煤柱回收区域大断面回采巷道支护技术研究.pdf

分类号分类号 TD353 密密 级级 公开公开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 煤柱回收区域煤柱回收区域大断面回采巷道大断面回采巷道 支护技支护技术研究术研究 徐振营徐振营 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称采矿采矿工程工程 指导教师姓名指导教师姓名樊樊 克克 恭恭 职职 称称教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二零一六年零一六年六月六月 万方数据 论文题目论文题目 煤柱回收区域煤柱回收区域大断大断面回采巷道支护技术研究面回采巷道支护技术研究 作者姓名作者姓名 徐徐 振振 营营 入学时间入学时间 2013 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师 樊樊 克克 恭恭 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 2016 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期 2016 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 2016 年年 月月 万方数据 RESEARCH ON THE SUPPORTING TECHNOLOGY OF LARGE SECTION EXTRACTION ROADWAY IN THE COAL PILLAR RECOVERY AREA A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Xu Zhenying Supervisor Professor Fan Kegong College of Mining and Safety Engineering June 2016 万方数据 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation，， ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology，，is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 i 摘摘 要要 文针对岱庄生建煤矿边角煤柱回收区域大断面回采巷道的合理支护控制问题，通过 理论分析、现场调研和数值模拟等方法对大断面回采巷道支护技术进行了比较系统的研 究。研究的主要内容包括煤柱回收区域巷道变形破坏机理分析、巷道受力状态及顶板破 坏状况分析、大断面回采巷道锚网索支护技术研究和支护方案设计及应用效果监测四个 方面。 论文采用现场调研的方法， 对三采区 3下煤层煤柱回收工作面工程地质概况及部分巷 道破坏变形情况进行详细了解，对该区域内的巷道围岩变形特征及影响因素做了系统描 述，并在此基础上对大断面回采巷道的稳定性做了分析。以巷道围岩分类法及其支护建 议为指导，结合国内外锚杆支护理论和回采巷道支护实践经验，对 32321 煤柱回收工作 面大断面回采巷道支护技术及应用进行了较为详细的研究。 运用FLAC3D数值模拟软件， 选取该工作面第一部分材料道为原型建立数值模型，对不同顶板锚杆间、排距下以及不 同帮锚杆长度、直径参数条件下的支护效果进行多方案比较，对模拟结果中的巷道围岩 位移变化特征、应力分布特征以及塑性区分布特征进行分析，得到围岩控制效果较好的 合理支护参数。 设计方案实施后的支护效果表明巷道围岩整体稳定，顶板离层量较小，巷道两帮 未出现大的片帮以及煤壁破碎现象，锚杆支护载荷比较稳定，能够满足矿井对边角煤柱 安全高效回采的要求。 关键词关键词边角煤柱；大断面；回采巷道；支护技术；支护参数； 万方数据 ABSTRACT 山东科技大学硕士学位论文 ii ABSTRACT Aiming at the problem of how to control the large section coal seam extraction roadway in the corner pillar recovery area of The Coal Mine of Daizhuang Shengjian reasonably, the paper has been studied the reasonable supporting technology of large cross section roadway through the of theoretical analysis, site investigation, numerical simulation and field observation systematically. The main contents include the failure mechanism analysis of big cross section coal seam mining deation, the numerical simulation analysis of roadway force and roof damage, the research of extraction roadway steel mesh and anchor supporting technology, the program design of roadway support and monitoring application effect. The papers adopts the of the field investigation,to understanding the engineering geology and partial destruction of the roadway deation of the No.3 low-part coal seam corner pillar recovery face in the third mining area comprehensively, do a systematic description of the characteristics and influencing factors of surrounding rock deation in the region, and analyzed the stability of a large section roadway on this basis.Guide in the Roadway Classification and Bolting Parameters Design Dynamic Ination Rules,the paper studied the large section roadway support technology and it’s composite application of 32321 Pillar Recovery Face in detail. Using the FLAC3D simulation software, choose the third part Materials Roadway in 32321 Pillar Recovery Face as the orifinal model to establish the numerical model, the model analysised and studied the roadway surrounding rock displacement variation simulation result of stress distribution and distribution of plastic zone support under different roof bolt, row spacing and different side bolt length, diameter parameter conditions,and got a reasonable support parameter to control the roadway rock. Late on Roadway Support Effective results show that the overall stability of surrounding rock, the smaller the amount of roof separation, the two sides roadway large coal wall spalling and fragmentation phenomenon does not appear, bolt support load is relatively stable, able to meet mine on the corner pillar of the safe efficient extraction requirements. Keywords Corner pillar; Large section; Extraction roadway; The Support Technology; Support parameters; 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 i 目目 录录 1. 绪论绪论 .................................................................................................................................. 1 1.1 课题的提出及研究意义 ............................