大断面全煤巷道安全快速掘进支护技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目大断面全煤巷道安全快速掘进支护技术研究 英文题目英文题目 Research on Supporting Technology of Large Section Coal Tunnel 学位类别学位类别工程硕士 研 究 生 姓 名研 究 生 姓 名崔伟学号学号2013022392 学科学科领域领域名称名称矿业工程 指导教师指导教师袁绍国职称职称教授 协助指导教师职称协助指导教师职称 2015 年 6 月 5 日 分类号分类号TD353TD353密级密级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 独创性说明独创性说明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙 古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。 签名___________ 日期___________ 关于学位论文使用授权的说明关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即 研究生院有权保留送交学位论文在学校相关部门存档，允许论文在校内 被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。在论文 作者同意的情况下，研究生院可以转授权第三方使用查阅该论文。 保密的论文在解密后应遵循此规定保密的论文在解密后应遵循此规定 签名___________导师签名___________ 日期____________ 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘要摘要 随着我国现代化矿井不断发展，使得巷道断面尺寸不断加大，大断面巷道的 增加更增加了巷道的支护难度。尤其是在当矿井围岩条件处于松软破碎时，大断 面巷道支护问题变得更为棘手，冒顶、片帮和底鼓等问题不断地出现，使得煤矿 无法进行安全高效的生产， 大断面巷道破碎顶板围岩的支护技术的不足已成为当 前阻碍煤矿进一步向高产高效发展的屏障。 本论文以山西潞安集团潞宁矿区某煤业有限公司 5101 回风顺槽巷道支护问 题为工程背景，在对工程现场充分调研的基础上，针对此矿井生产当中所出现的 大断面巷道的支护问题，通过对于矿压，煤岩参数，顶板离层数据等的收集处理 采用FLAC3D数值模拟技术对于矿井巷道进行科学系统的分析，提出最佳的优化 方案，并结合工业实践对于支护工艺进行改良，以期达到最优的支护效果。 通过对 5101 回风顺槽现场实际观测可知，现有支护虽然基本能够实现对煤 巷的支护，但顶板离层偏大，给巷道支护和安全快速掘进带来很大的困扰，在保 证巷道整体稳定性的前提下，需要对锚索的布置方式进行调整，进而针对此问题 提出 2 种不同支护方案，通过数值模拟对比各个方案的围岩应力、围岩位移、锚 杆及锚索支护结构受力变形、围岩塑性区等变化规律，并结合现场实际情况确定 最终支护方案，试验表明锚杆、锚索、锚网的一体化承载对围岩的控制起到很好 的效果。 本文对某煤业 5101 回风顺槽支护的优化设计，改良其设计方案，不仅提高 5101 回风顺槽的掘进速度，还对于实现煤矿安全生产具有重要的现实意义。研 究大断面全煤巷道条件下巷道的变形破坏规律及其支护关键技术， 既可以对该类 大断面全煤巷道条件下巷道支护提供重要的理论与技术参考， 也对我国大断面煤 巷技术的发展产生实际的应用价值。 关键词大断面；破碎围岩；全煤巷道；破坏机理；数值模拟 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract With the continuous development of modern mine, making the size of the roadway more larger, the increasing of a large section of roadway adds to the difficulty of supporting roadway. Especially when the mine is in soft broken rock conditions, the large cross section roadway problem becomes more difficult and roof falling, slabbing and bottom drums and other issues continue to emerge, making the coal mine production can not be safe and efficient, a large section roadway broken roof rock of insufficient supporting technology has been barriers currently impeding stepping further to the high productionandefficiency coalminedevelopment. In this paper, viewing a Shanxi Luan Coal Mining Group Co., Ltd. Luning 5101 return air trough roadway problem as engineering background, on the basis of full investigation on the project site for the production of this mine occurring among a large section of roadway support issues, FLAC3D numerical simulation technology for mine roadway scientific analysis system is proposed to optimize the best solutions, combining industry practice by the underground pressure, coal and rock parameters, roof separation of data collection and processing and other uses for the support technology making improvementsinordertoachieveoptimum supportingeffect. We can know the actual observations of 5101 return air trough the site that although the existing support enable to support coal