不稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷支护技术研究.pdf

分类号分类号TD353 TD353 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 不稳定覆岩下不稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷厚煤层沿空掘巷 支护技术研究支护技术研究 满建鑫满建鑫 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 樊樊 克克 恭恭 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六年二零一六年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 不稳定覆岩下不稳定覆岩下厚煤层厚煤层沿空掘巷沿空掘巷 支护技术研究支护技术研究 作者姓名作者姓名 满满 建建 鑫鑫 入学时间入学时间 20201313 年年 9 9 月月 领域名称领域名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 矿山压力与岩层控矿山压力与岩层控制制 指导教师指导教师 樊樊 克克 恭恭 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2016 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2016 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2016 年年 6 月月 万方数据 THE THICK COAL SEAM ALONG THE GOAF UNDER THE UNSTABLE OVERBURDEN SUPPORTING TECHNOLOGY RESEARCH A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Man Jianxin Supervisor Professor Fan Kegong College of Mining and Safty Engineering May 2016 万方数据 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世 所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈 交于其它任何学术机关作鉴定。交于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Engineering in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文以岱庄生建煤矿湖西矿井 31105 工作面不稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷为研究 对象，采用理论分析、数值模拟等方法，结合现场工业性试验，对不稳定覆岩下厚煤层 沿空掘巷围岩变形破坏特征及支护技术进行了深入系统的研究。 论文首先通过研究相邻 工作面采空区侧向上覆岩层运动规律及其不稳定覆岩下沿空掘巷围岩变形特征， 分析沿 空巷道围岩破坏机理，为支护参数及支护方案的选取奠定了理论基础；在分析沿空掘巷 围岩破坏机理的基础上， 通过数值模拟软件模拟分析了不稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷的 围岩应力、位移分布特征，对沿空掘巷的围岩变形破坏特征进行了研究；在此基础上分 析不稳定覆岩下沿空掘巷支护原则及围岩控制理论，并结合理论计算，对 31105 工作面 沿空掘巷主要支护参数进行优化设计； 最后确定稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷支护优化方 案，并对所选的优化支护方案进行了现场工程实践验证。通过对现场观测的数据分析， 采取支护优化方案后有效地控制巷道围岩变形，取得较好的支护效果。本文的研究结果 对进一步完善稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷围岩控制技术，保证矿井安全高效生产、控制 巷道围岩变形等具有重要参考意义。 关键词关键词不稳定覆岩；厚煤层；沿空掘巷；非均称；支护技术 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 Abstract The paper based on engineering background of 31105 conveyance entry of Huxi mine,through theoretical analysis and numerical simulation,carrying out systematic research to the deation and failure characteristics of the surrounding rock and the supporting technology of the thick coal seam under the unstable overlying rock.Firstly,the paper studies the deation characteristics of surrounding rock and the movement law of the overlying strata in the adjacent working face of the unstable rock under the condition of the surrounding rock,and analyse the failure mechanism of surrounding rock of gob-side entry.It lays a theoretical foundation for the design of effective scientific support scheme.On the basis of mechanism analysis,analyse the distribution of stress and displacement of surrounding rock under unstable overlying rock thick coal seam by numerical simulation,the deation and failure characteristics of surrounding rock of roadway driving along the gob-side entry are studied.Then according to the deation and failure characteristics of surrounding rock,under the premise of the analysis of the principle and the control theory of the surrounding rock under the condition of unstable rock strata,combining theoretical calculation,the optimization design of main support parameters was carried out in 31105 working face along gob-side entry.Finally,the optimization scheme of roadway support under unstable overburden is determined,and the field engineering practice verification is carried out for the selected optimized support scheme.By analyzing the data of field observation,the surrounding rock deation is controlled effectively by adopting the support optimization scheme and obtain good support effect.The research results of this paper are to further improve the control technology of the surrounding rock under the unstable overburden rock.It has important reference significance to ensure the safe and efficient production of coal mine and control the deation of surrounding rock of tunnel.Moreover,it also provides useful reference for similar complex for the gob-side entry and promote the development of roadway driving along gob-side entry. Keywords unstable overlying strata;thick coal seam;gob-side entry;non uni;support technology 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目目 录录 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 主要研究内容和方法 ....................................................................................................... 7 2 不稳定覆岩下厚煤层沿空巷道围岩破坏机理不稳定覆岩下厚煤层沿空巷道围岩破坏机理 9 2.1 采空区侧向上覆岩层运动规律分析 ............................................................................... 9 2.2 不稳定覆岩下厚煤层沿空巷道围岩破坏机理分析 ..................................................... 