录目录 .......................................................................................................... Ⅲ 1 绪论绪论 ......................................................................................................... 1 1.1 研究目的和意义 ................................................. 1 1.2 沿空留巷研究现状 ............................................... 2 1.3 研究内容和技术路线 ............................................. 3 2 相关理论知识相关理论知识 ......................................................................................... 5 2.1 沿空留巷适应性分析 ............................................. 5 2.2 贝叶斯分类器理论 ............................................... 7 2.3 决策树分类器理论 ............................................... 9 2.4 本章小结 ...................................................... 10 3 沿空留巷适应性程度预测模型的建立沿空留巷适应性程度预测模型的建立 .............................................. 11 3.1 样本数据处理 .................................................. 11 3.2 预测模型的建立及影响向因素分析 ................................ 17 3.3 基于贝叶斯分类器的沿空留巷适应性预测模型 ...................... 19 3.4 基于决策树分类器的沿空留巷适应性预测模型 ...................... 22 3.5 本章小结 ...................................................... 24 4 沿空留巷适应性程度预测与分析沿空留巷适应性程度预测与分析 ..................................................... 25 4.1 利用贝叶斯理论预测与分析 ...................................... 25 4.2 利用决策树理论预测与分析 ...................................... 29 4.3 本章小结 ...................................................... 32 5 16616 工作面沿空留巷适应性预测与支护设计研究工作面沿空留巷适应性预测与支护设计研究 ....................... 33 5.1 工作面概况 .................................................... 33 5.2 沿空留巷适应性程度预测分析 .................................... 34 5.3 沿空留巷巷旁支护阻力计算 ...................................... 35 5.4 巷旁支护材料的实验研制 ........................................ 40 山东科技大学硕士学位论文 目录 5.5 16616 材料道沿空留巷围岩稳定性数值模拟 ........................ 44 5.6 巷内支护参数设计 .............................................. 51 5.7 本章小结 ...................................................... 55 6 结论与展望结论与展望 .......................................................................................... 56 6.1 论文结论 ...................................................... 56 6.2 展望 .......................................................... 56 参考文献参考文献 .................................................................................................. 57 致致 谢谢 ........................................................................................................ 61 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 .......................................................................... 62 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Purpose and significance of study .............................................................................................. 1 1.2 Research status of gob-side entry retaining ................................................................................ 2 1.3 Research contents and technical route ........................................................................................ 3 2 Theoretical knowledge .............................................................................................. 5 2.1 Adaptability analysis of gob-side entry retaining ..................................................................... 5 2.2 Bayesian theory .......................................................................................................................... 7 2.3 Decision tree theory .................................................................................................................... 9 2.4 Summary of this chapter ........................................................................................................... 10 3 The prediction model of gob-side entry retaining adaptability ....................... 11 3.1 Treatment of sample data .......................................................................................................... 11 3.2 Model and analysis of influencing factors ................................................................................ 17 3.3 The prediction model of gob-side entry retaining based on navie bayes classifier .................. 