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西安科技大学 硕士学位论文 复杂特厚煤层大采高工作面巷道稳定性研究 姓名李立波 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师来兴平 论文题目复杂特厚煤层大采高工作面巷道稳定性研究 专 业采矿工程 硕 士 生李立波 签名 指导教师来兴平 签名 摘 要 特厚煤层大采高（一次采全高）回采是建设高产高效矿井、充分回收煤炭资源的重 要手段。宁东矿区厚度在 6.0m 以上的煤层约占全区煤炭总储量的 40，煤层赋存条件 复杂，开采过程中矿压显现剧烈，巷道片帮、冒顶等一系列问题制约了矿井的安全、高 效生产。因此巷道的稳定性控制技术是该区 6.0m 以上特厚煤层开采工艺突破和提升的 基础保障，也是实现该矿区安全高产高效矿井建设的核心之一。 本文通过现场工程地质调查、岩石力学试验、数值计算与现场监测等方法，对宁东 矿区羊场湾煤矿复杂特厚煤层 6.2m 大采高工作面的保护煤柱留设、巷道支护形式的选 择等问题进行分析研究。通过研究表明，大采高煤巷的保护煤柱的松动范围在 0.972.85m 之间，在距机巷负帮 12.5m 范围及距辅运巷负帮 6.0m 范围内，保护煤柱应 力释放明显，且煤柱内部距两巷负帮 2.5m 左右均有明显的应力集中；通过 FLAC 数值 模拟， 分析和掌握了开采过程中巷道的应力、 变形规律， 并确定了机、 辅运巷的锚杆索 及其他构件的支护形式；保护煤柱宽度由原来初设的 47.0m 降低至为 35.0m，在保证安 全开采的基础上，大大提高了资源回收率。通过现场锚杆索拉拨力检测、巷道应力- 变形监测及煤柱内部结构的声- 光- 电综合监测表明， 复杂赋存环境下羊场湾煤矿 6.2m 大 采高工作面巷道保护煤柱宽度、现有的支护形式和强度，可以保证矿井安全开采需要。 本研究的复杂特厚煤层大采高工作面巷道稳定性控制技术在羊场湾煤矿应用实践 表明，该技术成功保证了巷道的稳定和工作面顺利推进，对 1000 万 t/a 的安全、高效矿 井建设提供了保障， 同时对宁东矿区类似条件下大采高工作面巷道支护设计有一定的借 鉴意义。 关 键 词6.2m 大采高；煤巷；弹塑性理论；声- 光- 电综合监测；稳定性 研究类型应用研究 本研究获国家自然科学基金10772144和高等学校博士学科点专项科研基金20096121110001资助. Subject Study on Coal Roadway’s Stability of Large Height Mining Face in Complex and Extra- thick Coal Seam Specialty Mining Engineering Name Li Li- bo （（Signature）） InstructorLai Xing- ping （（Signature）） ABSTRACT Extra- thick coal seam mining one pass cutting coal mining technology with large height is an important way to build high yield and high efficiency coal, and recover coal resources abundently. The coal storage capacity above 6.0m in Ningdong region is about 40 of the total reservers in Ningxia, and the occurrence enviorenment is complex, ground pressure shows violently, and the roadway collapses and roof caving seriously, which comfines safe and high- yield mining. Therefore, the roadway’s stability controlling technology is the basic security to make