大埋深厚煤层柔模混凝土沿空留巷技术应用研究.pdf

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安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。 学位论文作者签名日期 论文题目大埋深厚煤层柔模混凝土沿空留巷技术应用研究 工程领域建筑与土木工程 硕 士 生邸惠龙（签名） 指导老师王晓利（签名） 奚家米（签名） 摘要 煤矿开采不断向深部拓展，地应力、构造应力急剧增加，巷道及工作面围岩地质环 境恶化，煤层中瓦斯含量大且赋存异常，回采工作面瓦斯超限问题严重威胁着煤矿的安 全生产。沿空留巷能消除煤柱护巷时煤柱下方应力集中对巷道支护的不利影响，使巷道 长期处于应力降低区；实现回采工作面 Y 型通风，有利于解决瓦斯超限问题；还能实现 无煤柱安全开采，提高煤炭资源回收率，降低矿井掘进率等。因此，沿空留巷现今已经 成为了我国煤炭开采技术的发展趋势。 本文采用理论研究、数值模拟和现场工业试验相结合的方法，系统研究了大埋深厚 煤层回采空间应力分布规律、沿空留巷采空区顶板活动规律、巷旁充填体支护设计等多 个沿空留巷关键性问题。 应用 FLAC 数值计算软件详细分析了大埋深条件下沿空留巷围 岩的应力分布情况，特别是在不同宽度条件下巷旁充填体的应力情况进行了对比分析， 得出了薛湖煤矿大埋深厚煤层条件下巷旁充填体的合理宽度。 柔模混凝土沿空留巷技术在河南神火集团薛湖煤矿 2307 工作面进行了成功应用， 实现了将柔模泵注混凝土技术成功应用于 820 米埋深、高地压、高瓦斯的厚煤层沿空留 巷中。所留巷道断面保持在 10m2以上，满足了生产、运输和设计要求。制定了沿空留 巷监测方案，对沿空留巷进行全过程动态监测，掌握所留巷道的矿压显现规律，为优化 沿空留巷设计提供科学依据，保证留巷效果。它开创了在大埋深厚煤层中高效快速沿空 留巷的创新工程。 关 键 词大埋深；柔模混凝土；巷内支护；沿空留巷；巷旁充填体 研究类型应用研究 SubjectApplicationResearchontheFlexibleworkof Pumped-concret Support in Gob-side Entry Retaining in Deep Thick Coal Seam Specialty Architecture and Civil Engineering NameDI Hui-longSignature InstructorWANG Xiao-liSignature XI Jia-miSignature ABSTRACT The coal mining is going to large buried depth of coal resources development, in-situ stress and tectonic stress having increased dramatically, roadway and working face surrounding rock geological environmental degradation. At the same time, it is high of abnormal occurrence coal seam gas content, and working face gas overrun problem seriously threaten the safe production of coal mine. The gob-side entry retaining can eliminate adverse effect of under roadway protection coal pillar stress concentration for roadway support, make roadway be in reducing chronic stress area; realize the working face of Y type ventilation, which is beneficial to solving the problem of gas overrun; realize no security coal pillar mining to improving the recovery rate of coal resources and reducing mine drivage rate and so on. So nowadays the gob-side entry retaining has become the development trend of coal mining technology in China. This paper combines theoretical research, numerical simulation and on-site