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................................... 2 1.3 主要研究内容及技术路线 ........................................................................................... 9 2 煤柱回收区域工程地质概况煤柱回收区域工程地质概况 ................................................................................. 11 2.1 工作面位置、地质条件及巷道布置情况 ................................................................. 11 2.2 原回采巷道支护参数及评价 ..................................................................................... 14 2.3 本章小结 ..................................................................................................................... 16 3 煤柱回收区域大断面回采巷道特征及支护参数计算煤柱回收区域大断面回采巷道特征及支护参数计算 ................................... 17 3.1 煤柱回收区域大断面回采巷道典型特征及围岩力学状态 ..................................... 17 3.2 煤柱回收区域大断面回采巷道失稳机理及影响因素 ............................................. 20 3.3 煤柱回收区域大断面回采巷道支护形式和参数初步选取 ..................................... 23 3.4 煤柱回收区域大断面回采巷道支护基本参数计算 ................................................. 25 3.5 本章小结 ..................................................................................................................... 31 4 不同支护条件下的巷道支护效果模拟分析不同支护条件下的巷道支护效果模拟分析 ..................................................... 33 4.1 支护模型的建立 ......................................................................................................... 33 4.2 支护密度对支护效果的模拟分析 ............................................................................. 36 4.3 帮锚杆参数对支护效果的模拟分析 ......................................................................... 44 4.4 本章小结 ..................................................................................................................... 50 5 现场应用及效果评价现场应用及效果评价 ................................................................................................ 51 5.1 支护方案及参数 .......................................................................................................... 51 万方数据 目录 山东科技大学硕士学位论文 ii 5.2 支护效果评价 ............................................................................................................. 53 6 主要结论与展望主要结论与展望 .......................................................................................................... 55 6.1 主要结论 ..................................................................................................................... 55 6.2 展望 ............................................................................................................................. 56 参考文献参考文献 ............................................................................................................................ 57 攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果 ............................................................................................ 62 致谢致谢 ...................................................................................................................................... 63 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents iii Contents 1. Introduction ........................................................................................................................ 1 1.1 Topics and research significance ........................................................................................................ 1 1.2 Research status ................................................................................................................................... 2 1.3 The main research contents and technical route ................................................................................. 9 2 Regional Engineering Geology of the Pillar Recovery Area ......................................... 11 2.1 Mining face location,geological conditionsroadway arrangement ................................................ 11 2.2 Original roadway support parameters and uation ...................................................................... 14 2.3 Summary .......................................................................................................................................... 16 3 Large Section Roadway Charastics in the Pillar Recovery Area and the Calculate of the Supporting Parameters ................................................................................................. 