breakthroughs and advancement of mining technology in the 6.0m or above 6.0m coal seam in Ningdong region, and it’s also one of the core to build safe, high yield and high efficiency coal mine. This thesis by on- site engineering geological survey, rock mechanic test, numerical calculations and field testing of multiple inds, mainly studys on the chain pillar width and service roadways’ support pattern of 6.2m large face under broken environment in Yangchangwan coal mine. Results show, under the broken environment of 6.2m large height face, the chain pillar of bare roadways loose between 0.972.85m, the pressure is strong in the pillar between 12.5m of haulage roadway right free wall, and 6.0m of auxiliary haulage roadway left free wall, and between 2.5m range in the haulage and auxiliary roadway, the stress concentration obviously. Based on a comprehensive study, in conjunction with experience of other face pillar, the chain pillar is reduced from 47.0m to 35.0m ultimately, because of these, not only the resource recovery ratio increseas, but also it ensures the face mining safely. In addition by establishing numerical FLAC model of roadway, we analysis and master the stress and deation rule during face advancing, besides these, the bolting cable and other members of the support is identified. Through bolt cable pullout force stress- testing, roadway press- deation monitoring and acoustic- light- electricity comprehensive monitoring of pillar, the result shows that roadway existing support s and strength of 6.2m large height face under broken environment conditions can ensure the face advanceing safely. This roadyways stability control technology of 6.2m large height face applied in Yangchangwan coal mine, the practice shows, the technical ensures the stability of roadways and face smooth advancing