中厚煤层膏体巷旁充填沿空留巷技术研究与应用.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 中厚煤层膏体巷旁充填沿空留巷中厚煤层膏体巷旁充填沿空留巷 技术研究与应用技术研究与应用 王王 飞飞 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 采矿采矿工程工程 指导教师姓名指导教师姓名 郭郭 忠忠 平平 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 中厚煤层膏体巷旁充填沿空留巷技术研究中厚煤层膏体巷旁充填沿空留巷技术研究 与应用与应用 作者姓名作者姓名 王王 飞飞 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 郭郭 忠忠 平平 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 2017 年年 4 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 ON GOB-SIDE ENTRY RETAINING TECHNOLOGY WITH PASTE RAODSIDE PACKING IN MEDIUM THICK COAL SEAM A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wang Fei Supervisor Professor Guo Zhongping College of Mining and Safety Engineering June 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，本人愿意承若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。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 学学位论文审查认定书位论文审查认定书 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 本文系统采用理论分析、实验室试验、数值模拟和实地监测等多种探究方 式，在煤层厚度为中厚的基础上探索了沿空留巷膏体巷旁充填技术，论文获得 如下成果 （1）根据矿山压力与岩层控制相关理论，分析了沿空留巷围岩变化规律， 根据“充填体顶板煤体”计算模型，分析了留巷支护阻力公式，得出要增 强围岩的自承载能力，求解了巷旁支护强度，研究了充填体的可缩性，得出可 以通过改变充填材料的力学特性来改变充填体变形量。 （2）在实验室探究的基础上，配制出了膏体巷旁充填材料，其特点是成本 低、增阻快、硬度大、可缩性好，现场应用效果良好。 （3）应用 FLAC3D数值软件研究了沿空留巷岩层变化以及应力、应变变化 规律，得出巷旁充填体合理宽度为 2m，在这个基础上提出协同支护体的理念， 同时采用数值模拟研究了协同支护体的应用效果，得出协同支护体能够更好的 控制巷道围岩变形和有效保护充填体。 （4）依据滨湖煤矿 16105 工作面地质条件，完成了充填工艺、充填装备的 选择以及实施方法，同时完成了工作面支护参数的选择，制定了工作面矿压监 测的内容、方法，并通过现场矿压监测对留巷效果进行了检验，留巷效果良好。 关键词关键词中厚煤层；沿空留巷；膏体巷旁充填；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II Abstract In this paper it studied the gob paste packing technology through theoretical analysis, laboratory test, numerical simulation and field monitoring and other research s and on the basis of the thick coal seam thickness, the results obtained are as follows 1 According to the theory of mine pressure and strata control, this paper analyzes the variation law of the strata in the gob side entry retaining wall, and according to the calculation model of the top coal body of the filling body, the ula of the support resistance is analyzed, it is concluded that the carrying capacity of surrounding rock is to enhance, the strength of the side of the lane is solved,the yielding of filling body is studied, it is concluded that the filling body deation is influenced by the mechanical properties of filling material. 2 On the basis of the research in the laboratory, the paper puts forward the paste filling material, which is characterized by low cost, rapid increase resistance, high hardness, good shrinkage, and good application effect. 3 The changes and stress and strain rules of gob strata is researched by using FLAC3D simulation software, to get the ideal width of roadside backfill 2m, this paper put forward the concept of collaborative support system, and studied the effect of support of the collaborative application by numerical simulation, it is concluded that collaborative support 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III system is better at controlling the deation of roadway surrounding rock and protect the filling body effectively. 4 According to the geological conditions of Binhu coal mine 16105 working face, the filling process, the selection of filling equipment and the specific implementation of are completed ,meanwhile ,complete the selection of the support parameter of working face, developed the content, and layout of station of the mine pressure observation.， and the effect was tested by the in-situ rock pressure observation. Keywords Medium thick coal seam; Gob side entry retaining; Paste filling; Numerical simulation 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 课题的提出及研究意义 ........................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................... 2 1.3 课题主要研究内容及技术路线 ............................................................................ 5 2 沿空留巷覆岩活动规律研究及力学模型构建沿空留巷覆岩活动规律研究及力学模型构建 .................................. 7 2.1沿空留巷运动规律 ................................................................................................. 7 2.2 沿空留巷围岩力学模型及充填体宽度计算 ...................................................... 10 2.3 沿空留巷巷旁充填体可缩性研究 ...................................................................... 17 2.4 本章小结 .............................................................................................................. 18 3 巷旁充填材料试验研究巷旁充填材料试验研究 ..................................................................... 20 3.1 充填材料 .............................................................................................................. 20 3.2 充填体材料的配合比实验 .................................................................................. 22 3.3 巷旁充填材料力学性能 ...................................................................................... 27 3.4 本章小结 .............................................................................................................. 30 4 沿空留巷巷旁充填体参数研究沿空留巷巷旁充填体参数研究 ........................................................ 31 4.1 模拟软件介绍 ...................................................................................................... 31 4.2 中厚煤层沿空留巷巷旁充填体合理宽度模拟 .................................................. 32 4.3 巷旁充填体2m宽度下沿空留巷围岩应力变化及形变特征模拟 ..................... 39 4.4 巷旁支护体协同效应的应用效果模拟 .............................................................. 45 4.5 本章小结 .............................................................................................................. 47 5 工程实践应用工程实践应用 ..................................................................................... 49 5.1 工程概况 .............................................................................................................. 49 5.2 充填支护设计 ...................................................................................................... 50 5.3 巷旁充填工艺 ...................................................................................................... 54 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 5.4 沿空留巷矿压监测方案布置 .............................................................................. 57 5.5 矿压监测结果分析 .............................................................................................. 58 5.6 本章小结 .............................................................................................................. 