采动影响下缓斜煤层底板瓦斯抽放巷合理布置与支护研究.pdf

采动影响下缓斜煤层底板瓦斯抽放巷 合理布置与支护研究 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名舒国钧 指导教师唐建新 教 授 专 业矿业工程 学科门类工 学 重庆大学资源及环境科学学院 二 O 一七年五月 万方数据 万方数据 Study On Reasonable Position and Support Technology of Floor Gas Drainage Roadways in Gently Inclined Coal Seams after Mining A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’Degree of Engineering By Shu Guojun Supervised by Prof. Tang Jianxin SpecialtyMining Engineering College of Resources and Environmental Science of Chongqing University, Chongqing, China May, 2017 万方数据 万方数据 中文摘要 I 摘 要 本文以筠连船景煤矿642 东底板瓦斯抽放巷为研究对象，通过综合运用现场 监测、室内测试、理论分析和数值模拟手段，对缓斜煤层群开采条件下底板瓦斯 抽放巷合理位置以及底板瓦斯抽放巷支护技术展开了综合分析研究。取得主要成 果如下 ① 根据收集到的地质资料、实验室煤（岩）物理力学参数测试，得到了试验 区煤系地层煤（岩）物理力学特性。然后对642 东底板瓦斯抽放巷 6 个典型断面 的围岩稳定性情况进行探测。发现在未进行开采的情况下，各断面松动圈集中在 1.2m3.2m 的范围内，属于大松动圈。巷道部分断面围岩存在破碎、离层和贯通裂 隙发育，断面围岩破碎区域向深部延伸至 2～8m 左右。为下一步数值模拟分析和 巷道支护方案设计提供了基础参数。 ② 理论分析了采动影响下缓斜煤层底板应力状态，并根据底板岩体滑移线场 理论，分析了底板塑性破坏区形成的原因，并求得煤层底板下方裂隙破坏带最大 深度 h19.49m。基于弹性理论，对开采后工作面煤壁附近底板应力分布进行了简 化，得出不同倾角煤层在开采后底板岩层内塑性区深度的分布形态近水平煤层 采空区两侧煤壁边缘附近的裂隙破坏带深度较大，并向采空区中部方向逐渐减小 最后趋于某一固定值；缓倾斜、倾斜煤层与近水平煤层类似，但在工作面下端底 板附近的裂隙带深度较其他位置大；急倾斜煤层恰好相反，在工作面上端位置附 近底板裂隙破坏带深度较大。并建立数值模型得出缓斜煤层群开采后的应力分布 的情况。 ③ 在煤层底板变形破坏规律和缓斜煤层群开采数值模拟的基础上，对底板瓦 斯抽放巷的合理位置从层位岩性、底板采场应力分布、底板破坏深度和瓦斯抽采 效果四个角度进行了分析，提出底板瓦斯抽放巷合理层位的布置原则。依托此布 置原则， 对642 东底板瓦斯抽放巷在原位置和两种优化位置进行了数值模拟对比， 结果显示在三种布置方案中，优化方案二中的底抽巷布置位置最为合理，即与 7 煤层综采工作面机巷布置在同一水平，且与其风巷保持 45m 的水平间距。在优化 方案二的基础上，对底抽巷穿层网格钻孔布置提出了相应的要求。 ④ 对原支护方案下642 底板瓦斯抽放巷的现场矿压观测结果进行了分析总 结，依据巷道围岩控制理论中的围岩松动圈理论，采用预应力锚杆锚索双拱对原 有支护方案进行了不对称优化，提出了六点优化对策。基于优化对策进行了针对 性的不对称优化改进，并使用数值模拟验证了优化方案的可行性。 关键词关键词底板瓦斯抽放巷，层位布置，数值模拟，巷道围岩变形破坏 万方数据 重庆大学硕士学位论文 II 万方数据 英文摘要 III ABSTRACT Based on 642 east floor gas drainage roadway of chuanjing coal mine, this paper comprehensive analyses and studies the reasonable position and support technology of floor gas drainage roadways in gently inclined coal seams after mining by virtue of indoor experiments, on-the-spot detection, theoretical analysis and numerical simulation. The main research outcomes are as follows ① According to geological contributions available and lab tests, physical and mechanical characteristics of coal measure strata in the experimental area are obtained. Six typical sections in 642 east floor gas drainage roadway are selected to do the measurement of the surrounding rock loose circle. Finding that loosening circle thicknesses in survey sections concentrate in the range of 1.2m3.2m which mean to be large loosening circles.And parts of surrounding rocks in roadway sections exist abscission layers and through cracks before mining jobs.And the broken areas extend to the depth of about 28m. All the work above supports basic parameters for the next numerical simulation analysis and design of roadways support schemes. ② The stress distribution rule is analyzed as gently inclined coal seams mining by theoretical analyses. Based on the floor rock slip-line field theory, reasons why plastic fracture zones ed are analyzed and the largest depth of plastic fracture zones is calculated to 9.49m. According to the elasticity theory, the stress distribution of the floor near the coal wall after mining is simplified to summarize the depth of plastic fracture zones distribution rule in vary inclinations in the near-level coal seam，plastic fracture zones near the edge of coal walls in mined area are bigger than the other positions.The depth of plastic fracture zones gradually reduces to the central, and finally tends to a certain fixed value; situations in the gently inclined and the inclined coal seam are similar to the near-level coal seam. But the depth of the plastic fracture zones below the floor in working face lower end is larger than the other positions; things in the steep coal seam are different to situations above, the depth of the plastic fracture zones below the floor in working face upper end are larger than the other positions. After that, a numerical model is built to reveal the stress distribution rule when mining in the gently inclined coal seams. ③ Based on deation and failure rules of surrounding rocks in coal seams 万方数据 重庆大学硕士学位论文 IV floor and numerical simulation to analysis the reasonable position of floor gas drainage roadway from four factors the lithology,the stress distribution rule,the depth of plastic fracture zones and the effect of gas extraction. Then do another numerical simulation to compare the stress state of 642 east floor gas drainage roadway in original position and other two optimized positions.The results show that in three layouts, the best choice to lay the floor gas drainage roadway is optimization scheme 2.It means that lays the floor gas drainage roadway with 7 coal seam belt conveyor roadway in the same level，and keeps horizontal 45m