successfully, and it also assures the efficient construction of mine 10 million t/a. While this technology has some significance to other large height face roadway support design in Ningdong similar mining conditions either. Key words6.2m large height mining coal roadway elastic- plastic theory acoustic- light- electricity comprehensive monitoring stability Thesis Application study This thesis was supported by the National Natural Science Fund of China（No. 10772144）and Doctoral Special Scientific Research FundNo. 20096121110001. 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究的背景和意义 1.1.1 工程背景 我国厚煤层储量丰富，约占煤炭探明储量的 47.7，每年地下开采的厚煤层产量约 占全国煤炭产量的 4050，为我国煤炭工业可持续发展提供了资源保障。近年来采矿 工业快速发展，大采高开采工艺已成为厚煤层回采工艺发展的重要方向，大采高开采理 论也有了长足的发展和完善[1- 5]，特厚煤层一次采全高回采是建设高产高效矿井、充分 回收煤炭资源的重要手段。 宁夏回族自治区煤炭资源远景储量 2029 亿 t，宁东矿区储量占全区总量的 87，厚 度 6.0m 以上煤层储量约占 40。 20022003200420052006200720082009 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 2300 5025 3883 3900 3200 2610 1820 1574 煤炭产量/万t 年份/年 图 1.1 2002 年以来宁煤集团煤炭产量变化 特厚煤层在采高加大的条件下，矿压规律复杂，易出现工作面和巷道片帮、冒顶等 一系列问题。据统计，我国煤矿顶板事故占总事故的 3040，而顶板事故中有 1/31/2 就发生在巷道工程中，根据国家安全监督管理总局公布数据统计，20022005 年我国煤 矿工作面、 巷道顶板事故比例占煤矿总事故的 50以上， 虽然 06 年以来顶板事故有所 下降，但平均水平仍保持在 13左右，如图 1.2 所示。如何有效的支护和加固巷道围岩、 维护巷道围岩的稳定性，是近年来国内外采矿界和岩土工程界特别关注的重要课题[6]。 对于煤层巷道，与一般巷道相比具有如下两个基本特点1围岩条件复杂，两帮是 强度很低的煤体，顶底板浅部围岩是由力学性质较差的砂质泥岩、泥质页岩等组成的直 接顶或直接底，顶底深部围岩是力学性质稳定的基本顶和老底，这些岩石的力学性质差 别很大，强度相差几倍或十几倍，且岩层与岩层之间的胶结比较薄弱，容易产生离层； 西安科技大学硕士学位论文 2 2受载条件复杂，不但受原岩应力的作用，而且还受邻近工作面开采形成的固定支撑压 力及本工作面开采形成的工作面前方移动支承压力的作用，围岩应力为原岩应力的 35 倍[12]。 由于煤层巷道的上述两个特点， 导致煤层巷道的维护比一般岩石巷道要困难的多。 合理的巷道支护技术应既能确保地下工程的安全，又具有明显的技术经济效益。 隶属宁煤集团的的羊场湾煤矿地处宁东矿区， 其 110206 工作面煤层平均厚度 6.3m， 设计采高 6.2m，煤层倾角 1520，平均 18，走向起伏角 812，煤层节理裂隙发育， 工作面顶板破碎，围岩环境复杂，回采巷道沿 2煤顶板布置，属煤层巷道，巷道侧压显 现剧烈，加之开采扰动影响，煤岩体极易松弛、垮落，导致巷道及工作面发生滑落失 稳或冒顶，该区采场矿山压力和巷道矿压显现规律已引起专家学者的重视[6- 9]。破碎围 岩环境下巷道变形失稳问题严重影响着西部建设和经济发展[10]。 