回撤通道围岩变形破坏机理及其控制技术研究.pdf

万方数据 Mechanism of Surrounding Rock Deation and Failure and Control Research in Retracement Roadway Dissertation ted to Xi’an University of Science and Technology In Partial Fulfillment of the Requirement For the Degree of Doctor of Engineering By WangBonan School ofArchitecture and Civil Engineering Dissertation Directed by Professor Gu Shuancheng June，，2017 万方数据 万方数据 万方数据 矿压控制措施的基础上对原支护方案进行优化，实现了工作面与回撤通道的无来压贯 通，确保了该工作面的安全、快速回撤。 关 键 词综采工作面；回撤通道；围岩变形；应力分布；矿压控制；支护设计 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 face through when the main roof at different fracture positions, and deduced the vertical stress calculation ula of coal pillars with single retracement roadway and double retracement roadway. Through the field stress measurement data and theoretical ula for feedback analysis, determined the main roof fracture position of the face through the retracement roadway of each coal seam in Shennan mining area and provided the basis for the control of the retracement roadway surrounding rock. 4 On the basis of the study on the mechanism of deation and failure of the surrounding rock and the evolution of stress of the retracement roadway, discussed the layout of retracement roadway from the point of view of ground pressure control and proposed the of calculating the width of protective coal pillars in double retracement roadway, analyzed mining height control, yield mining and forced roof caving and studied the influence of mining height on the roof structure and the main roof fracture position, yield mining position and the applicable conditions for forced roof caving. On this basis determined the technical measures of ground pressure control in etracement roadway. 5 Analyzed the mechanism of the support and cable in retracement roadway and proposed the support parameter design . Achievements all above were applied in retracement roadway support design of the 15206 working face in Hong liulin Coal Mine. The original support scheme was optimized on the basis of taking ground pressure control measures and achieved the face and retracement roadway through without pressure which ensuring the face’s safe and fast removing. Key words Fully-mechanized Face； Retracement roadway； Surrounding rock deation Stress distribution；Ground pressure control；Support design ThesisApplication Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 选题背景与研究意义..................................................................................................1 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................2 1.2.1 综采工作面回撤技术发展现状.......................................................................2 1.2.2 巷道围岩变形破坏机理研究现状...................................................................4 1.2.3 巷道围岩控制理论与技术研究现状...............................................................5 1.2.4 回撤通道围岩支护技术研究现状...................................................................7 1.2.5 存在问题...........................................................................................................9 1.3 研究内容与技术路线................................................................................................10 1.3.1 研究内容.........................................................................................................10 1.3.2 技术路线.........................................................................................................11 2 回撤通道围岩变形破坏规律实测研究...............................................................................12 2.1 工程背景概况............................................................................................................12 2.1.1 煤层与顶板赋存特征.....................................................................................12 