汾西紫金煤业巷道支护改进方案研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 汾西紫金煤业巷道支护改进方案研究 英文题目英文题目The study of the improvement project of roadway supporting in Fenxi zijin mining 学位类学位类别别工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 李振杰学号学号2014022468 学科学科领域领域名称名称矿业工程 指导教指导教师师杜福荣职称职称教授级高工 协助指导教师协助指导教师职称职称 二〇一六年六月四日 分类号分类号TD353TD353密密级级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 当今煤炭行业仍为我国重要的支柱产业，这一现状不仅为国内外采煤工业提 供了前所未有的发展机遇，而且也给该工业带来了很多新的挑战。挑战之一是如 何开采更深，地质条件更复杂及开采条件更困难的煤层；之二是如何实现更高效， 高产的开采；之三是在此基础上实现安全开采，减少人员伤亡。对应用井工长臂 开采的地下煤矿而言，采准巷道的开拓及维护是实现高效及安全开采的关键。紫 金煤业的开采面临的主要挑战是在地质条件复杂，高应力岩煤层内实现高效安全 开采。解决紫金煤矿巷道支护的难题，对该煤矿可持续发展具有重要意义，同时 对具有类似地质条件下巷道支护设计均有现实的指导意义和推广价值。 软岩巷道支护是我国乃至全世界采矿工程研究的重要问题，为了改善汾西紫 金煤业巷道支护的状况，本文以汾西紫金煤业 2 号煤层 1203 材料巷为主要研究对 象，在对紫金煤业 3201 巷道、西翼回风巷进行地应力测量分析和现有巷道支护方 案综合评估的基础上，采用现场调研、理论分析、工程类比、数值模拟等方法对 1203 巷道锚杆支护技术进行了分析和研究，提出了一套适合紫金煤业地质及掘进 条件以应用注浆锚索，高预紧力锚杆锚索安装，及安装帮部锚索为主要特点的新 型支护方案。并在 1203 材料巷各自选择了 100 米巷道段作为试验巷道，其中 100 米巷道段应用所建议的新型方案进行现场支护实验，另外 100 米仍采用现有支护 方案进行支护。应用先进的监测系统对试验巷道及非试验巷道进行了对比监测， 监测数据显示此方案是可行的，远远优于现有支护方案。 论文研究较好地解决了汾西紫金煤业锚杆支护技术的难题，大大改善了工作 面的生产环境和安全条件。研究结果表明实施新型支护方案的 100m 试验巷道段 巷道施工后成型完整，视觉上无明显顶板变形或煤帮的破坏。与用原有支护方案 比较，巷道完整性有明显改善，新型支护方案段的顶板位移量由 100mm 降至 30mm，煤帮位移量由大于 100mm 降至小于 50mm。总之，新型支护方案在试验巷 道段使巷道位移实际降低了约 60-70，较好的保障了紫金煤矿巷道的稳定，取 得了良好的经济效益和财产安全。 关关 键键 词词 巷道支护；高强度注浆锚索；巷道变形；数值模拟 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract Today the coal industry is still the important pillar industry in our country, this situation not only for the domestic and foreign mining industry provides unprecedented opportunities for development, but also to the industry has brought many new challenges. One challenge is how to mining deeper, more complex geological conditions and mining conditions and hard coal seam; Another is how to achieve more efficient and productive mining; The three is based on the realization of safe mining, reduce casualties. For application of master arm mining of underground coal mine well, mining roadway of prospective development and maintenance is the key to efficient and safe mining. Zijin mining of coal are the main challenges in complex geological conditions, implement efficient safety mining in high stress rock of coal seam. Solve the problem of zijin mine roadway support, is of great significance for the sustainable development of coal mine, at the same time for roadway supporting design with similar geological conditions has the realistic guiding significance and promotion value. Supporting of soft rock tunnel excavation is an important problem in our country and the world mining engineering research, in order to improve the condition of FenXi zijin coal roadway supporting, this paper takes FenXi zijin coal alley no. 2 coal seam 1203 materials as the main research object, In of 3201 roadway in Zijin mining, the West Wing of the return airway of in-situ stress measurement and analysis and the existing roadway support support for the comprehensive uation of the scheme, on the basis of the Field investigation, theoretical analysis, engineering analogy, numerical simulation and other s, 1203 roadway bolt support technique for the analysis and research, put forward a set of suitable for zijin coal geology and driving conditions for application of grouting anchor wire, high pre-tightening force of anchor rod anchor installation, and installation for the anchor cable as the main characteristics of new type of supporting schemes. And in 1203 the material lane 100-meter roadway each chosen as the test roadway segment, where 100 meters of roadway segment application of the proposed new program of experiments on-site support, in addition to 100 meters still 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III use existing support programs support. Application of