industrial test, system study the large buried deep coal seam mining spatial stress distribution law, the gob-side entry retaining goaf roof for motion law, gob-side filling wall supporting design and so on for multiple the gob-side entry retaining key issues. FLAC numerical software are analyzed detailly under the condition of large buried depth for the surrounding rock stress distribution, especially analyzed filling wall stress distribution under the condition of gob-side filling wall different width, it is concluded that The Xue Hu Coal Mines the reasonable width of gob-side filling wall under the condition of large buried depth thick coal seam. The gob-side entry retaining of Flexible work Concrete has been successfully applied in Xue Hu Coal Mine 2307 working face, which realize the support technology of Flexible work Concrete has successfully having been applied in the 820 meters of buried depth thick coal seam, high pressure, high gas the gob-side entry retaining. The gob-side entry retaining stay above 10m2, satisfying the requirements of production, transportation and design. Established the plan of the mine pressure monitoring, for the whole process of dynamic pressure along the gob-side entry retaining, master the mine pressure appear law of roadway, which will provide a scientific basis for optimizing the design for the gob-side entry retaining and ensure the gob-side entry retaining.This started efficient fast innovation project of the gob-side entry retaining under large buried deep thick coal seam. KeywordsLarge Buried Depth;Flexible work Concrete;Inside Support;Gob-side Entry Retaining;Gateside Pack ThesisApplication Research 目录 I 目 录 1 绪论1 1.1 研究背景和研究意义1 1.2 沿空留巷国内外研究现状2 1.2.1 国内沿空留巷研究和发展现状2 1.2.2 国外沿空留巷研究现状及德国沿空留巷技术简述4 1.2.3 沿空留巷常见的巷旁支护方式及其特点6 1.2.4 沿空留巷存在的问题8 1.3 研究内容和技术路线8 2 大埋深沿空留巷顶板活动规律及应力分布10 2.1 大埋深巷道围岩稳定性分析10 2.2 沿空留巷围岩应力分布及顶板活动规律11 2.2.1 回采空间应力分布规律11 2.2.2 沿空留巷顶板活动规律14 2.2.3 沿空留巷采空区顶板垮落规律16 2.3 本章小结17 3 柔模混凝土沿空留巷支护技术18 3.1 柔模混凝土沿空留巷技术的发展和应用现状18 3.2 柔性模板19 3.2.1 柔模布的性能19 3.2.2 柔性模板的形状和结构20 3.3 柔模混凝土20 3.3.1 柔模混凝土的原料20 3.3.2 柔模混凝土混合比21 3.3.3 柔模混凝土各龄期强度21 3.4 