2000200120022003200420052006200720082009 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 事故数量/件 年份/年 顶板事故 其他事故 图 1.2 近年来我国煤矿顶板事故统计 2006 年 6 月 7 日，110206 工作面机巷发生大冒顶，冒落体积达 252m3。图 1.3 描述 了工作面机巷掘进过程中煤柱壁片帮或塌落与顶板岩层冒落现象。其中，a描述工 作面机巷冒顶情况； b描述了巷道左帮煤壁破坏致裂和加强支护； c反映了右帮煤柱巷 壁垮落失稳与锚杆索拉出或折断以及辅助加强支护情况。巷道工作面的不稳定性因 素加大了矿井安全开采的难度与投资，是制约矿井高产、高效的主要瓶颈之一。 abc 图 1.3 工作面机巷冒顶情况描述 a机巷冒顶 b巷道左帮煤壁失稳 c右帮煤柱巷壁垮落失稳 本文以复杂赋存环境下的羊场湾煤矿特厚煤层大采高工作面机、 辅运巷稳定性控制 为研究对象，通过现场工程地质调查、岩石力学试验、数值计算与现场监测等方法，通 1 绪论 3 过对巷道保护煤柱合理宽度留设、支护方式选择的研究，确定该大采高工作面煤巷的稳 定性控制技术，解决开采过程中巷道变形失稳等问题，为现场支护决策提供依据，对矿 井安全、高产、高效的实现有重要意义。 1.1.2 研究意义 相对于综采放顶煤和分层综采，大采高采工艺具有明显的优势，具体对比见表 1.1。 表表 1.1 采煤方法优缺点对比采煤方法优缺点对比 采煤方法 与大采高相比，存在不足 综采放顶煤 1 煤炭资源回收率低； 2 煤炭含矸率高； 3 采煤工作面煤尘多、易引发自燃发火和瓦斯涌出。 分层综采 1 工作生产能力小、单产低和效率低； 2 巷道布置复杂，回采巷道的掘进量多一倍左右，并增加铺设金属网假顶 的工序，巷道掘进量和维护量高； 3 综采设备搬家次数多，搬家费用高； 4 回采工效低。 但经过专家学者多年理论研究和现场观测发现，大采高工作面易发生煤壁片帮、巷 道顶板冒顶等事故，事故发生率较其他开采工艺高，在一定程度上制约了工作面高产高 效的实现。从力学角度看，巷道开挖后，围岩切向应力增加，在集中应力作用下巷道周 边围岩出现塑性破坏，并向岩体深部转移，进而在离巷道一定距离处形成应力集中区， 该区承担着岩层应力的主要部分，对巷道稳定性起主要作用。当在煤岩体中设置锚杆 索后，锚杆索和岩体以及之间的粘结材料组成一个受力体系，共同承担外荷载的作 用。由于煤从地下采出以后，会形成人为的采空空间，使得采空区顶板岩层向下弯曲移 动，当其内部拉、剪应力超过其强度极限时，顶板产生断裂或冒落[13,14]。 图1.4 羊场湾 Y110206 工作面巷道变形与冒顶 通过对破碎围岩环境下羊场湾煤矿 6.2m 大采高工作面巷道变形失稳研究，掌握煤 西安科技大学硕士学位论文 4 巷围岩的变形、失稳机理，优化并确定巷道保护煤柱宽度及其支护参数，从而改善围岩 的受力状态，在保证工作面安全推进的同时，减少煤炭资源的损失。此研究成果也可推 广到宁东矿区其他大采高工作面安全生产实践中， 对国内其他矿区大采高工作面支护方 式的选择确定也具有一定的借鉴意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 大采高工艺研究现状 1国内围岩运动律研究现状 总结近年来国内大采高工作面矿理论研究现状，主要有以下内容 西安科技大学伍永平教授、柴敬教授[15]研究了回采巷道内的岩体结构- “壳”的内力 及位移关系，对不同特性的巷道支护体与其相互作用关系进行了探讨，提出了控制岩体 结构运动，提高巷道稳定性，减少巷道围岩及支架变形破坏的途径。 太原理工大学弓培林、靳钟铭教授[2]通过“关键层”理论的运用，研究了采场覆岩结 构特征及其运动规律。研究结果表明垮落带及断裂带高度与覆岩关键层的分布特征密 切相关，大采高的垮落带及断裂带高度大于相同煤厚分层开采相应的高度，且随采高增 大呈台阶状上升。 西安科技大学黄庆享教授[16,17]等对大柳塔、补连塔大采高综工作面进行矿压显现实 测研究，发现浅埋大采高工作面存在明显的矿压显现，且来压期间伴随有明显的顶板下 沉和动载现象，工作面覆岩不存在平常所说的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，而是“两 带”，即冒落带和裂隙带。 