advanced monitoring system to test tunnel and non-tunnel tests were compared with monitoring, monitoring data show that the current program is feasible, is far superior to the existing support scheme. Thesis study well solves the problems of Fenxi Coal Zijin bolting technology has greatly improved the working face of the production environment and safety conditions. The results showed that 100m tunnel test section roadway support implementation of the new program after ing complete construction, no roof deation or damage of coal to help visually. Comparison with the original support scheme with a significant improvement in the integrity of the roadway, roof displacement of the new program of support segment fell by 100mm 30mm, coal helped by a shift amount greater than 100mm to less than 50mm. In short, the new support scheme in the test section of the roadway so that the displacement of the actual roadway was reduced by about 60 -70, better guarantee the stability of Zijin coal mine tunnel, and achieved good economic and property safety. KeyKey wordswords roadway support；High strength grouting anchor cable；Roadway deation；Numerical Simulation 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 目目录录 摘要.................................................................................................................................. I Abstract....................................................................................................................................II 1 绪论......................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义.....................................................................................................1 1.2 研究现状分析..........................................................................................................1 1.2.1 国内研究现状..............................................................................................1 1.2.2 国外研究现状..............................................................................................3 1.3 研究内容、方法和技术路线................................................................................4 1.3.1 研究内容...................................................................................................... 4 1.3.3 技术路线图..................................................................................................5 2 紫金煤矿地质特征及其开采条件................................................................................... 6 2.1 概述..........................................................................................................................6 2.1.1 矿井概况...................................................................................................... 6 2.1.2 地理条件与地貌..........................................................................................7 2.1.3 交通运输条件..............................................................................................7 2.2 地质特征..................................................................................................................8 2.2.1 矿区地层...................................................................................................... 8 2.2.2 矿区地质构造..............................................................................................9 2.2.3 2煤层概括..................................................................................................10 2.3 开采技术条件分析...............................................................................................11 2.4 本章小结................................................................................................................12 3 紫金煤矿原岩应力实测与分析......................................................................................13 3.1 应力传感器选择...................................................................................................13 3.1.1 CSIRO HI 测量原岩应力分析................................................................ 