柔模混凝土沿空留巷的工艺流程和施工设备21 3.5 柔模混凝土沿空留巷巷旁充填体24 3.5.1 柔模混凝土巷旁充填体的作用24 3.5.2 柔模混凝土巷旁充填体工作状态分析26 3.5.3 柔模混凝土巷旁充填体支护荷载的计算27 3.5.4 柔模混凝土巷旁充填体力学分析30 3.6 柔模混凝土沿空留巷巷内补强34 目录 II 3.7 本章小结36 4 薛湖煤矿柔模混凝土沿空留巷数值模拟38 4.1FLAC 的简介及求解流程 38 4.2 建立数值模拟模型39 4.2.1 工作面概况39 4.2.2 建立数值模拟模型40 4.3 数值模拟计算分析41 4.3.1 巷道开挖后的数值模拟计算分析41 4.3.2 回采影响下的数值模拟计算分析42 4.3.3 沿空留巷的数值模拟计算分析44 4.3.4 沿空留巷中不同宽度充填体的应力分布45 4.4 本章小结50 5 柔模混凝土沿空留巷支护技术工程应用51 5.1 工程条件51 5.2.巷道原支护52 5.3 巷道补强52 5.4 留巷临时加强支护54 5.5 待浇筑空间支护54 5.6 巷旁支护设计55 5.6.1“分离岩块法”的巷旁支护设计55 5.6.2 数值模拟优化巷旁充填体宽度56 5.7 施工中遇到的问题及解决方案57 5.7.1 底板比较软弱问题及解决方案57 5.7.2 设备故障及解决方案58 5.8 沿空留巷监测58 5.8.1 监测项目59 5.8.2 监测站的布置59 5.8.3 监测方法59 5.8.4 监测结果分析62 5.9 本章小结66 6 结论及展望67 6.1 研究结论67 6.2 研究展望68 致谢69 目录 III 参考文献69 附表73 1 绪论 1 1 绪论 沿空留巷技术是在预保留巷道与采空区之间， 采用某种巷旁支护形式保留原有回采 巷道，留给下一个回采工作面使用，回收了传统采矿方式中留设的护巷煤柱，最大程度 回收资源，避免了煤体损失的一种无煤柱开采技术。 1.1 研究背景和研究意义 我国煤炭资源蕴藏量大且产量高，约占世界煤炭产量的37。在如今发展形势下， 煤炭是我国社会发展的基础能源，同时又是主体能源。在能源中长期发展规划纲要 （2004～2020年） 中明确指出[1]，我国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新 能源全面发展的能源战略”。中国工程院在国家能源发展战略2030～2050中预测[2]， 到2050年，我国每年的煤炭需求量将高达38亿吨甚至更高，煤炭需求量占国家能源总需 求量的50。在今后相当长的时期内，煤炭仍然是我国社会发展的主体能源。 我国煤炭资源蕴藏总量约为5.57万亿吨，其中埋深在1000米以下的煤炭资源达到 2.95万亿吨之多，占煤炭资源总量的53。由于浅层煤炭矿区的煤炭资源逐渐枯竭，煤 炭开采不断向深部延伸， 向大埋深煤炭资源拓展。 在大埋深条件下， 岩体处于复杂的“三 高”（高地应力、高温度、高渗透压）环境中，应力急剧增加，岩体表现出软岩性质， 非常容易变形，表现出一定的延性；巷道围岩应力影响范围扩大，破碎区、裂隙区和塑 性区不断向深部发展，以致于巷道围岩在掘进期间发生十分严重的变形甚至是破坏， 在 采动影响期间变形更为严重，并且在应力稳定期仍然快速流变，这导致巷道事故发生几 率增加；工作面回采时，矿压显现异常，支承压力的应力增高系数倍增，巷道在支承压 力作用下，两帮和顶底板的相对移近加剧，而两帮和顶底板移近又互相作用于彼此， 使 得巷道围岩变形更加严重，这种相互作用使巷道维护非常困难，经常返修，这也是深部 巷道与浅部巷道支护以及维修的不同之处。 我国煤矿开采深度逐年增加，随之瓦斯涌出量也越来越大，特别是在大埋深、高瓦 斯、煤与瓦斯突出煤层中开采时，U型通风方式下，回采工作面上隅角瓦斯超限问题频 频出现，制约了矿区生产能力。虽然瓦斯抽放和瓦斯抽采措施可以在一定程度上减轻上 隅角瓦斯积聚，但是大量采空区涌出的瓦斯还是会积聚在上隅角，也就是说，这些措施 没有从根本上解决工作面上隅角瓦斯超限问题。随着回采工作面的不断推进，瓦斯涌出 量迅速增加，工作面上隅角瓦斯积聚恶化了生产环境，直接危及到工作面作业人员的生 命安全，限制了采煤设备生产能力，导致生产效率降低，因此，工作面上隅角瓦斯超限 问题已经成为急需解决的影响矿井安全高效生产的难题。Y型通风能从根本上解决解决 这一难题，而沿空留巷为实现Y型通风创造了有力的外部条件。 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 沿空留巷技术是煤矿开采技术的一个重大突破， 以一种相对比较简便、 可靠、 安全、 经济的方式实现无煤柱开采，且有效地解决了许多困扰煤矿健康发展的难题。沿空留巷 技术可以实现Y型通风治理工作面瓦斯超限难题最有效的途径，改变和优化了传统 通风方式， 有利于煤矿安全生产， 改善矿井生产环境； 还可以实现煤炭资源的科学开发， 回收了余煤、边角煤和护巷煤柱，提高了煤炭资源采出率和回收率，防止了采空区因余 煤而引发的井下火灾；同时还可以减少巷道掘进量，增加了工作面单巷掘进速率，缓解 了采掘接替紧张，使煤炭生产集中化连续化，进而消除了孤岛工作面。 