中国矿业大学北京郝海金、吴健教授[18- 20]研究认为厚煤层综放工作面和大采高 特别是采高超过 5m工作面一次采出煤层高度和围岩受采动影响的范围基本相同， 但是 矿压显现却完全不一样。与综采放顶煤相比，大采高综采工作面周期来压的强度、支架 载荷、动载系数都增大；大采高工作面的矿压显现表明，直接顶岩层受破坏后，由于其 残余强度较煤层大得多，传压性能较好，使大采高综采工作面的矿压显现更加显著。 山西煤岩职业技术学院张世豪教授[21]利用相似模拟试验与数值模拟相结合的方法， 对寺河 3煤层在不同采高条件下矿压显现进行研究发现 采高的加大， 加剧了基本顶的 运动，支承压力峰值向煤壁靠近，使采场的矿压显现强烈，工作面顶板下沉量加大，局 部冒顶次数急剧增加，直接顶破碎，切顶线前移，煤壁片帮增多，片帮的深度加大。总 体来看，采高的增大对局部冒顶和切顶线前移影响最为显著，而对直接顶的完整性和煤 壁片帮的影响次之。 严永胜、陈艾、刘小明[22]等人以破碎围岩环境下羊场湾矿大采高大断面巷道为工程 背景，采用理论分析、FLAC3D数值模拟和锚杆测力计、压力表等现场监测等方法，综 1 绪论 5 合分析了锚杆受力和巷道变形情况，并定量确定了巷道的支护参数，并通过开采实践， 表明顶板和两帮锚杆索采用现有的支护方式和强度能够满足矿井安全开采的需要。 徐州矿务集团张集煤矿刘卫忠， 孙立亚[23]等人通过相似模拟试验研究了张集矿大采 高大倾角工作面上覆岩层移动和破坏特征，认为①大倾角煤层开采后，直接顶从采空 中部偏上开始向采空区弯曲，最后产生断裂破坏形成冒落带，顶板的冒落有沿面向下滑 的趋势，冒落形状不对称，冒落的边界向采空区上部偏移；②冒落形成使其上的岩层以 弯曲拱的形式向采空区移动； ③垂直层面方向位移呈拱沿层面方向位移在工作面中上部 呈不对称盆地形，中下部呈半个盆地形；④大倾煤层工作面上下侧支承压力呈不对称分 布，下侧比上侧大，影响范围亦大；⑤大角煤层开采后，上覆岩层逐层冒落，沿倾斜方 向也能形成“铰接岩块”平衡结构，不过该结构固支端在工作面下侧煤壁内，另一端在采 空区冒落的矸石上。 2 国外大采高工艺发展及现状 俄罗斯、德国、波兰、捷克、英国、日本等国从上世纪 60 年代开始就发展采用大 采高综采。60 年代，日本曾设计了一种 5m 采高并带中间平台的液压支架，获得了日本 国家设计奖。德国早在 1970 年使用贝考瑞特垛式支架成功地开采了热罗林矿 4m 厚的 7煤层。 70 年代末， 波兰利用了三年的时间在 7 个采煤工作面装备了 DOMA- 25/45 型两 柱掩护式支架， 另外还设计开发了 PLOMA 系列两柱掩护式大采高支架。 1980 年前西德 郝母夏特公司开发出 G550- 22/60 掩护式支架，最大采高 6.0m，在威斯特伐伦矿使用并 取得了成功。美国 1983 年开始在怀俄明州卡帮县 1矿采用长壁大采高综采技术开采厚 煤层，工作面采高达 4.5- 4.7m，日产达到 6200t，实现了高产高效。1987 年底，前苏联 煤矿有 43 个采煤工作面装备 KM130- 4 大型大采高支架，另外还研制了 KM142 型、 YKM- 4 型、YKM- 5 型大采高支架；澳大利亚在已经探明的煤矿储量中有 60 亿 t 以上储 量的煤层位于 4.5m 以上，其中至少 1/3 的储量在昆士兰，主要采用长壁一次采全高采 煤法。Goonyella Riverside 煤矿、Moranbah North 煤矿、West Wallsend 煤矿和 Dartbrook 煤矿为澳大利亚典型的利用长壁大采高综采工艺开采厚煤层的煤矿。其中 Moranbah North 煤矿是澳大利亚最先进的厚煤层开采煤矿[24- 30]。 1.2.2 巷道围岩控制及支护理论研究现状 中国矿业大学徐州陆士良教授[31- 33]等认为支护的功能是通过支护阻力对破裂岩体 施加第三向应力，即围压，补偿围岩因开挖而失去的三向应力状态，缩减开裂的程度。 阻止相对错动、滑动和旋转，对破裂岩块产生锁紧作用，从而有效减缓峰后体积膨胀和 强度衰减，提高围岩承载能力。 