2.1.2 回撤通道概况.................................................................................................12 2.1.3 监测工作面概况.............................................................................................14 2.1.4 神南矿区既有回采巷道围岩变形破坏规律.................................................14 2.2 回撤通道围岩变形破坏规律现场监测....................................................................15 2.2.1 监测内容与监测方法.....................................................................................15 2.2.2 回撤通道围岩表面变形监测.........................................................................18 2.2.3 回撤通道实体煤帮深部位移监测.................................................................22 2.2.4 回撤通道围岩变形破坏规律总结.................................................................24 2.3 本章小结....................................................................................................................26 3 回撤通道围岩变形破坏机理研究.......................................................................................27 3.1 回撤通道覆岩结构与顶板破坏形式........................................................................27 3.1.1 回撤通道覆岩结构状态.................................................................................27 3.1.2 工作面与回撤通道贯通前顶板破坏形式.....................................................29 3.1.3 工作面与回撤通道贯通后顶板破坏形式.....................................................29 3.2 回撤通道顶板下沉量计算........................................................................................31 3.2.1 老顶在工作面后方断裂时的顶板下沉量分析.............................................31 3.2.2 老顶在回撤通道上方断裂时的顶板下沉量分析.........................................32 3.2.3 老顶在实体煤上方断裂时的顶板下沉量分析.............................................35 万方数据 目 录 II 3.2.4 参数分析与实例计算.....................................................................................36 3.3 回撤通道实体煤帮部破坏机理................................................................................44 3.3.1 回撤通道实体煤帮部破坏形式.....................................................................44 3.3.2 回撤通道实体煤帮部塑性区分析.................................................................46 3.3.3 参数分析.........................................................................................................47 3.4 本章小结....................................................................................................................49 4 回撤通道围岩应力演化与分布规律研究...........................................................................50 4.1 工作面末采阶段回撤通道围岩应力演化规律........................................................50 4.1.1 现场试验.........................................................................................................50 4.1.2 数值模拟研究.................................................................................................53 4.2 顶板破坏形式对回撤通道围岩应力分布的影响分析............................................58 4.2.1 单回撤通道围岩应力理论分析.....................................................................58 4.2.2 双回撤通道围岩应力理论分析.....................................................................63 4.2.3 参数分析.........................................................................................................68 4.3 现场实测数据反馈分析............................................................................................76 4.3.1 回撤通道老顶合理断裂位置.........................................................................76 4.3.2 老顶断裂位置计算.........................................................................................76 4.4 回撤通道围岩稳定性影响因素................................................................................77 4.5 本章小结....................................................................................................................78 5 回撤通道布置方式与工作面末采阶段矿压控制技术.......................................................80 