13 3.2 紫金煤业原岩应力测点布置..............................................................................14 3.3 原岩应力测点地质条件.......................................................................................15 3.3.1 3201 材料巷原岩应力测点.......................................................................15 3.3.2 西翼回风巷原岩应力测点.......................................................................16 3.4 原岩应力测量结果...............................................................................................17 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 3.4.1 3201 材料巷原岩应力实测结果.............................................................. 17 3.4.2 西翼回风巷原岩应力实测结果.............................................................. 22 3.5 原岩应力实测结果分析.......................................................................................25 3.6 本章小结................................................................................................................26 4 支护理论分析与数值模拟..............................................................................................27 4.1 锚杆支护参数计算...............................................................................................27 4.1.1 锚杆预应力................................................................................................27 4.1.2 锚杆间排距设计参数计算.......................................................................28 4.1.3 钻孔与锚固参数........................................................................................32 4.1.4 组合构件和网的参数...............................................................................33 4.2 新旧支护方案数值模拟.......................................................................................35 4.2.1 数值方法....................................................................................................35 4.2.2 数值模型....................................................................................................35 4.2.3 岩石力学参数............................................................................................37 4.2.4 旧支护方案数值模拟分析.......................................................................37 4.2.5 新型支护方案数据模拟分析...................................................................39 4.3 新型支护方案经济效益.......................................................................................41 4.4 本章小结................................................................................................................41 5 新型支护方案现场试验..................................................................................................42 5.1 现有支护方案存在的问题..................................................................................42 5.2 巷道支护理念分析...............................................................................................43 5.3 新支护方案的提出...............................................................................................44 5.3.1 正常地质条件的采场顺槽巷道.............................................................. 44 5.3.2 复杂地质条件下的采场顺槽巷道..........................................................46 5.3.3 断层带采场顺槽巷道...............................................................................47 5.3.4 新方案的特点............................................................................................49 5.4 现场试验................................................................................................................49 5.5 巷道变形及应力监测...........................................................................................50 5.5.1 应力计的选择............................................................................................51 5.5.2 检测数据分析............................................................................................51 5.5.3 检测结果分析............................................................................................57 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 5.6 新型支护方案的效果评估..................................................................................57 5.6.1 新型支护方案效果................................................................................... 