roadway, roof separation is too large to bring a great deal of distress on roadway support and safety quick driving. Under the premise to ensure the overall stability of the roadway, we need to adjust the anchor arrangement, then put forward two different support for this issue. The final support scheme can be determined by contrasting various programs of variations on surrounding rock displacement, surrounding rock stress, anchor and anchor supporting structure deation, plastic zones,etc. by using numerical simulation, combined with the actual situation. Tests show anchor, anchor cable and anchor network integration of rock bearing controlplay verygood results. By optimizing the design of a coal 5101 return air roadway, and improving its design, not only improves the driving speed of 5101 return air trough, but also has great significance on the realization of coal mine safety production. Research of big section coal 内蒙古科技大学硕士学位论文 III roadway conditions under the law of deation and failure of key technologies and roadway support, both can provide important theoretical and technical reference for the class in big section coal roadway under the roadway conditions, but also produce practical valueonthedevelopment oflargesection roadway technologyin ourcountry. KeywordsKeywords Large cross section; Broken surrounding rock; Failure mechanism;; Whole Coal Roadway simulation 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 目录目录 摘要........................................................................................................................ I Abstract..........................................................................................................................II 1 绪论............................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义......................................................................................1 1.1.1 论文研究的背景....................................................................................1 1.1.2 论文研究的目的与意义........................................................................1 1.2 国内外研究现状..............................................................................................2 1.2.1 巷道支护技术发展历史与现状............................................................2 1.2.2 巷道围岩控制理论研究概况................................................................4 1.3 论文研究的主要内容与技术路线..................................................................4 1.3.1 本文研究内容........................................................................................4 1.3.2 本文研究技术路线................................................................................5 2 工业试验矿井概况....................................................................................................6 2.1 矿井概况...........................................................................................................6 2.2 5101 回风顺槽地质概况..................................................................................6 2.2.1 矿井地面相对位置及邻近采区开采情况............................................6 2.3 