5.1 回撤通道布置方式与保护煤柱宽度优化................................................................80 5.1.1 回撤通道布置方式选择.................................................................................80 5.1.2 双回撤通道保护煤柱宽度确定.....................................................................81 5.2 工作面末采阶段矿压控制技术................................................................................82 5.2.1 采高控制.........................................................................................................82 5.2.2 停采让压.........................................................................................................84 5.2.3 强制放顶.........................................................................................................88 5.2.4 末采阶段回撤通道矿压控制措施.................................................................88 5.3 本章小结....................................................................................................................89 6 回撤通道围岩支护设计方法及应用...................................................................................90 6.1 回撤通道围岩支护技术............................................................................................90 6.1.1 回撤通道围岩支护要求.................................................................................90 6.1.2 回撤通道围岩支护形式.................................................................................90 6.1.3 回撤通道支护作用机理分析.........................................................................91 万方数据 目录 III 6.1.4 回撤通道围岩支护优化设计原则.................................................................95 6.2 回撤通道垛式支架参数设计....................................................................................96 6.3 回撤通道锚杆（索）参数设计................................................................................97 6.4 工业性试验................................................................................................................98 6.4.1 工程概况.........................................................................................................98 6.4.2 支护设计基本方法.........................................................................................99 6.4.3 支护参数计算.................................................................................................99 6.4.4 贯通前停采让压位置确定...........................................................................103 6.4.5 工业性试验效果分析...................................................................................105 6.4.6 回撤通道支护效果对比...............................................................................106 6.6 本章小结..................................................................................................................107 7 结论与展望.........................................................................................................................109 7.1 主要结论..................................................................................................................109 7.2 创新点......................................................................................................................110 7.3 展望..........................................................................................................................111 致谢.....................................................................................................................................112 参考文献.................................................................................................................................113 附录.....................................................................................................................................122 万方数据 主要符号表 I 主要符号表 B 保护煤柱宽度 B保护煤柱弹性核区宽度 B0、B1附加跨度 D 钻孔直径 E0直接顶弹性模量 Fp回撤通道帮部受到的垂直压力 H 巷道埋深 