57 5.6.2 施工人员对新型支护方案评价.............................................................. 59 5.7 本章小结................................................................................................................60 结论................................................................................................................................61 参考文献................................................................................................................................63 在学科研成果.......................................................................................................................67 致谢................................................................................................................................68 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 软岩巷道支护是我国乃至全世界采矿工程研究的重要问题，这一方面为国内 外采煤工业提供了前所未有的发展机遇，另一方面也给该工业带来了很多新的挑 战。挑战之一是如何开采更深、地质条件更复杂及开采条件更困难的煤层；之二 是如何实现更高效，高产的开采；之三是在此基础上实现安全开采，减少人员伤 亡[1-2]。 虽然近几年来，国内外的专家、学者对煤矿巷道支护进行了长期的研究，也 付出了大量的实践，使我国煤矿巷道支护取得了前所未有的发展。矿井支护方式 和支护理念得到了巨大的进步，由原来的被动支护转变为主动，支护方式也由传 统的棚式支护转向锚杆、锚喷、锚网以及锚梁联合支付方式[3]。但随着我国煤炭行 业快速发展，矿井开采深度的增加、规模的扩大，以及所面临的种种问题，对巷 道支护与布置提出了更高的技术要求。 山西汾西紫金煤矿的开采面临的主要挑战是在地质条件复杂、高应力岩煤层 内实现高效安全开采。由于岩煤层较软，地应力较高，现有的锚杆支护方式已经 不能满足紫金矿井特殊的支护要求，严重影响了掘进速度，制约了采矿进度，并 且给国家和人民带来了巨大的经济损失和严重的人员伤亡。因此，我们应该对汾 西紫金矿井不同的巷道围岩条件进行细致研究，为该矿井确定合理的巷道支护方 式与参数，同时对类似条件下的矿井支护方案提供借鉴。 本文通过对汾西紫金煤业巷道支护改进方案的研究，找出了导致巷道大面积 变形的因素，并提出了新的支护方案，解决了本矿井巷道支护问题，改善了工作 面的生产环境和安全条件。同时，为矿山提供了软岩巷道围岩变形的基本规律和 控制对策，为矿山可持续发展奠定良好的基础。本研究对汾西集团其它矿井和类 似地质条件的巷道支护问题均有现实指导意义和推广价值。 1.2 研究现状分析研究现状分析 1.2.1 国内研究现状国内研究现状 随着时代的快速发展，巷道支护技术也在不断地提高。尤其近几年来锚杆支 护已成为我国煤炭领域研究的重点。我国的软岩巷道支护研究起源于 1956 年，经 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 过数代人不断地探索与发展，巷道支护技术逐步运用于采区煤巷，在 80 年代，后 人不断创新并形成了成套的高强度的注浆树脂锚杆技术以及关于矿山软岩巷道支 护理论。 1 松动圈理论 松动圈理论又称巷道围岩松动圈理论，由中国矿业大学董方庭教授进行自述， 这一理论的产生需要一个过程，此后不断进行完善，最终形成一整套以围岩分类、 支护理论、支护设计与施工相结合的巷道支护理论体系。巷道开凿后，围岩原岩 应力将会发生变化，原有的集中应力将会在围岩中重新分配，这种变化超过了围 岩极限强度的变化，被我们称之为围岩松动圈。越坚硬的围岩巷道，围岩松动圈 几乎为零，此时巷道不需要支护。若巷道属于软围岩，松动圈越大，收敛变形系 数也就越大，此时巷道支护就困难。但对于松动圈理论的产生，各界学者及专家 持有不同的争论观点。其一，如何选择现有的支护方式在开始时保障围岩不产生 破裂形态。其二，若巷道属于软围岩，围岩圈产生，围岩收敛变形、围岩的弹塑 性变形、围岩破碎区域内含碎石，谁是巷道支护的主要对象[4-7]。 2 联合支护理论 冯豫、陆家梁、朱效嘉教授在奥地利专家L.V.Rabcewicz新奥法理论的基础上 提出了联合支护技术。他们认为对于巷道的支护，不可只注重支护的强度，要 先柔后刚，刚柔并行，抗让相融，稳定支护。 随着不断发展与完善，逐渐形成锚 网喷、锚带网架、锚梁网锚索联合支护、锚梁网拱形支架联合支护等联合支护 技术[8]。 3 应力控制理论 冲击地压应力理论也称围岩泄压法、弱压法。其实质通过外界应力作用的诱 导下，促使冲击地压的产生，改变煤岩体的应力分布状态或者控制局部高应力区 域的出现，以保证煤岩体不发生破碎状态[9-10]。在已经形成高应力集中或者冲击危 险区域，应通过改变围岩的力学性质、应力释放或者转移促使降低围岩应力的集 中，来提高围岩的稳定性。 4 软岩工程力学理论 在工程力学的作用下，导致岩体显著塑性变形的工程岩体统称为工程软岩。 然而软岩又分为两大类一类为地质软岩，一类为工程软岩。何满潮教授结合工 程力学和现代大变形力学，通过分析岩石的特性，提出了一种新的软岩巷道支护 理论。他认为巷道支护的破坏大多都是由于支护体与巷道围岩的结构、强度、塑 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 性等方面存在不耦合性造成的。要适当地转变支护技术与方式，使之相互耦合， 对于复杂巷道的支护，要采取两次支护，第一次为柔性面的支护，第二次为关键 部位点的支护[11-14]。 1.2.2 国外研究现状国外研究现状 巷道支护理论的发展历史悠久，迄今为止已有两三百年的历史了，它是在岩 石力学和力学基础上演变而来的。如何确定支护载荷是巷道支护理论的核心问题， 这样才能对巷道工程进行设计。如今锚杆支护技术快速发展，并且已在大量工程 项目中普及，因此对锚杆支护的作用本质，大家有了更深入、更全面的认识。随 着巷道支护理论不断的发展与完善，锚杆支护理论可以归纳为 3 种模式①被动 地悬吊破坏或潜在破坏范围的煤岩体；②在锚固区内形成某种结构梁、层、拱、 壳等；③主动改善锚固区围岩力学性能与应力状态，抑制围岩变形与破坏。现在 在巷道支护问题上，主要以第 3 种模式作为锚杆支护的本质作用。同时，借鉴国 外锚杆支护理论与实践经验，巷道开凿后，应立即锚杆支护，提供足够高的锚杆 预应力，从而提高锚固体的刚度[15-18]。 关于国外巷道支护理论发展，主要有以下几种 1 古典压力理论 古典压力理论认为作用在支架结构上的压力是其上覆岩层的质量γH，主要 靠围岩坍塌致使硐室形状改变来维护巷道的稳定。古典压力理论属于被动式巷道 支护，它通常把围岩坍塌岩与支护分开考虑，无法控制围岩变形破坏的发生，只 能起被动抵抗的作用[19-20]。 2 坍落拱理论 随着矿山采掘深度不断的增加，传统的压力理论在实际施工过程中已无法准 确的指导矿山巷道支护工作，这时就出现了坍落拱理论 。它认为巷道围岩在变化 过程中有自承能力，该理论主要以太沙基理论和普氏理论为代表，其中太沙基认 为坍落拱为矩形，而普氏则认为是呈抛物线的形状。 3 新奥法理论 到了 2