回采巷道垂直挤压型底臌机理及控制技术研究.pdf

万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 回采巷道垂直挤压型底臌机理及控制技术研究 摘 要 巷道底臌在煤矿井下是一种常见的地质现象，也是影响煤矿高效、安 全生产的关键问题之一。严重的底臌会使巷道断面大大缩小，通风受阻、 设备倾翻、行人无法通行，尤其在软岩巷道和动压巷道中，底臌现象更加 普遍，底臌程度也更加严重。 本文针对义棠煤矿560m 水平 10502 综采工作面运输巷发生的垂直挤 压型底臌现象，采用现场调研、理论分析、室内试验及计算机数值模拟等 方法，对回采巷道底臌力学机理及底臌过程进行了深入研究，得出了一些 有益结论 （1）软岩巷道中发生底臌的主要影响因素是巷道底板围岩的结构和岩 性。其中，底板岩体的赋存结构决定了巷道底臌的类型；底板岩体的岩性 决定了巷道底臌的程度（或者底臌量的大小）。 （2）回采巷道不同于一般巷道，底臌具有其独特的特征①随着工作 面的推进，巷道在距工作面一定距离内周期性发生底臌；②在开采引起的 超前支承压力作用下，底臌量往往较大，底臌严重；③底臌是伴随着巷道 开挖掘进到工作面回采整个过程，底臌是持续变化的，具有动态性。 （3）回采巷道发生垂直挤压型底臌的根本原因是超前支承压力形成的 垂直应力超过了底板破碎岩体的极限承载力。基于土力学中的滑移线场理 论，结合弹塑性力学中的刚体极限平衡法，得出了底板围岩的极限承载力， 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 并且预测出底臌量的大小。 （4） 利用数值模拟软件 Flac3D对提出的不同底臌控制方案进行支护效 果模拟对比，经分析选用底板注浆底板锚杆的方案对底臌进行控制，注浆 可以将底板破碎岩体重新胶结整合，提高底板岩体的内聚力及内摩擦角， 而底板锚杆即可以形成“销钉”作用， 切断底板岩体内的塑性滑移线， 又可以 利用锚索调动深部稳定围岩的承载力，可以达到更好的控制效果。 （5）将上述底臌控制方案应用于义棠煤矿 10502 综采工作面运输巷的 底臌治理，并进行长期的现场观测，在实施 2 个月后，试验段从距工作面 130m 距离至工作面推过监测点为止， 最大底臌量为 86mm， 符合预期效果， 表面控制效果良好，为同类型巷道的底臌治理提供了一些借鉴之处。 关键词回采巷道；垂直挤压型底臌；底臌机理；控制技术；数值模拟； 工业性试验. 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON MECHANISM AND CONTROL TECHNOLOGY OF VERTICALLY PRESSING FLOOR HEAVE IN THE MINING ROADWAY ABSTRACT Floor heave is a very common kind of geological phenomenon in the coal mine, and its also a key problem that impacts efficient and safe production of coal mines.Serious floor heave will make the roadway section greatly reduced, ventilation equipment deterioration, tilting, workers impassable, especially in soft rock roadways and dynamic pressure roadways . According to the vertical extrusion type floor heave phenomenon of 10502 fully mechanized coal mine Yitang 560m horizontal transportation lane occurred, by field investigation, theoretical analysis, laboratory experiment and computer numerical simulation s, in-depth study of the Roadway Floor Heave Mechanism and floor heave process, there are some good conclusions （1） The main factors influencing the occurrence of floor heave of roadway in soft rock in structure and lithology of floor rock roadway. The occurrence of floor rock mass structure determines the type of floor heave of roadway; floor rock lithology decides the degree of floor heave . （2） The roadway is different from the general roadway, floor heave has its unique characteristics with the advance of working face, the roadway in a certain distance from the working surface occurs periodically in floor heave; caused by mining abutment pressure, floor heave is large, serious floor heave; the floor heave is accompanied by a tunnel opening digging into the mining face in the whole process, floor heave is changing continuously, it is dynamic. 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV （3）The vertical extrusion of roadway floor heave is the root cause of the ultimate bearing capacity of vertical abutment pressure ation stress exceeded the floor broken rock. The slip line field theory based on soil mechanics, combined with rigid limit equilibrium of elastic-plastic mechanics, the ultimate bearing capacity of rock bottom,and predict the size of the floor heave. 4 The different floor heave control scheme for supporting effect simulation by using numerical simulation software Flac3D, the scheme selection of grouting in floor floor bolts, grouting can be broken rock bottom to cement integration, increasing the cohesion and internal friction angle of the rock bottom, and the bottom anchor that can “the pin function, cut off the plastic slip line in floor rock, but also can use the cable to mobilize bearing capacity of deep surrounding rock stability. 