from airflow roadway.On the basis of the optimization scheme 2, some requirements for the grossmeasures boreholes are put forward. ④ Observe the mine pressure in 642 east floor gas drainage roadway with original support scheme,and optimize this scheme with the enhanced arch of anchor cable, a two-arch system of anchor, bolt and cable by surrounding rock loose circle theory. With six targeted countermeasures, demonstrate the feasibility of the asymmetric optimization scheme. Key wordsGasDrainage Roadway; Layer Layout; Numerical Simulation; Road Deatiob and Failure 万方数据 目 录 V 目 录 中文摘要中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪绪 论论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义选题背景及研究意义 .............................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 ...................................................................................................................... 2 1.2.1 底板瓦斯巷合理布置层位的研究 ................................................................................... 2 1.2.2 煤层底板变形破坏规律的研究 ....................................................................................... 3 1.2.3 巷道围岩变形控制理论研究 ........................................................................................... 4 1.3 本文主要内容及技术路线本文主要内容及技术路线 ...................................................................................................... 5 1.3.1 主要研究内容及研究方法 ............................................................................................... 5 1.3.2 技术路线 ........................................................................................................................... 5 2 试验区概况试验区概况 .............................................................................................................................. 7 2.1 试验区地质情况试验区地质情况 ...................................................................................................................... 7 2.2 试验区概况试验区概况 .............................................................................................................................. 8 2.3 巷道围岩力学参数及松动圈测试巷道围岩力学参数及松动圈测试......................................................................................... 10 2.3.1 煤岩物理力学参数测试 ................................................................................................. 10 2.3.2 围岩松动圈测试 ............................................................................................................. 12 2.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................ 18 3 采场应力分布与底板破坏特征分析采场应力分布与底板破坏特征分析 ....................................................................... 19 3.1 煤层底板破坏规律煤层底板破坏规律 ................................................................................................................ 19 3.1.1 煤层采动下岩层应力分布规律 ..................................................................................... 19 3.1.2 煤层底板破坏深度计算 ................................................................................................. 22 3.1.3 煤层底板破坏的空间分布形态 ..................................................................................... 26 3.2 缓斜煤层开采应力分布的数值模拟缓斜煤层开采应力分布的数值模拟..................................................................................... 29 3.2.1 软件介绍 ......................................................................................................................... 29 3.2.2 数值模型建立 ................................................................................................................. 30 3.2.3 初始应力场分布 ............................................................................................................. 33 3.2.4 首采层（7煤层）开采应力分布 ................................................................................. 34 3.2.5 重复开采（8-1煤层和 8-2煤层）应力分布 ................................................................ 43 3.3 本章小结本章小结 ................................................................................................................................ 47 4 底抽巷合理位置研究底抽巷合理位置研究 ....................................................................................................... 49 万方数据 重庆大学硕士学位论文 VI 4.1 底抽巷位置合理性分析底抽巷位置合理性分析 ........................................................................................................ 49 4.1.1 层位岩性分析 ................................................................................................................. 49 4.1.2 底板采场应力分布分析 ................................................................................................. 51 4.1.3 底板塑性破坏带分析 ..................................................................................................... 51 4.1.4 瓦斯抽采效果分析 ......................................................................................................... 