美国西弗吉尼亚大学 S.S.Peng 教授[34]、 广西大学范秋雁教授[35,36]认为岩石破坏后的 蠕变是一种与时间无关的流动，巷道围岩塑性区可不考虑蠕变的影响，控制巷道围岩蠕 西安科技大学硕士学位论文 6 变的关键是控制住围岩中弹性区的蠕变的影响。 中国矿业大学徐州侯朝烔、马念杰教授[37]通过实验室试验和理论分析，研究了巷 道锚杆支护对锚固范围岩体峰值强度和残余强度的强化作用以及对锚固体峰值强度前 后 E，c，φ 值等力学参数的改善，分析了锚固体强度强化后对巷道围岩塑性区和破碎区 的控制程度。 山东科技大学樊克恭、蒋金泉教授[38,39]系统研究了煤矿巷道的围岩结构特征与巷道 变形及失稳的关系，提出了巷道围岩非均称控制机理。 中国矿业大学朱德仁教授、煤炭科学研究总院王金华、康红普教授[40]对巷道煤帮稳 定性进行了相似材料试验， 认为巷帮锚杆对顶板锚杆受力及整体围岩稳定性起到关键性 作用，锚杆群支护时，在两帮煤体破坏之前，顶板中部锚杆受力最大，两帮煤体破坏后， 顶角锚杆受力最大，巷帮支护效果直接影响顶板岩层的稳定性。 中国矿业大学董方庭教授[41]等提出了松动圈理论。该理论认为凡是裸体巷道，其 围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但是并不需要支护；松 动圈越大，收敛变形越大，支护难度越大。因此，松动圈理论认为，支护的目的在于防 止松动圈发展过程中产生的有害的变形。在此基础上，董方庭教授将围岩分为六类 表表 1.2 围岩松动圈分类围岩松动圈分类 围岩类别 松动范围 围岩类别 松动范围 I 稳定围岩 松动圈 040cm IV 软岩 松动圈 150200cm II 较稳定围岩 松动圈 40100cm V 较软围岩 松动圈 200300cm III 一般围岩 松动圈 100150cm VI 极软围岩 松动圈＞300cm 太原理工大学杨双索教授、中国矿业大学北京钱鸣高教授、太原理工大学康立勋 教授等[42]提出了回采巷道围岩控制的波动性理论，该理论认为，在适当控制条件下松动 区围岩仍可形成具有一定的传力及承载能力的稳定结构，随着应力场或支护条件的变 化，这种结构将会经历平衡- 失稳- 再平衡的周期性变化过程。 中国矿业大学北京何满潮[43]提出巷道围岩承载结构的概念巷道开挖以后，围岩 应力调整形成不稳定的原生承载拱，它包括峰前承载拱和峰后承载拱，峰前承载拱对应 巷道围岩的塑性硬化圈，对围岩起主要支撑作用，峰后承载拱对应巷道围岩的塑性软化 圈。原生承载拱在支护结构的作用下共同形成复合承载拱。 煤炭科学研究总院康红普教授[44,45]提出了关键承载层圈理论巷道稳定性取决于 承受较大切向应力的岩层或承载层圈，即关键承载层圈，它的稳定与否就决定了巷 道的稳定性。巷道支护的目的就在于维护关键层圈的稳定，只要关键层圈不发生破 坏、保持稳定，则承载圈以内的岩层将保持稳定。在该理论的基础上，关键层圈具有 1 绪论 7 以下性质①承载层圈厚度越大，分布越均匀，承载能力越大；②承载层圈内应力 分布越均匀，承载能力越大；③在未支护前，关键承载层圈离巷道周边越近，巷道越 容易维护。 新奥法理论[46]把围岩看成一种承载结构，并要求支护结构与围岩共同形成支撑环， 强调围岩自承环在围岩稳定中的主体承载地位。 巷道围岩承载机理已有了大量研究，提出了一系列有关围岩承载区围岩应力的主 体承载部分的概念，它们有的从围岩应力的角度界定围岩承载区，有的从围岩变形特 征的角度界定围岩承载区，尽管术语不同，含义有异，但都认为围岩承载区是围岩应力 的主要承载体，对巷道围岩的稳定性起主要作用。 1.3 课题研究的内容和方法 1工程地质调查 调查矿井交通位置、储量等基本情况，掌握 6.2m 大采高工作面开采工艺、设备型 号及其巷道的地质情况，如埋深、地质构造等；收集巷道施工相关参数，如巷道长度、 断面大小和支护方式等；了解工作面投产以来巷道围岩的变形和破坏情况，并进行工作 面围岩、煤层的现场取样，为岩石力学试验及 FLAC 数值模拟分析提供基础。 2岩石力学性质试验和理论分析研究 对现场煤样进行单轴抗压、抗拉、抗剪试验，并采用声发射Acoustic Emission,AE 仪进行跟踪监测，掌握巷道围岩的基本力学参数，分析试件破坏过程中的 AE 特征。