5 The control scheme is applied in 10502 fully mechanized coal face Yitan transportation roadway, displacement monitoring results show that the support after 2 months, the distance from the working face 130m monitoring points to the working face passes the monitoring point.The maximum floor heave 86mm shows that the support effect is good. KEY WORDSmining roadway;vertically pressing floor heave;deation mechanism,control technology;numerical simulation;site experiment. 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V 目 录 第一章 绪 论 ............................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及研究意义 .................................................................................................. 1 1.1.1 研究背景 ........................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ........................................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................... 3 1.2.1 底臌机理研究现状 ........................................................................................... 3 1.2.2 底臌控制技术研究现状 ................................................................................... 7 1.3 研究现状的局限性 .................................................................................................... 10 1.4 主要研究内容及技术路线 ........................................................................................ 11 1.4.1 研究内容 ......................................................................................................... 11 1.4.2 技术路线 ......................................................................................................... 11 第二章 回采巷道底臌的概述 ................................................................................................ 13 2.1 巷道底板岩体的结构形态 ........................................................................................ 13 2.2 回采巷道底臌过程中的影响因素 ............................................................................ 16 2.2.1 底板围岩性质 ................................................................................................. 16 2.2.2 底板岩体中的应力状况 ................................................................................. 16 2.2.3 底板岩体的赋存状态 ..................................................................................... 16 2.2.4 水的作用 ......................................................................................................... 17 2.3 底臌的主要类型 ........................................................................................................ 17 2.3.1 根据底臌量的大小分类 ................................................................................. 18 2.3.2 根据底臌机理进行分类 ................................................................................. 18 2.4 回采巷道底臌的主要特征 ........................................................................................ 21 2.5 本章小结 .................................................................................................................... 21 第三章 回采巷道围岩中支承压力的分布规律 .................................................................... 23 3.1 采场支承压力 ............................................................................................................ 23 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 3.2 回采巷道帮部围岩中的超前支承压力分布规律 ..................................................... 24 3.2.1 静压条件下回采巷道两帮围岩中的支承压力 .............................................. 24 3.2.2 受采动影响后回采巷道帮部围岩中的支承压力分布 .................................. 32 3.3 回采巷道底板岩体支承压力分布规律 ..................................................................... 33 3.4 本章小结 ..................................................................................................................... 35 第四章 垂直挤压型底臌机理分析 ......................................................................................... 37 4.1 回采巷道底臌的发展过程 ......................................................................................... 