煤岩力学参数测试...........................................................................................7 2.3.1 煤岩体地质力学概念.............................................................................7 2.3.2 测试内容.................................................................................................7 2.3.3 围岩钻孔结构观察.................................................................................8 2.3.3 地应力测量...........................................................................................10 2.3.4 巷道围岩强度测试...............................................................................11 2.3.55101 回风顺槽各岩层材料参数.......................................................13 2.4 本章小结.........................................................................................................13 3 锚杆支护机理研究及原方案支护效果分析..........................................................15 3.1 巷道围岩变形破坏特征................................................................................15 3.2 预应力锚杆的作用机理研究.........................................................................17 3.2.1 及时提供围岩表面支护抗力,控制围岩有害变形的发展.................17 3.2.2 加固围岩提高岩体整体性..................................................................18 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 3.2.3 改善围岩体的变形性能......................................................................20 3.3 树脂锚杆及其配套构件的合理选择............................................................21 3.3.1 锚杆杆体的选择..................................................................................22 3.3.2 锚杆树脂锚固剂..................................................................................23 3.3.3 锚杆托盘及螺母..................................................................................24 3.3.4 锚杆支护“三径”合理匹配..............................................................25 3.3.5 锚固形式和预紧力的合理选择..........................................................26 3.3.6 护表构件的合理选择..........................................................................28 3.3.7 锚索补强参数的合理选择..................................................................28 3.4 原支护方案效果的研究.................................................................................31 3.4.1 原支护方案及稳定性分析...................................................................31 3.4.2 原方案数值模拟分析...........................................................................35 3.5 小结................................................................................................................40 4 支护方案的优化及效果分析...................................................................................42 4.1 方案的设计....................................................................................................42 4.1.1 设计方案一...........................................................................................42 4.1.2 设计方案二...........................................................................................43 4.2 优化方案的数值模拟及效果分析.................................................................44 4.2.1 方案一的模拟结果及分析...................................................................44 4.2.2 方案二的模拟结果及分析...................................................................45 