11 2.3 不稳定覆岩下厚煤层沿空巷道围岩变形特征 ............................................................. 12 2.4 本章小结 ......................................................................................................................... 13 3 不稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷围岩不稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷围岩受力及变形特征数值模拟分析受力及变形特征数值模拟分析 14 3.1 数值计算模型建立 ......................................................................................................... 14 3.2 不稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷数值模拟分析 ............................................................. 17 3.3 本章小结 ......................................................................................................................... 21 4 不稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷支护技术研究不稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷支护技术研究 22 4.1 31105 工作面下顺槽原支护方案模拟分析 ................................................................. 22 4.2 不稳定覆岩下沿空掘巷支护的原则及技术途径 ......................................................... 28 4.3 不稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷关键部位及关键问题 ................................................. 30 4.4 本章小结 ......................................................................................................................... 32 5 不稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷支护方案设计及不稳定覆岩下厚煤层沿空掘巷支护方案设计及应用效果监测应用效果监测 33 5.1 31105 工作面下顺槽支护方案设计 ............................................................................. 33 5.2 优化方案效果模拟 ......................................................................................................... 39 5.3 工程应用效果监测 ......................................................................................................... 43 5.4 本章小结 ......................................................................................................................... 45 6 主要结论主要结论 46 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 参考文献参考文献 47 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 52 致谢致谢 53 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 Introduction 1 1.1 Proposing and Research Significance of the Subject 1 1.2 Present Status of Protective Seam Mining in China and Abroad 2 1.3 Main Content, , Technique Route and innovation point 7 2 Failure mechanism of the thick coal seam surrounding rock under unstable overburden 9 2.1 Analysis on movement law of overlying strata in Goaf Brief introduction of numerical simulation 9 2.2 Analysis of failure mechanism of the thick coal seam surrounding rock under unstable overlying rock 9 2.3 Deation characteristics of the thick coal seam surrounding rock under unstable overburden 12 2.4 Brief Summary 13 3 Numerical simulation analysis of the force and deation of the thick coal seam surrounding rock under the unstable overburden 14 3.1 Numerical calculation model 14 3.2 Numerical simulation analysis of the roadway along goaf under unstable overburden 17 3.3 Brief Summary 21 4 Research on the supporting technology of the roadway under the unstable overburden rock 22 4.1 Simulation analysis of the original support scheme of the 31105 working face 22 4.2 Principle and technical way of supporting the roadway under the condition of unstable rock strata 28 4.3 Key parts and key problems of the roadway along goaf under unstable overburden 30 4.4 Brief Summary 32 5 Design and application effect monitoring of the supporting scheme of the support and protection of the goaf under the unstable rock 33 5.1 Design of support scheme for 31105 working face 33 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 5.2 Engineering application effect monitoring 39 5.3 Simulation of optimization scheme 43 5.3 Brief Summary 45 6 Main Conclusions 46 Reference 47 Main Achievements During Working on Master Dissertation 52 Acknowledgement 53 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 煤炭是我国的主要能源，是国民经济和社会发展不可缺少的物资基础。根据国务院 制订的能源中长期发展规划纲要（2004-2020） （草案） ，我国要大力调整优化能源结 构，坚持以煤炭为主体，电力为中心，油气和新能源全面发展的战略[1-3]。鉴于我国“多 煤、贫油、少气（天然气） ”的特点，在今后一段相当长的时间内，能源结构仍然以煤炭 为主。煤炭在我国能源结构上占主要地位，有举足轻重的作用，因此，实现煤炭资源的 安全高效开采，对经济发展非常重要。 为提高煤炭资源采出率，自 20 世纪 50 年代开始，专家学者进行了以沿空留巷和沿 空掘巷为主的试验研究[4,5]。沿空留巷承受两次动压影响，支护难度较大。沿空掘巷是在 相邻工作面回采结束，采空区上覆岩层活动终止，因回采引起的上覆岩层应力分布趋于 稳定后，沿采空区边缘留窄煤柱（一般为 36m）掘巷[6-8]。沿空掘巷处于采空区侧向支 承压力降低区，巷道处在稳定的应力环境下，有利于巷道围岩控制。沿空巷道服务期间 仅受一次采动影响，支承压力影响时间短，容易维护，应用范围广泛。 随着沿空掘巷技术应用逐渐增多，国内外学者对沿空巷道做了大量的研究，但是此 类研究都建立在一个基础条件之上，即沿空巷道掘进时间均是在相邻采空区上覆岩层稳 定或基本稳定之后。然而随着煤矿开采强度的不断加大，许多矿井都出现了生产接替问 题，一些煤矿在相邻工作面采空区上覆岩层未充分稳定的情况下就开始沿采空区留窄煤 柱掘巷。这种方法一定程度上缓解了工作面的接替紧张关系。但是，因相邻工作面开采 后，采空区上覆岩层结构未充分稳定，沿空掘巷围岩支护面临较大问题。 岱庄生建煤矿湖西矿井 31104 工作面于 2014 年 1 月底回采结束，接替生产的 31105 工作面为 31104 工作面相邻工作面，其下顺槽与 31104 工作面采空区之间留设 5m 窄煤 柱。31105 工作面下顺槽设计长度 1161m，承担