根 据现场收集资料和岩石力学试验结果，建立 6.2m 大采高工作面煤巷的内、外承载结构 的力学模型， 采用弹塑性理论分析， 初步判断煤巷保护煤柱的松动范围和塑性分布范围， 并通过建立工作面 FLAC 数值模型，分析开采过程中煤柱受力- 变形及弹塑性区分布情 况，结合现场开采实践经验，综合确定保护煤柱的合理宽度。 通过现场工程失稳原因分析，结合现有支护理论与技术，借鉴现场开采过程中其他 工作面锚杆索支护形式，建立巷道支护的 FLAC 数值模型，通过改变锚杆索长度、 间距，分析工作面推进过程中巷道受力、变形情况，对比确定机、辅运巷的支护形式。 3巷道支护效果监测分析 进行锚杆索锚固力测试，判断巷道锚杆索等支护设施在采动影响下的工况；采 用“十字布桩”、顶板离层仪对巷道变形情况进行监测，定量掌握采动影响下巷道变形规 律；结合采用 SWAES 声发射系统、钻孔窥视仪和钻孔应力计，探测采动影响下大采高 工作面巷道保护煤柱应力分布规律、内部裂隙发育及其变化过程中的声发射特征，根据 现场综合监测结果，结合弹塑性理论计算结果，定量确定煤柱的松动范围、保护煤柱塑 性分布范围，并根据监测结果调整支护方案；调研并评价现场开采效果。 西安科技大学硕士学位论文 8 1.4 研究方案与技术路线 1.4.1 研究方案 羊场湾 2煤层埋藏浅，煤体松软破碎，回采巷道断面大且置于煤层中，工作面回采 过程中，巷道多次发生片帮与大尺度冒落失稳，严重威胁安全与生产。本文以破碎围岩 条件下煤岩巷道冒落失稳控制为目标，通过现场工程地质调查、岩石力学试验、数值计 算与现场监测等方法，确定巷道合理支护方案，优化支护方式与参数，最大限度的提高 矿井回采的安全性和经济性，达到安全生产目的。 1.4.2 技术路线 论文以破碎围岩环境下羊场湾煤矿 6.2m 大采高工作面为工程背景， 采取现场调研、 岩石力学试验、数值计算与现场监测相结合的方法，开展煤层巷道及其保护煤柱的稳定 性研究，并采用现场多元指标监测的方法进行开采效果验证，探求破碎围岩环境下大采 高工作面巷道稳定性控制技术措施，主要技术路线如图 1.5 所示。 破碎围岩环境下6.2m采高工作面煤巷稳定性研究 开采效果 信息回馈 巷道稳定性 多元指标监测 现场开采实践 巷道支护方式确定 （现场经验与FLAC数值模拟） 煤巷保护煤柱确定 弹塑性理论分析与FLAC数值模拟 巷道围岩 岩石力学试验 相关文献资料 收集与整理 现场工程地质调研与 巷道围岩取样 调整 支护参数 图 1.5 技术路线 2 大采高工作面巷道围岩地质特征与力学特征 9 2 大采高工作面巷道围岩地质特征与力学特征 复杂工程地质条件下，工作面采高加大后更容易孕育顶板事故[47,48]。羊场湾煤矿 6.2m 大采高工作面的正常推进是实现矿井安全、高产、高效的基本条件，而工作面服务 巷道的稳定性是直接决定工作面推进顺利与否的决定性因素之一， 因此确保巷道稳定性 是矿井生产的基石。工作面围岩的工程地质条件与其力学性质，在很大程度上决定了巷 道开挖后的变形情况，是进行巷道支护设计时必须考虑的重要因素。在现场工程地质特 征综合调查的基础上，通过煤岩物理力学试验，获得煤岩力学特性参数，为大采高 工作面煤巷数值模型、力学模型的构建及支护方案的确定提供基本的力学参数。 2.1 大采高工作面工程地质概况 宁夏回族自治区煤炭资源远景储量 2029 亿 t，已探明储量 313.6 亿 t。其中，宁东矿 区含煤面积约 3500km2，煤炭储量约 300 亿 t，占全区资源储量的 87，其中主采煤层 厚度 6.0m 以上的煤炭储量约占 40。羊场湾煤矿是宁东矿区首个重点建设的特大型矿 井，其 110206 工作面是宁煤集团首个采高 6.0m 以上大采高工作面，因此研究该矿大采 高工作面巷道的稳定性控制技术，不仅对羊场湾煤矿安全、高效生产具有重要意义，同 时也是探求宁东矿区大采高工作面巷道稳定性技术的基石。 羊场湾井田位于宁夏回族自治区灵武市宁东镇境内，毛乌素沙漠边缘，地处东经 10635′10638′，北纬 759′303′之间，地表总体呈南高北低趋势，起伏不大，沙丘广 布，属低缓剥蚀残丘地貌。井田北以第 12 勘探线为界，与磁窑堡井田相临，东及东南 以 117孔连线为界，西南以赵儿塔井向斜轴与枣泉井田为界，井田南北长 8km，东西宽 5km，面积为 40km2，全井田设计可釆储量 455.38Mt。 2.1.1 区域综合地质特征 本区地处鄂尔多斯台缘褶带东侧中段的马家滩台陷区内。 