4.3 不同支护方案对比分析.................................................................................48 4.4 小结.................................................................................................................49 5 掘进施工工艺优化..................................................................................................50 5.1 5101 回风巷掘进工艺....................................................................................50 5.1.1 综掘工艺流程......................................................................................50 5.1.2 巷道支护工艺......................................................................................51 5.2 5101 掘进施工工艺优化................................................................................52 5.2.1 多工序交叉平行作业..........................................................................52 5.2.2 支护工艺优化......................................................................................53 5.2.3 作业循环方式......................................................................................55 5.3 小结................................................................................................................55 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 6 结论..........................................................................................................................56 参考文献......................................................................................................................57 在学研究成果..............................................................................................................61 致谢......................................................................................................................62 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 选题背景及研究意义选题背景及研究意义 1.1.1 论文研究的背景论文研究的背景 我国煤炭资源较为丰富， 随着国家的经济建设，煤炭资源的消耗量和生产量在 全国一次能源中的比例占 70左右， 煤炭工业对我国国民经济发展的发展做出了不 可磨灭的贡献。由于我国现行能源的基本特征是煤炭储量多，油气储量少，所以煤炭 工业的地位在当下的能源产业结构中很长一段时间不会改变 [1]。 在矿井中， 根据巷道所处位置的地质条件进行对于井下巷道进行支护设计， 寻求 最佳的支护方案， 通常情况下由于巷道埋在结构相对比较复杂的岩层之下， 各种不利 的自然条件使得巷道围岩条件不尽相同， 尤其是大断面全煤巷道极易出现顶板松散易 碎、巷道邻近风氧化带等恶劣地质条件，这些不利的因素导致巷道围岩强度被削弱易 破碎、顶板围岩松动范围大，顶板出现严重下沉，如果完全依赖工程类比法不能完全 有效的控制顶板围岩保持稳定，巷道支护比较困难，极易出现顶板大面积垮落，造成 安全事故， 且影响生产进度。大断面全煤巷道条件下的巷道围岩控制问题已经对煤矿 巷道的安全生产与使用造成了很大的困扰。 针对大断面全煤巷道， 如何运用正确的设计支护参数和形式， 如何运用已有的知 识对现有问题进行分析和处理对于大断面全煤巷道安全快速掘进起着决定性的影响， 同时这也是国内外的专家学者一直在努力进行研究探索的方向。 1.1.2 论文研究的目的与意义论文研究的目的与意义 针对大断面煤巷安全快速掘进技术的发展，目前还存在着如下困扰着我们的难 题。 难题 1跨度大易形成顶板中部拉应力和端部剪应力集中，顶板易破坏冒顶；难 题 2掘进工作量随着巷道断面的加大不断增加，生产工艺由此变得复杂，从而影响 掘进速度；难题 3岩层结构复杂，煤层多含夹矸，易发生顶板离层，锚固体的锚固 力得不到保证；难题 4由于巷道支护困难的增加，使得材料的用量加大，难以实现 安全和经济的平衡 [2]。 本文选题结合当前我国煤炭开采的实际需要， 对大断面全煤巷道条件下巷道围岩 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 控制展开研究。本文以某煤业矿井 5101 回风顺槽为研究对象探索大断面全煤巷道安 全快速掘进更优支护方案的设计，此矿井 5101 回风顺槽处于 5煤层当中，埋藏深， 地质条件复杂，顶板含有软弱夹层，巷道断面大，通过对 5101 回风顺槽各项监测数 据的分析可知， 目前所使用的支护方式基本能够实现对煤巷的支护， 但顶板离层偏大， 给巷道支护和安全快速掘进带来很大的困扰，降低了巷道掘进效率。 所以结合现场数 据的观测结果和现行支护手段， 需要对锚索的布置方式进行调整， 以达到较好的支护 强度。 通过对某煤业 5101 回风顺槽支护的优化设计，改良其设计方案，不仅提高 5101 回风顺槽的掘进速度， 还对于实现煤矿安全生产具有重要的现实意义。 