60 6 主要结论及展望主要结论及展望 ................................................................................. 62 6.1 主要结论 .............................................................................................................. 62 6.2 主要创新点 .......................................................................................................... 62 6.3 展望 ...................................................................................................................... 62 参考文献参考文献 ................................................................................................. 64 致致 谢谢 ..................................................................................................... 69 攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果 ..................................................................... 70 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI Content Abstract ........................................................................................................................ I Content ...................................................................................................................... IV 1 Introduction .............................................................................................................. 1 1.1 The proposition and research significance ............................................................................. 1 1.2 Research status at home and abroad ...................................................................................... 2 1.3 Main research contents and technical route ........................................................................... 5 2 Study on overlying strata movement law and mechanical model of gob side entry retaining ............................................................................................................. 7 2.1 Movement law of gob side entry retaining ............................................................................ 7 2.2 Surrounding rock mechanics model of gob side entry retaining and the calculation of the width of gob side entry retaining ............................................................................................... 10 2.3 Study on the shrinkage of gob side entry retaining ............................................................. 17 2.4 Summary ............................................................................................................................. 18 3 Experimental study on the backfill material of roadway ................................... 20 3.1 Filling material .................................................................................................................... 20 3.2 Mix proportion experiment of filling material ..................................................................... 22 3.3 Mechanical properties of backfill materials ........................................................................ 27 3.4 Summary ............................................................................................................................. 30 4 Study on Numerical Simulation of surrounding rock in gob side entry retaining ..................................................................................................................... 31 4.1 Introduction to simulation software ..................................................................................... 31 4.2 Simulation of reasonable width of gob side entry retaining in medium thick coal seam .... 32 4.3 Simulation of stress variation and deation characteristics of surrounding rock in gob side entry retaining under 2 m width of filling body beside roadways ...................................... 39 4.4 The simulation application of driftside system synergy ...................................................... 45 4.5 Summary ............................................................................................................................. 47 5 Engineering practice application .......................................................................... 49 5.1 Engineering survey .............................................................................................................. 49 5.2 Filling support design .......................................................................................................... 50 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII 5.3 Roadway filling technology................................................................................................. 54 5.4 Layout of mine pressure observation in the roadway .......................................................... 57 5.5 Analysis of mine pressure observation ................................................................................ 58 5.6 Summary ............................................................................................................................. 60 6 Main conclusions and Prospects ........................................................................... 62 6.1 Main conclusions ................................................................................................................. 62 6.2 Main innovation ................................................................................................................... 62 6.3 Expectation .......................................................................................................................... 62 Reference ................................................................................................................... 64 Acknowledgements ................................................................................................... 69 Main achievements during the postgraduate study ............................................... 70 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 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 由于我国经济结构的调整，新能源所占的比重越来越大，同时在富煤贫油 少气的先天条件下，煤炭仍然是我国现在以及以后的主要能源，在现代化进程 不断推进的条件下，煤炭的需求趋势不断上升，在上述条件的共同作用下，在 现代化完成之前，煤炭的主要能源地位不会变化。根据国家环保政策，在国家 现代化完成以前，煤炭消耗量所占的比重将近 50[1]。 为了满足能源的需求，在我国煤矿生产规模不断扩大、厚煤层不断开采的 背景下，中厚和薄煤层亟待开采，但是在开采中厚煤层时，由于煤矿自身管理 方法和开采技术的不合理以及煤柱的留设等，这些都造成加剧了煤炭的不合理 利用，增加了煤矿企业的生产成本，使煤炭采出占比小。据相关调查数据表明 在我国煤矿生产中，区段煤柱所造成的损失竟然达到 10-30[2]。在开采技术 进步以及各界煤炭从业者的研究与实践背景下，在中厚煤层的开采以及巷道的 维护方面有了极大的进步，这得益于沿空留巷技术的应用。作为一种无煤柱护 巷技术，可以显著提升煤炭的采出率，同时还可以避免掘进任务繁重，使掘进 率大幅度降低，这些都使煤矿经济效益大幅度提高。 同时该技术还适用于高瓦斯矿井，有利于矿井瓦斯的治理，沿空