37 4.2 垂直挤压型底臌机理分析 ......................................................................................... 38 4.2.1 回采巷道底板力学模型 .................................................................................. 38 4.2.2 回采巷道底板塑性区发展过程 ...................................................................... 39 4.2.3 底板围岩破坏模式 .......................................................................................... 41 4.2.4 基于极限平衡法的底板极限承载力分析 ...................................................... 42 4.2.5 最大底臌量计算及底臌影响区 ...................................................................... 47 4.3 本章小结 ..................................................................................................................... 49 第五章 垂直挤压型底臌控制技术 ......................................................................................... 51 5.1 底臌控制方法分析 ..................................................................................................... 51 5.2 不同底臌控制方案数值模拟 ..................................................................................... 53 5.2.1 模型建立与模型参数 ...................................................................................... 53 5.2.2 模拟方案设置 .................................................................................................. 56 5.2.3 数值模拟结果 .................................................................................................. 58 5.2.4 结果分析 .......................................................................................................... 66 5.3 本章小结 ..................................................................................................................... 67 第六章 工程应用 ..................................................................................................................... 69 6.1 工程背景 ..................................................................................................................... 69 6.1.1 工程概况 .......................................................................................................... 69 6.1.2 地质构造与围岩特性 ...................................................................................... 70 6.1.3 室内岩石力学参数测定 .................................................................................. 75 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 6.2 底臌影响因素分析 .................................................................................................... 77 6.3 10502 工作面运输巷底臌原因 ................................................................................. 78 6.4 底臌控制技术 ............................................................................................................ 79 6.5 底臌控制效果 ............................................................................................................ 80 第七章 结论与不足 ................................................................................................................ 83 7.1 结论 ............................................................................................................................ 83 7.2 不足 ............................................................................................................................ 84 参考文献 .................................................................................................................................. 87 致谢 .......................................................................................................................................... 93 附录 A攻读硕士学位期间发表的学术论文 ...................................................................... 95 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景及研究意义 1.1.1 研究背景 我国是煤炭大国，近年来，煤炭年产量平均达到 33 亿吨，煤炭产量及用量常年位 居世界第一。