52 4.2 底抽巷合理位置选取与布置底抽巷合理位置选取与布置 ................................................................................................ 56 4.2.1 布置原则 ......................................................................................................................... 57 4.2.2 原位置数值模拟 ............................................................................................................. 57 4.2.3 优化位置方案数值模拟 ................................................................................................. 61 4.2.4 底抽巷穿层网格钻孔布置 ............................................................................................... 67 4.3 本章小结本章小结 ................................................................................................................................ 68 5 底板瓦斯巷道支护技术研究底板瓦斯巷道支护技术研究 ...................................................................................... 71 5.1 巷道变形破坏机理和规律巷道变形破坏机理和规律 .................................................................................................... 71 5.2 现场矿压观测现场矿压观测 ........................................................................................................................ 74 5.2.1 巷道原支护方案及参数 ................................................................................................. 74 5.2.2 测点布置和观测方法 ..................................................................................................... 74 5.2.3 原支护方案下巷道矿压显现情况 ................................................................................. 77 5.2.4 结果分析 ......................................................................................................................... 80 5.3 巷道围岩控制理论及支护方案优化巷道围岩控制理论及支护方案优化 .................................................................................... 81 5.3.1 巷道围岩控制理论 ......................................................................................................... 81 5.3.2 巷道围岩支护对策 ......................................................................................................... 86 5.4 底抽巷巷道支护参数优化底抽巷巷道支护参数优化 .................................................................................................... 89 5.5 优化支护方案可行性分析优化支护方案可行性分析 .................................................................................................... 91 5.6 本章小结本章小结 ................................................................................................................................ 94 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................................ 95 6.1 结论结论 ........................................................................................................................................ 95 6.2 展望展望 ........................................................................................................................................ 96 致致 谢谢 ...................................................................................................................................... 97 参考文献参考文献 ...................................................................................................................................... 99 附附 录录 .................................................................................................................................... 103 A 作者在攻读硕士学位期间所发表的文章目录作者在攻读硕士学位期间所发表的文章目录 ..................................................................... 103 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 选题背景及研究意义 我国是一个能源结构呈现富煤、少气、贫油的国家。作为我国的主体能源， 煤炭有力地在几十年的时间内支撑了国民经济和社会平稳发展[1]。 一方面由于煤炭 的开采和利用直接或间接对环境和气候造成较大的负面影响，另一方面在最新的 “十三五规划” 中也有对煤炭等困难行业去产能的号召， 同时国家能源局明确 2017 年煤炭去产能年度目标为 5000 万吨。所以在此背景下，应尽快缩减煤炭在能源中 的比例。但鉴于我国富煤、少气、贫油的能源结构在今后 20 年内变化的可能性不 大，而新兴可再生能源由于其成本高、产出低及不稳定性的缺点也导致风能、太 阳能、核能等新能源在近一段时间难以成为我国的主要依托能源。因此，在新兴 可再生能源克服其成本高、产出低及不稳定性的缺点之前，煤炭仍然是未来半个 世纪我国能源结构的排头兵[2]。据估算，到 2050 年煤炭在我国能源构成中的比例 仍要占 40以上[1]。 与煤炭伴生的瓦斯，不仅是威胁我国煤矿安全开采最大的致灾因素之一，同 样也是一种洁净、高效的能源。1m3瓦斯的热值，据测算可达 33.536.8MJ，相当 于 1.13L 标准油或 1.22kg 标准煤的发热量[3]。我国煤层瓦斯资源十分丰富，瓦斯 储量位居世界第三，预计储量达到 36.81 万亿 m3以上，相当于 450 亿吨标准煤或 350 亿吨标准油，直追陆地上天然气储量[4]。如果能采取合适的手段，将这部分瓦 斯资源进行有效抽采和利用，对于缓解我国能源紧张的格局十分有利。 船景煤矿瓦斯储量为 143772.39 万 m3，可抽瓦斯储量为 42984.8 万 m3。从储 量来看，全矿井瓦斯储量充足，能为下一步瓦斯综合利用提供稳定、可靠的资源 保证。而船景煤矿属于煤与瓦斯突出矿井，做好瓦斯突出防治举措是实现煤与瓦 斯共采的基本工作。针对船景煤矿地质条件复杂，瓦斯含量高的特点有必要布置 专用底板瓦斯抽放巷道，利用穿层钻孔对煤层瓦斯进行预先抽放卸压，达到区域 防突的目的。因此瓦斯抽放巷不仅担负预先抽采采掘面条带瓦斯的重任，还负责 对邻近层瓦斯进行预先抽采。一方面瓦斯抽放巷作为区域防突的一种措施，贯穿 了整个近距离煤层群的开采过程。另一方面，近距离煤层群的开采造成多次应力 重新分布，其采掘活动对布置在采掘影响范围内的底板瓦斯抽放巷有较大影响。 因此对于船景煤矿缓斜煤层底板瓦斯抽放巷合理层位位置和支护技术的研究十分 有必要，有利于降低后期巷道维护成本和保障瓦斯抽放工作的持续进行，保障矿 井安全生产的顺利进行。 万方数据 重庆大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 底板瓦斯巷合理布置层位的研究 瓦斯抽放巷作为区域防突的一种措施，贯穿了整个近距离煤层群的开采过程。 另一方面，近距离煤层群的开采造成多次应力重新分布，其采掘活动对煤层底板 下方的底板瓦斯抽放巷有较大影响。因此在布置底板瓦斯抽放巷时，将巷道置于 一个合理的位置，使巷道受采动影响围岩变形较小，有利于降低后期巷道维护成 本和瓦斯抽放工作的持续进行。 王忠俊等[5]对土城矿 141210 工作面掘进施工过程中存在的问题进行了研究， 针对瓦斯涌出量大导致工作面正常掘进活动产生顶钻、卡转等现象，针对性布置 底板瓦斯抽放巷，预先对煤层