研究大断面全 煤巷道条件下巷道的变形破坏规律及其支护关键技术， 既可以对该类大断面全煤巷道 条件下巷道支护提供重要的理论与技术参考， 也对我国大断面煤巷技术的发展产生实 际的应用价值。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 巷道支护技术发展历史与现状巷道支护技术发展历史与现状 在矿井中进行掘进作业时， 为了保证巷道围岩的稳定， 从而使得巷道掘进效率提 升，我们通常在巷道掘进后对于巷道进行支护，巷道支护材料的使用成本，支护速度 和支护工艺的复杂程度都对于煤矿企业的经济效益和安全生产起着至关重要的作用。 锚杆支护被应用于我国煤矿的时间要从 1956 年算起,至今已经经历了将近 60 年 的发展变革， 机械锚固锚杆支护形式和钢丝绳砂浆锚杆支护形式是我国最早采用的锚 杆支护技术形式;开发和试验树脂锚杆始于 1974 年,两年后在我国一些支护条件较差 的矿井进行了试验,通过试验效果的分析，试验效果较好，从而为我国进一步发展锚 杆支护铺平了道路 [3];我国研究人员根据我国生产力的国情和实际需要为切入点，在 借鉴国外技术经验的基础上又开发研制了快硬水泥锚杆，此类锚杆具有价格低廉， 产 生技术简单等优点;时间进入上世纪 90 年代，高强度树脂锚杆由澳大利亚引入我国, 我国科学工作者依据国内煤矿井下地质条件进行了进一步的技术研发和性能的提升 [4]。 在上世纪 90 年代初,煤矿矿井对于锚杆的使用率还较低， 这主要由于我国的经济 基础条件较差，制造业不发达，煤矿安全意识不到位有关，棚式支护成为当时煤矿支 护的主要形式。随着煤矿矿井安全事故的频发,国内矿井逐渐重视了锚杆技术在煤矿 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 当中的使用，煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行科技研发和性能提升,经过业界各 专家的一致努力，锚杆支护有了很大的提高 ,科研成果在国内众多矿区中试验应用。 使得矿井中原本困扰生产的围岩支护问题基本上得到了有效的解决。时间到了 1995 年时,在全国重点煤矿企业当年新开挖的巷道中,锚杆支护的使用已基本上取代了之 前的落后的支护形式。不过煤矿当中的复杂地质条件，诸如顶板破碎、软弱岩层等, 锚杆支护的安全性和经济性以及适应性等都还没有得到十分确切的结果,锚杆支护技 术的发展和提升仍有很长的路要走。在“九五”期间,煤巷锚杆支护技术得到了进一 步的重视,体现出国家对于煤矿安全技术发展表现出的主动性和煤矿安全隐患的紧迫 性，国内专家学者从而对锚杆支护技术进行了更为深入的探索和研究。尤其是 19901997 年我国把澳大利亚的锚杆支护技术引进之后,国内专家学者在借鉴国外同 类技术的基础之上， 结合国内实际生产状况和地质条件， 对于锚杆支护技术进行了进 一步的研发 [5]。随着国家对于煤矿安全的进一步的重视以及国内外专家的一致努力， 国内煤巷锚杆支护技术的发展得到了很大提升。 冲击地压巷道、 全煤巷道、 破碎顶板、 复合顶板等困难条件下锚杆与锚索联合支护技术进一步得到了实际应用,同时取得了 令人满意的经济效益和支护效果。截止到目前, 锚杆支护技术的使用比重已经达到 70左右,一些国有大型煤矿的矿区甚至已经基本实现了巷道锚杆支护技术的全覆盖 局面。随着锚杆支护技术的不断发展和大面积的使用推广,在解决了国内煤矿巷道中 大量的复杂条件或者是支护条件较差的煤巷支护难题的同时,也获得了巨大的生产效 益和经济效益双丰收的效果。 锚杆支护技术在国外发展较为迅速, 尤其是澳大利亚的锚杆支护技术的发展， 现 已形成了自己独特的支护结构体系， 树脂锚固组合被澳大利亚作为围岩巷道的支护的 主要支护形式,这种支护方式的特点是材料消耗较小，施工难度较小， 工艺较为简单， 适用范围广，支护效果好，由于其国内的重视程度较高，使得这一技术得到了很好的 推广， 现在澳大利亚的支护技术水平已经达到了国际领先的地步。 澳大利亚结合其本 国内巷道断面较大的特点， 开发和研制了适应大断面巷道的支护技术。 对于复杂的支 护条件和地质情况， 澳大利亚的研究人员开发了控制围岩的强烈变形的锚索注浆技术 对其进行补强加固。美国是最先重视高预应力锚杆支护技术的发达国家,美国科研人 员通过对高水平地应力煤矿巷道的实际观测数据分析整理， 分析了高水平地应力对巷 道顶板所产生的离层影响及剪切破坏影响,基于大量实验数据的收及整理和分析之 后，科研人员总结提出了采用预应力支架对于巷道顶板进行控制的强化支护措施。 科 研工作者对水平地应力也进行了大量的研究， 发现水平地应力对巷道稳定性产生影响 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 的原因,科研工作者认为引起巷道顶板离层产生跨落的主要原因是由水平地应力所造 成的， 根据这一分析的结论，使得科研工作者总结出预应力的大小直接影响了锚杆支 护在巷道支护当中的效果 [6]。 1.2.2 巷道围岩控制理论研究概况巷道围岩控制理论研究概况 组合梁理论认为在煤矿巷道当中锚杆所起到的最大作用就是将巷道的顶板岩层 当中的煤层进行锚固作用,使得这些煤层能够形成较厚的组合梁,进而提升顶板岩层抗 弯曲能力， 从而达到稳固巷道岩层的目的， 这一理论是煤矿支护当中经常所使用的理 论依据，在具体问题的分析当中会经常使用这个理论 [7]。 组合拱理论认为在煤矿巷道当中由锚杆的支护作用将煤岩层中形成的压应力圆 锥体之间相互交错,从而岩体当中会形成一个比较均匀的压缩带我们把这个均匀的压 缩带称之为压缩拱 [8]。 在岩石的压缩拱内岩石将会受到径向和切向的压力,从而处于三 向应力状态,围岩的强度因为岩石内形成了压缩拱而提高，岩体的支护能力也就提高 了，从而保证了在岩体内部进行进一步深层次挖掘的可能，保证了岩体的承载能力。 最大水平应力理论认为巷道围岩所承受的水平应力大于所承受的铅垂应力,巷道 当中顶板和底板的是否稳定主要受水平应力的大小的影响,若水平应力过大，则巷道 的顶板和底板将会出现不稳定的状态，严重时会出现顶底板垮落破碎。 两帮的稳定与 否受铅垂应力大小的影响,若铅垂应力过大，则两帮会出现不稳定的状态，严重时会 出现片帮，重要的是水平应力的方向性显得十分的明显 [9]。 1.3 论文研究的主要内容与技术路线论文研究的主要内容与技术路线 1.3.1 本文研究内容本文研究内容 本论文以某矿井 5101 回风顺槽为研究对象，在大量收集相关地质、生产资料， 并对掘进工作面进行跟踪考察的基础上， 针对此煤矿在生产过程当中所出现的问题进 行探讨 （1）分析此矿井巷道顶板围岩变形破坏特征并研究处理措施。 通过实验室岩石力 学试验方法，揭示巷道顶板围岩条件，分析巷道顶板围岩变形破坏特征。探讨此煤业 5101 回风顺槽工作面大断面煤巷快速掘进复杂地理环境。 （2）结合之前分析的矿井问题，通过 FLAC3D对矿井现状模拟、结合相关原理， 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 优化巷道锚杆支护参数并合理的运用巷道锚杆支护信息动态设计法。 借助数值模拟的 手段，验证所建立力学模型的可靠性，反映支护系统对围岩的控制程度，将虚拟仿真 技术与理论结合起