本台陷区划为石沟驿向斜 及磁萌断褶带两个次级构造单元。碎石井矿区位于磁萌断褶带中段，本井田位于碎石井 矿区中段，即刘家庄碎石井背斜与磁窑堡长梁山向斜东侧 F1 断层之间如图 2.1 所示。 井田浅部羊场湾矿区呈北东南西走向、向南东倾斜的单斜构造形态，井田深部东 庙区呈北西南东走向、两翼对称的简单背斜构造，由于次级褶曲较为发育，井田内地 层产状沿走向和倾向变化较大，地质构造复杂，围岩破碎。井田地形起伏不大，海拔标 高一般在13401400m 之间，最高点为井田最南部黑疙瘩，标高为1465.7m，最低点 为井田北部 13 勘探线水石沟，标高为1340m。含煤地层侵蚀基准面标高平均为 1350.8m。 西安科技大学硕士学位论文 10 背 斜 井 碎 石 田 枣 井 泉 碎石井 背斜区段 疙 瘩 王 向背 黑 茨 东 斜 背 斜 斜 四 耳 山 鸯 斜 冯 湖 记 背 沟 断 鸳 英子梁 区段 湾 堡 向 井 斜 刘 东 家 磁 庄 五 疙 窑 井 侧 田 逆 斜 瘩 羊场湾 区段 山背 红 王 茨 东 向 斜 灵新井田 磁窑堡 区 段 疙 瘩 背 斜 红 湾 井 向 斜 沟 烧 背 斜 赵 火 井 塔 向 场 湾 九 斜 羊 东庙 区段 磁 窑 堡 层 图 2.1 矿区地质构造特征 2.1.2 工作面围岩赋存特征 110206 工作面是羊场湾煤矿 6.2m 大采高试验工作面，工作面沿 2煤层布置，2煤 层为全井田赋存稳定的厚至特厚煤层，浅部呈走向北东向南的倾斜的单斜构造。煤层走 向、倾向均发生较大变化，煤层倾角为 1520，平均倾角 18，走向起伏角度为 812， 煤岩体内部节理裂隙发育，侧压大，工作面及巷道片帮冒顶严重。煤层平均厚度 6.3m， 硬度系数 f＝23，韧性指标 910。煤层结构较简单，煤层下部一般含 13 层夹矸，最 大厚度达 1.42m。工作面煤层顶板为砂岩，常有薄层状泥岩伪顶，底板为砂岩，岩性以 泥岩为主，粉砂岩次之，f＝46。从临近工作面的开采情况来看，煤层中沿倾向方向的 节理较发育，节理方向北东 4080，与工作面走向方向的夹角在 30左右。 煤层伪顶岩性为泥岩、 炭质泥岩。 直接顶大致可分两个岩性区， 即砂岩区和粉砂岩、 泥岩区。砂岩区分布在井田中部至东北部，一般为中粗粒砂岩及细粒砂岩，属中等易冒 落较稳定岩层。粉砂岩、泥岩区分布在井田中部至西南部，岩石质较软，存在节理裂隙， 属中等冒落较稳定岩层。底板除井田中部多为细粒砂岩外，其余均以粉砂岩为主，泥岩 次之，属中等较稳定岩层。大采高工作面煤岩层钻孔综合柱状如图 2.2 所示。 2 大采高工作面巷道围岩地质特征与力学特征 11 图 2.2 2煤层柱状图 2.1.3 大采高工作面开采条件概况 1工作面位置 大采高工作面位于矿井南翼，工作面回风巷位于风井井口的南东侧 1300m，运输巷 与回风巷平行，位于风井井口南东侧 1610m；工作面切眼上口位于 56 勘探线以北 30m， 切眼下口位于 56 勘探线以北 64m，设计停采线位于 54 勘探线以北 450m。大采高工作 面南侧接近火烧坡背斜构造区， 上方西侧与 Y110204 工作面采空区以 24m 安全煤柱相 邻，下方东侧与 12 采区泄水巷以 33m 安全煤柱距离平行比邻，北以羊场湾主井保护 煤柱线为界。如图 2.3 所示。 2工作面开采技术条件 ①采煤方法 工作面走向长度 1975.8m，倾斜长度 298.6m，采用走向长壁综合机械化采煤法进行 回采，全部垮落法管理顶板。 ②采煤工艺 采用电牵引双滚筒采煤机落煤，采煤机与刮板机联合装煤，刮板输送机、转载机、 可伸缩胶带输送机联合运煤，两柱双伸缩掩护式支架支护顶板。采动影响下煤层与直接 顶之间的平均 0.3m 厚的伪顶随采随落，给顶板管理困难带来困难，故工作面开采时采 用留煤皮护顶、沿底推进的方式进行回采。 西安科技大学硕士学位论文 12 110205机巷 110205回风巷 12采区回风巷 12采区运输石门 12采区辅运巷 掘锚机通道 110206回风巷 110206机巷 110206辅运巷 风 井 副 井 二 号 副 井 主 井 采 空 区 F 图 2.3 大采高工作面布置 ③大采高工作面主要设备 由科技部主持，大同煤矿集团有限责任公司，天地科技股份有限公司、中国矿业大 学北京和安徽理工大学等单位承担的国家