19 3.4 The prediction model of gob-side entry retaining based on decision tree theory ..................... 22 3.5 Summary of this chapter ........................................................................................................... 24 4 The prediction and analysis of gob-side entry retaining adaptability ............ 25 4.1 Prediction and analysis based on navie bayes classifier ......................................................... 25 4.2 Prediction and analysis based on decision tree theory .............................................................. 29 4.3 Summary of this chapter ........................................................................................................... 32 5 The prediction of 16616 working face’s gob-side entry retaining adaptability and support design ..................................................................................................... 33 5.1 Working face survey ................................................................................................................. 33 5.2 Summary of this chapter ........................................................................................................... 34 5.3 Calculation of support resistance .............................................................................................. 35 5.4 The development of roadside support experimental material ................................................... 40 5.5 Numerical simulation of 16616 roadway’s gob-side entry retaining adaptability ................. 44 5.6 Parameter design of support in mine gateway .......................................................................... 51 5.7 Summary of this chapter ........................................................................................................... 55 山东科技大学硕士学位论文 目录 6 Conclusions and Outlook .................................................................... 56 6.1 Conclusions .............................................................................................................................. 56 6.2 Outlook ..................................................................................................................................... 56 Reference .................................................................................................................... 57 Acknowledge ............................................................................................................... 61 Scientific research achievements obtained during the study for a masters ........ 62 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论 绪论 1.1 研究目的和意义 研究目的和意义 我国是一个“富煤、少油、贫气”的国家，煤炭资源在我国的一次能源结 构中占据主导地位。随着近年来科学技术的进步，由于石油及新能源等其它能 源利用技术的突破，我国的能源结构才发生了一定程度的改变，但煤炭资源的 主导地位并未发生变动。国家能源发展战略行动计划（2014-2020 年） [1]明 确提出要优化能源结构，发展低碳清洁能源被列为能源结构改革的主要目标， 但仍提出到 2020 年，煤炭消费在能源消费中所占比重控制在 62以内，该比重 仍占据资源消费总量一半以上，同时国家煤炭能源需要保证 85左右的自给能 力。因此，煤炭仍将长期作为我国的主导能源，在保证煤炭资源安全、绿色、 高效开采的同时确保煤炭资源的充足供给量是保证我国经济快速平稳发展的重 要前提。 煤炭资源的合理利用与经济发展息息相关，我国虽然是一个富煤国家，但 是煤炭资源是非再生资源，因此怎样提高煤炭回收率和利用率，减少煤炭资源 损失是当前煤炭行业发展的重大问题， 其中沿空留巷技术在这方面有显著优势， 其优势为（1） 提高煤炭资源回收率， 延长矿井服务年限[2-4]； 2少掘一条巷道， 降低矿井掘进率，缓解采掘接替紧张[5-6]；3消除煤柱护巷时煤柱上、下方应力 集中对开采的不利影响；4提供瓦斯治理通道和场所，抽采顶底板卸压瓦斯 和采空区富集瓦斯，预抽邻近层瓦斯等。 到目前为止，我国已经在沿空留巷技术的研究上投入了大量精力，在工作 条件较优异的薄及中厚煤层采煤工作面的沿空留巷技术已经日趋完善，巷旁支 护、巷内支护、加强支护及煤帮加固技术已趋成熟，但在沿空留巷技术的适应 性预测方面研究则比较稀少。随着科学技术的发展，我国在沿空留巷适应性预 测方面也引入了模糊综合评判等理论技术，新技术比旧有技术考虑的影响因素 更加全面， 同时可以将定性因素转化为定量因素， 使获得的结果更加准确可靠。 因此，本文决定采用贝叶斯分类器及决策树分类器等非线性科学的方法和 理论知识，建立煤矿沿空留巷适应性程度预测模型，计划进一步提高预测准确 度，为矿井安全生产提高保障。同时，针对金达煤矿 16616 工作面现采煤层 16 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 煤， 进行回采巷道沿空留巷的适应性预测， 判断能否实现沿空留巷技术的应用， 解决煤矿在生产中遇到的现实难题，提高煤炭采出率，防止产生孤岛工作面。 在确定沿空留巷技术可行的前提下，然后对 16616 材料道进行支护设计。 1.2 沿空留巷研究现状 沿空留巷研究现状 1.2.1 国外研究现状 国外研究现状 英国、德国等国家对沿空留巷技术研究较早，它们对通过理论与实践研究 对围岩活动的规律、矿压规律、巷内支护等方面进行了详细描述。 英国科学家[5]敢于突破旧有的思维模式，通过对岩体结构静力学的分析与 研究，在旧有的 Wilson 模型上加以改进，最后建立了分离岩块力学模型，该模 型至今仍有一定的实用价值。 前苏联科学家[7]通过分析采场矿压悬梁模型，结合实践研究，最终推算出 沿空留巷切断直接顶的支护阻力公式。 20 世纪 50 年代， 前苏联就开始在国内的 一些薄及中厚煤层的煤矿中试验沿空留巷技术，到 1993 年，俄罗斯国内沿空留 巷技术已经大范围使用，所占比重约为 50[8]。 德国在煤矿技术方面一直是国际领先水平，该国的沿空留巷技术也取得了 很大的成绩。德国使用充填体进行巷旁充填，此法获的使用减少了掘巷，提高