进入深部开采后，开采条件变得非常复杂，出于对安全、经济和发展的考虑，开展 大埋深条件下沿空留巷技术研究很有必要。在大埋深厚煤层条件下，一般的沿空留巷巷 旁支护技术很难留巷成功， 由西安科技大学王晓利教授领导的团队研发成功的柔模混凝 土沿空留巷技术，它有效解决了深部矿井沿空留巷开采的这一问题，并且在薛湖煤矿等 十几个矿井应用试验成功，为在我国深井推广沿空留巷技术，提高矿井的技术、经济和 社会效益， 实现深部无煤柱开采， 保证煤炭行业科学发展等提供了一个可靠的技术前提。 薛湖煤矿是典型的煤与瓦斯双突矿井，该矿井二2煤层煤质软且透气性差、煤层瓦 斯含量高且埋深大、煤尘有爆炸危险、煤层顶底板条件差、地质条件复杂多变等导致二 2煤开采难度大。煤与瓦斯双突，巷道掘进十分迟缓，导致采掘接续紧张；瓦斯含量高， 回采时经常发生工作面上隅角瓦斯超限，难以保证矿井生产的安全环境；护巷大煤柱降 低了煤炭资源回收率，可采煤炭储量损失严重。以上问题制约了薛湖煤矿的安全生产和 健康发展，可以采用无煤柱开采技术中比较成熟的沿空留巷技术，从根本上解决上述难 题，实现矿井的科学发展。 1.2 沿空留巷国内外研究现状 1.2.1 国内沿空留巷研究和发展现状 20 世纪 50 年代，我国一部分煤矿开始试用沿空留巷技术，并取得不错的技术和经 济效益，从此沿空留巷技术已经成为了我国煤炭开采技术发展的重要方向。到了 70 年 代，人们意识到，要想留巷成功巷旁支护必须是高强支护体，所以开始使用人造砌块砌 垛和密集金属支柱作为巷旁支护，并在中厚煤层中成功应用。到了 80 年代，在一些有 代表性的重点矿区，我国进行了巷旁充填沿空留巷技术的工业试验，并取得不错的技术 效果，开始渐渐认识到沿空留巷巷旁充填体既是限制变形体，又是适应变形体。到了 90 年代，经过十几年的工业试验研究，研究出了符合我国煤矿施工条件和地质条件的充填 设备和充填材料。期间涌出了许多不错的充填设备、充填材料和充填思路，其中西安科 技大学所研制的充填设备和充填材料在性能上已经超过国外水平， 此项沿空留巷巷旁充 填体支护技术具有一套与此相配套的施工设备、充填材料、施工技术以及施工工艺， 解 1 绪论 3 决了沿空留巷技术推广应用的关键问题。 到目前为止，我国学者在沿空留巷理论与支护技术方面已经做了大量的研究工作， 取得不少建树。 孙恒虎教授等[5]根据煤体上覆岩层分层特征，将沿空留巷上覆岩层简化为“叠加层 板”，认为巷旁支护体载荷只与短边支承边界载荷有关。 安徽理工大学涂敏博士[6]运用 Winker 弹性地基理论， 把沿空留巷上方顶板看成弹性 薄板条，建立了顶板运动力学模型，导出了顶板挠曲运动方程，分析了顶板内应力分布 的特征。 漆泰岳教授等[7]在工程实践实测的基础上，应用相关理论，分析了不同地质条件下 沿空留巷巷旁支护体的支护强度和可缩性， 提出了保持沿空留巷稳定的巷旁支护体支护 强度与变形的计算理论，详尽研究了沿空留巷巷旁支护体的适应性。 华心祝教授[8,9]在考虑沿空留巷围岩承载作用和巷旁锚索加强作用的前提下， 建立了 沿空留巷力学模型，分析了巷旁锚索加强支护和巷内锚杆支护的作用原理。 中国矿业大学陆士良教授[10]认为沿空留巷顶板下沉量主要取决于裂隙带岩层达到 平衡前的强烈降沉，研究了沿空留巷顶板下沉及其影响因素。 中国矿业大学张东升教授[11]应用多种研究手段， 分析了沿空留巷老顶的破断线位置 与破断形状以及不同支护方式对破断线的影响， 并确定了巷旁充填技术的相关参数及要 求。 湘潭矿院王卫军教授[12]在老顶以“给定变形”运动的前提下，分析了沿空留巷围岩的 变形机理，建立了有顶煤巷道的力学模型，分析探讨了巷道顶煤下沉量与巷旁支护体、 煤体弹性模量、巷道宽度的关系。 袁亮院士[13]在研究沿空留巷上部围岩大结构、 小结构变化规律的基础上， 提出了“三 位一体”的留巷围岩控制技术，研发并成功应用机了新型充填材料及充填系统，拓展了 低透气性煤层群无煤柱煤气共采的理论，创新了无煤柱煤气共采的关键技术。 康红普研究员[14]在沿空留巷数值模拟和井下试验的基础上， 指出了深井沿空留巷在 顶板破断位置、基本顶回转等方面与浅部沿空留巷的不同之处，进而提出了深井沿空留 巷支护设计原则。 我国的沿空留巷技术理论研究一般可分为四个阶段 第一阶段从 20 世纪 50 年代到 60 年代，是沿空留巷现场试验实测阶段，根据现场试验实测数据的图表，从宏观上描述 了特定地质条件下沿空留巷矿压显现规律，所得结论有一定局限性，没有抓住沿空留巷 根本性的问题。第二阶段从 60 年代到 80 年代，沿空留巷的研究进入新阶段沿空留 巷矿压显现规律及矿压机理研究的初期阶段。 将采场矿压显现规律引进沿空留巷矿压显 现研究中，再结合工程实践实测结果可知，巷旁支护体在沿空留巷围岩活动过程中不仅 要提供一定的支护阻力，而且还得具有一定的可缩