在我国的能源结构中，矿产资源尤其是煤炭资源的保有量最为丰富，我国 的煤炭资源储量达 5.9 万亿吨，占一次能源资源总量的 94；而石油、天然气等资源相 对比较贫乏，仅占 6，且其增产难度大，对外依存度高[1]。因此，在建国以来的国家 快速发展及现代化建设过程中，煤炭资源有着极为重要的地位。虽然近年来随着全球大 环境变化及新能源的不断发展，我国也逐渐提出发展新能源的战略，进行能源结构的逐 步调整；但是，在可预见的几十年中，由于核能、太阳能、风能等新能源在技术、产业、 市场应用等方面仍然面临诸多问题，石油、天然气、页岩气等资源比较贫乏，煤炭资源 在我国的能源结构占据主导地位的格局仍然不会发生变化。我国仍然将长期处于以煤炭 资源为主要能源的状态。据相关机构预计，2020 年在我国一次能源消费中，煤炭资源占 比在 68左右，2050 年，煤炭资源在我国一次能源消费的占比仍然达到 50左右。因 此，在未来的很长一段时间内，煤炭仍将是我国的主要能源，在社会发展和现代化建设 中起到重要作用，如何进行煤炭资源的安全高效开采仍然具有十分重要的意义[2]。 在我国的煤炭开采矿井中，井工开采（地下采煤）占主要地位，露天开采占比极小。 因此，我国的井下巷道掘进量也是世界首位，据不完全统计，我国的井下巷道掘进量已 达三万公里，每年全国煤矿新掘进巷道可达数百万米。由于井下地质条件非常复杂，在 构造应力、地下水、围岩性质、采动影响等因素作用下，巷道的稳定性问题一直是煤矿 开采过程中的难题之一。尤其是随着开采的进行，浅部（＜300m）煤炭资源已经逐渐开 采完毕，全国各大煤矿逐渐进入深部（5001200m）开采阶段，这一问题更加突出。作 为采矿工程的重要研究方向，矿山压力及岩层控制的主要目的就是通过研究地下开采活 动所造成的原岩应力的重分布及巷道围岩的应力分布及变形规律，利用合理的技术手段 提高井下巷道的稳定性，从而保证煤炭开采工作安全高效进行。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 在煤矿巷道中，动压巷道是指受到开采、爆破等外因素扰动影响的井下巷道[3]。在 煤矿中，大部分巷道都属于动压巷道。动压巷道由于受所外力扰动，应力分布规律及围 岩变形规律往往非常复杂，普遍出现巷道变形强烈、底臌严重等非线性失稳破坏现象， 给井下安全生产带来极大的困难，动压巷道的失稳控制已经成为制约煤矿安全高效生产 的瓶颈之一。 回采巷道是典型的动压巷道，在其有效期限内一直处于煤层开采活动的影响中，一 方面回采巷道基本都是全煤巷道，属软岩范畴，围岩强度差、裂隙发育、遇水软化；另 一方面回采引起的支承压力往往是原岩应力的 25 倍，在高集中应力作用下，回采巷 道围岩普遍发生严重的顶板下沉、两帮收敛移近、底板鼓起等非线性大变形破坏现象。 尤其是底臌问题非常严重，我国大部分回采巷道都存在严重的底臌现象，底臌量普遍达 到 300mm1 200mm[4]。强烈的底臌首先造成巷道断面大幅缩小，且呈不规则形状；其 次底臌往往使轨道及胶带输送机严重倾斜，致使回采工作面所采煤炭无法运出，影响煤 矿正常生产运行；而且，底板严重鼓起还会使工人无法正常行走，工作面通风不畅，达 不到通风要求，产生安全隐患；最后，强烈的底臌往往需要花费巨大的财力、物力和人 力去不断的返修卧底，有的专门成立返修队进行底板整平，工作量甚至超过掘进巷道的 工作量，严重影响了煤矿井下的安全高效生产。 回采巷道既属于动压巷道，又属于软岩巷道，因此，回采巷道的稳定性控制，尤其 是回采巷道强烈底臌的控制和治理不仅是软岩巷道和动压巷道围岩稳定性问题中的重 大难题之一，而且是制约井工开采正常生产的关键问题之一。 1.1.2 研究意义 自上世纪 80 年代开始，世界各国已经开始了对巷道底臌的研究，在底臌机理和控 制技术方面均取得了一系列研究成果[5-8]，但是随着世界煤炭需求量持续增加，煤炭产 量也迅速增加，浅部煤层在大力开采下逐渐殆尽，各国煤矿开采深度持续加深，平均以 每年 8-10m 的速度在增加，现在开采深度 300m 以下的浅部煤矿已经越来越少，开采深 度 500m 以上的矿井占据大多数，更有部分矿井已经进入 1 000m 深度进行开采，深部 矿井数量还在持续增加[10-12]。因此，早期的在浅部开采阶段取得的研究成果及支护手段 已经无法适应现阶段的深部软岩巷道底臌治理。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 近年来，国内外专家学者在深部软岩巷道及动压巷道底臌控制方面进行了大量的理 论研究和实践工作，取得了很多研究成果。但是由于地质条件、应力条件、岩层赋存状 态、围岩性质、水文条件等各种影响巷道底臌的因素非常复杂，而且还受各种高低压、 高低温、高渗透压及开采扰动等外因素扰动影响，使得深部软岩巷道底臌的研究始终无 法取得统一的认识及规律，各种理论成果及控制技术具有很强的局限性，只能解释或者 解决特定条件内的软岩巷道底臌，无法全部解释，造成在煤矿井下实际工作中，软岩巷 道的支护工作常常具有很大的主观性、盲目性及经验性。因此，继续深入研究软岩巷道 底臌机理及控制手段具有十分重要的意义。 回采巷道破碎底板是煤矿井下常见的一种巷道底板类型。由于回采巷道的围岩多为 煤岩，围岩强度差、裂隙发育，在煤层开采过程中，又始终处于工作面回采的采动影响 下，因此，在初期以层状或整体状赋存的底板岩体，在支承压力、构造应力等高应力作 用下发生破坏，变成破碎状岩体或块状岩体赋存。在现阶段底臌研究中，层状底板岩体 的底臌机理及控制技术研究成果层出不穷，但是，软岩巷道破碎底板发生底臌的机理及 控制技术却研究较少。因此，本文针对厚层破碎状底板岩体的回采巷道发生强烈底臌的 现象，以义棠煤矿 10502 工作面运输顺槽为研究对象，深入分析破碎底板回采巷道发生 底臌的力学机理，并针对性的提出“帮部补强锚索底板注浆锚杆底角锚杆”控制技术， 治理破碎底板软岩巷道底臌问题， 控制巷道的稳定性， 确保煤矿正常安全高效生产运行， 并且为其他同类型巷道底臌治理提供参考与借鉴。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 底臌机理研究现状 进入 21 世纪后，在底臌机理研究方面，国内外专家学者取得了一系列新的研究成 果，主要包括 柏建彪、李文峰、王襄禹等[13]通过采用有限差分软件 FLAC 进行二维数值模拟及在 现场进行钻孔窥视的方法，发现了回采巷道底板岩层的“两点三区”特性，即随着工作面 的回采，巷道在回采引起的侧向支承应力下，底板岩层存在零位移点和零应变点，零位 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 移点上部岩体向底板临空方向移动，下部岩体受压缩向底板深部方向移动；零应变点上 部岩体受拉应变作用，下部岩体受压应变作用。 在底臌影响因素方面，研究了底板岩层的岩性（强度）及水平应力对底臌的影响。 当底板围岩岩性变差时，零位移点、零应变点的深度均增加；当水平应力增大时，底板 围岩的零应变点距离底板表面的距离近似线性增长；而对于底板围岩的零位移点，水平 应力则存在着某一个特征阈值，约为垂直地应力的 1.8 倍，小于该特征阈值，底板零位 移点向深部发展的速度较缓慢，反之，变化幅度显著增大。 基于上述研究，利用控制变量法对底臌控制技术进行了研究。在控制巷道底臌时， 首先要考虑巷道与回采工作面的位置关系，提出采用窄煤柱护巷的方式布置回采巷道， 有利于控制巷道的底臌；其次，采用全长锚固的水力膨胀锚杆代替常用的端头锚固类锚 杆，有利于减少锚固系统内的岩体破碎，并且将锚杆深入拉应变压缩区利用该区内的向 下约束力来控制底臌。最后，在井下现场进行了工业性试验，取得了良好的效果。 初明祥，王清标，夏均民[14]针对沿空巷道底臌的产生机理进行了研究，得出在巷道 围岩的物理力学性质、围岩的应力分布尤其是底板岩层的应力重新分布等因素的影响 下，底臌的形成是分布于底板失稳的全部阶段而形成的；巷道顶板的压力通过巷道两帮 围岩挤压底板岩层，底板岩层由缓慢变形发展至严重变形，直至发生断裂，在持续压力 作用下，断裂的底板岩层向上隆起，形成底臌。并且提出采用高强锚杆加固巷道底角及 底板、中空注浆锚杆加固底板围岩控制巷道底臌的方法。 孙利辉，纪洪广，杨本生等[15]则针对埋深较大的巷道底板中软弱夹层对底臌的影响 进行了研究，利用数值模拟软件 FLAC 3D 对不同位置、不同数量、不同性质的 8 个不 同类型的软弱夹层对巷道底臌的影响进行了分析。结果表明，含软弱夹层的底板岩体底 臌量明显大于不含软弱夹层的底板岩体；无论底板岩体中含几层软弱夹层，最上部的软 弱夹层和最下部的软弱夹层对巷道底臌的影响都是最大的，而中部夹层对巷道底臌影响 较小上部软弱夹层通过弱化底板浅部岩体的强度、增加浅部岩体破碎程度来增