Hm垮落带高度 Hl裂隙带高度 I0直接顶截面惯性矩 La锚杆锚固长度 Lb帮部锚杆长度 Ld顶板锚杆长度 Ls锚索长度 Lsm锚索锚固长度 Lsw锚索外露长度 Lw锚杆外露长度 M 工作面采高 M0弯矩 P垛式支架和掩护式支架总工作阻力 Q1、Q2、Q3顶板岩体自重 R 塑性区范围，老顶附加荷载 S 实体煤计算宽度 S1、S2工作面掩护式支架和垛式支架宽度 T老顶岩块间挤压力 W1、W2、W3主、辅回撤通道跨度，工作面支架控顶距，应变能 W3、W4、W6应变能 c 内聚力，支架合力作用位置 d老顶断裂位置 f 摩擦系数，支架支护强度 h 回撤通道高度 hm关键块及其上覆岩层厚度 万方数据 主要符号表 II h0直接顶厚度 hb回撤通道帮部破坏范围 hd回撤通道顶板破坏范围 hf自由空间高度 k 碎涨系数，安全系数，应力集中系数，刚度系数 k软化系数 l 顶板岩梁长度 lz直接岩块长度 r0巷道半径 s 老顶岩块回转下沉量 w 回撤通道顶板挠度 侧压力系数 α老顶回转下沉角 β直接顶回转下沉角 γ0、γ1直接顶、老顶容重 φ内摩擦角 采空区岩体压缩量 m回撤通道顶板中部下沉量 c 单轴抗压强度 c 岩体残余强度 y 竖向应力 1 岩体扩容系数 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景与研究意义 近年来，我国已经成为世界上煤炭产量最大的国家，年产量几乎占世界煤炭总产的 50，已成为世界上最大的煤炭生产和消费国。综合机械化开采是我国和国外煤矿主要 采用的采煤工艺，随着近年来我国综合机械化开采技术的快速发展，出现了大批年产量 达到千万吨的大型矿井， 为适应矿井高产高效的目标， 综采设备的发展取得了很多突破。 同时，综采工作面不断向大型化发展，工作面长度不断增大，并且工作面推进长度已超 过 6km，随着采煤工艺与设备的不断发展，出现了更多的大采高和特大采高工作面[1-2]。 美国和澳大利亚等发达国家由于具有雄厚的经济实力及其得天独厚的煤层赋存条件， 其 煤矿生产企业最早采用重型采煤设备，广泛采用两柱掩护式、高工作阻力、整体顶梁、 电液控制液压支架，液压支架作为采煤过程中顶板控制的重要环节，是综采工作面中最 重要的设备之一。在我国，液压支架及其控制系统等技术的发展已达到国际先进水平， 其生产过程已经能够实现国产化[3-6]。 在矿井生产过程中，工作面的接替是必须经历的环节，综采工作面的搬家倒面是矿 井实现高产高效的重要环节， 综采面设备回撤的速度的快慢在一定程度上影响了矿井生 产效率[7]。随着矿井规模的大型化，综采工作面设备的数量也随之增加，生产效率的提 高使工作面设备的回撤频率也不断提高，综采工作面的安全、快速回撤对矿井提高煤炭 产量和经济效益具有重要意义[8]。综采工作面在进入末采阶段后，受回采产生的超前支 撑压力影响，顶板破碎和帮部片帮现象严重，围岩压力和变形量会快速增大[9]。我国大 部分中小型矿井由技术条件和煤层埋藏条件限制，辅运方式通常为轨道运输，设备的回 撤也只能采用轨道运输，并且由于设备种类的不断增多和体积、重量的增大，再加之设 备的拆卸和安装，整个工作面的回撤通常需要超过 1 个月的时间，因此综采工作面的设 备回撤是一项矿井生产过程中较为复杂和特殊的工艺， 其实施过程中出现的任何问题都 会使工作面难以实现快速、高效的搬家倒面[10-11]。 我国煤矿主要采用预掘回撤通道和无轨胶轮车运输的搬家回撤工艺， 这一工艺能够 显著提高工作面的搬家倒面速度。近来年各个矿区的实践表明，若综采工作面在末采阶 段的围岩控制和支护措施不合理，会使回撤通道顶板与帮部变形量显著增大，不仅会拖 延工作面设备回撤的时间，并且回撤实施过程中的人员和设备安全也难以保障，严重影 响了矿井的安全和高效生产。基于现阶段综采工作面回撤过程中出现的问题，本文将对 回撤通道围岩变形破坏机理进行系统的研究，在此基础上提出回撤通道的围岩控制技 术，为综采工作面的快速回撤技术提供理论依据。 万方数据 西安科技大学博士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 综采工作面回撤技术发展现状 从 20 世纪 70 年代起， 美国最早开始应用配套的搬家回撤设备和工艺进行综采工作 面设备的搬家倒面，实现了工作面设备的高效回撤和快速搬家，设备的搬家倒面时间最 短可在约一周内全部完成。根据不同矿区和工作面的回撤工程要求，近些年设备回撤技 术先后出现了单点、双点、多点等多种工艺以满足不同工作面的工程需求，这些回撤技 术已在国外各煤炭生产大国中得到了广泛应用[12-13]。90 年代起，神东矿区引进了国外先 进的回撤工艺及其配套的设备，极大的提高了工作面的搬家倒面速度，达到了安全、高 效的生产目标。根据近些年国内外回撤技术的应用状况，现有的综采工作面回撤技术有 以下 3 种无预掘回撤通道技术、预掘单回撤通道技术和预掘双回撤通道技术[1419]。 无预掘回撤通道技术是指当工作面回采至停采线时，用采煤机施工出一条回撤通 道，并利用工作面采煤空间和机电设备形成搬家回撤系统，利用工作面刮板输送机、皮 带及绞车作为运输系统，进行工作面的回撤工作。无预掘回撤通道技术具有工艺简单， 无需额外使用其他设备，降低设备损耗并节约耗材的优点，但其缺点也同样明显由于 没有专门的搬家回撤设备和系统，采煤机施工回撤通道会消耗更多时间，设备回撤周期 长，施工效率低下；采煤机施工回撤通道一般不会进行高强度支护，因此顶板和煤壁易 发生冒落和片帮，安全性较差，并且回撤通道断面狭小，工作面支架和设备调整空间受 到限制，作业管理难度交大。由于上述原因，无预掘回撤通道技术对于采高较小、支架 尺寸较小且煤层埋藏条件较好的综采工作面可以考虑使用， 但目前大部分矿井已很少采 用该回撤工艺。 回 风 顺 槽 胶 运 顺 槽 工作面 回撤通道 停采线 图 1.1 无预掘回撤通道技术 预掘单回撤通道技术是指在工作面形成初期或距离停采线较远时，沿工作面倾向 预先掘进一条回撤通道，在贯通后与工作面空间共同作为回撤空间，并通过绞车和无 轨胶轮车拖拽和运输支架。与无预掘回撤通道技术相比，预掘单通道回撤具有了较大 的回撤空间，能够显著缩短工作面的搬家倒面周期，但预掘的回撤通道在工作面末采 期间受采动影响较为强烈时，其围岩变形量会急剧增大，维护难度较大，同时单回撤 万方数据 1 绪论 3 通道只能由两端向中部回撤设备，若回撤通道两端支架撤出后顶板压力增大，易导致 中部剩余支架出现压架事故，进而影响后续的搬家回撤进度。 回撤通道 回 风 顺 槽 胶 运 顺 槽 工作面 绞车硐室 图 1.2 预掘单回撤通道技术 预掘双回撤通道技术是指在工作面停采线处沿倾向方向采掘 2 条巷道， 靠近工作面 的称为主回撤通道，靠近外侧实体煤的称为辅回撤通道，由主、辅回撤通道、联络巷及 贯通后的工作面共同形成回撤空间。 主回撤通道的主要作用是在工作面贯通后作为支架 的调向和拖拽空间，辅回撤通道则作为支架的运输通道，主、辅回撤通道之间由联络巷 连通，联络巷的间距一般在 50m 左右，主、辅回撤通道间的保护煤柱的宽度宽度一般为 20～30m。主、辅回撤通道断面形式均为矩形，断面尺寸需要满足工作面支架尺寸和无 轨胶轮车、支架搬运车的行驶。预掘双回撤通道技术实现了多点作业，工作面支架和设 备能够由联络巷直接进入辅回撤通道进行运输，极大的提高了设备的回撤速度。 主回撤通道 辅回撤通道 联 巷 回 风 顺 槽 保护煤柱 胶 运 顺 槽 工作面 图 1.3 预掘双回撤通道技术 与无预掘回撤通道相比，预掘单、双回撤通道技术有了预掘好的调向空间，无需 花费时间切割煤壁，能够在贯通后及时回撤工作面设备，因此大部分煤矿的综采工作 面一般都采用预掘单回撤通道或预掘双回撤通道的技术。我国在采用预掘回撤通道工 艺时，主要采用垛式液压支架单体支柱的方式对通道进行加强支护，当回撤通道受 采动影响围岩发生大变形或支架支护强度不足的情况，不仅会使工作面出现压架情 况，也会导致回撤通道内垛式支架压架和单体支柱损坏，不仅威胁回撤期间的人员安 全，也增加了设备和材料了损耗，影响矿井的生产效益。 万方数据 西安科技大学博士学位论文 4 1.2.2 巷道围岩变形破坏机理研究现状 （1）巷道围岩大变形力学机制研究现状 巷道围岩大变形的形成机制一般分为 3 种[20-21]一是深部开采和深部地下工程，由 于上覆岩层埋深大，导致围岩自重应力较大；二是由工作面回采引起，导致围岩应力场 的叠加； 三是岩体本身强度较低， 在低应力条件下也容易产生较大变形。 对于深埋巷道， 其围岩应力与浅埋巷道相比差异较大， 深部巷道围岩在高应力的作用下具有变形剧烈而 难以控制的特点； 受采动影响的巷道， 由于在其开挖时已对周围的围岩应力场产生扰动，