17 3.1 Typical charastics of large section roadway in the pillar recovery area and the mechanics status of the surrounding rocks ............................................................................................................................. 17 3.2 Instability mechanism of large section roadway in the pillar recovery area and impact factors ...... 20 3.3 The preliminary support and parameters select of large cross section roadway support in the pillar recovery area ................................................................................................................................. 23 3.4 The basic parameters calculation of the large section roadway supporting ..................................... 25 3.5 Summary .......................................................................................................................................... 31 4 Roadway Supporting Effect Simulation Analysis under Different Supporting Conditions ............................................................................................................................. 33 4.1 The establishment of supporting model ........................................................................................... 33 4.2 Simulation analysis of supporting density on supporting effect ....................................................... 36 4.3 Simulation analysis of parameters side anchor supporting effect .................................................... 44 4.4 Summary .......................................................................................................................................... 50 5 Field Application and uation .................................................................................... 51 5.1 Supporting programs and parameters ............................................................................................... 51 5.2 uation of the effect of roadway support site .............................................................................. 53 万方数据 Contents 山东科技大学硕士学位论文 iv 6 The main Conclusion and Prospect ................................................................................ 55 6.1 Main conclusion ............................................................................................................................... 55 6.2 Prospects ........................................................................................................................................... 56 References ............................................................................................................................ 57 The main Achievements ...................................................................................................... 62 Acknowledgements .............................................................................................................. 63 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1. 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 随着对矿产资源的不断开采，越来越多的矿井进入衰老期，衰老矿井的资源储量和 产能都大幅度降低。这些煤炭企业为延长矿井生产服务年限，提高资源回收率，增加经 济效益，对剩余资源的回收就成为亟需解决的现实问题。而村庄等三下压煤作为煤矿剩 余资源中的重要组成部分，因开采对地面损害大、牵涉的社会问题复杂以及审批困难等 原因，无法进行顺利回采，在这种情形下，对边角煤柱的回采就成了矿井提高资源回收 率的重要方式。 为实现边角煤柱回采工作的顺利进行，在利用煤柱回收区域原有巷道的同时，需要 在煤柱中开掘一些巷道为回采工作服务。布置在煤柱回收区域的回采巷道因周围开采情 况复杂、采空区较多、受采动影响较大且附近巷道布置密集穿层现象较多等特点，导致 巷道围岩破碎、塑性区大，顶板冒落、围岩强度低，支护起来比较困难、安全性差、成 本过高等一系列问题[1]。而这些为煤柱回收工作布置的回采巷道，随着设备的更新与升 级，尤其是为回采工作服务的机械设备体积越来越大，巷道断面面积也在不断增大，更 是增加了这类回采巷道支护问题的挑战性。 传统的锚杆支护方法已很难满足这类大断面回采巷道的支护要求，必须采用新的锚 杆支护技术与支护形式。锚杆锚索联合支护或锚网索支护，在近年来成为矿山岩土工程 中应用较多的支护方式之一，主要原因是锚索对围岩的控制范围较大，能够克服由于地 质条件的复杂化及地应力增大带来的巷道浅部围岩变形，而影响范围较小的锚杆支护在 这种情况下则不能保证巷道的安全。 以岱庄生建煤矿为例，该矿井目前三采区仅剩余欢城村镇下压煤，31321、32321 采 区煤柱回收工作面及 32310、32312 村镇压煤条带面，为最大限度地回收剩余资源，在不 规则煤柱中以及其他复杂工程地质条件下开掘了大量回采巷道。这些煤柱回收工作面， 虽然埋深不大，在 300320 m 之间，地应力也不大，但所开掘的巷道断面面积不小，且 周围采掘情况复杂。三采区原有巷道支护形式过于保守，成本过高，后来经过支护方案 改动，虽然节约了部分成本，但支护效果并不理想，这一问题困扰矿井多年。虽然该矿 不断开展巷道支护技术改进工作，但锚杆支护配套形式锚梁网、锚网索等、支护参数 万方数据 绪论 山东科技大学硕士学位论文 2 的选择及支护质量方面还不够完善，尤其对于边角煤柱回收工作面中的大断面回采巷道 的支护问题缺乏充分依据。因此，开展对复杂条件下的大断面回采巷道支护技术设计， 完善其支护理论体系，并对支护技术进行必要的改革与创新已势在必行。这一研究对衰 老矿井相似条件下的巷道支护设计工作具有十分重要的理论指导和现场实践意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 锚杆支护技术锚杆支护技术研究现状研究现状 从 1940 年代起，锚杆支护技术迅速发展，现已在巷道支护中占据主要地位。尤其是 在澳大利亚、美国等国家，锚杆支护在煤矿巷道中的支护比例已达到 100％。而在其他 主要产煤国如英国、法国、德国、俄罗斯等，则经历了曲折的反复过程，到 80 年代后才 陆续得到推广[2]。目前，澳大利亚是该支护技术领域的领头羊，美国也是发展顶板锚固 技术的主要国家之一，而英国则是应用这一技术的后起之秀[3]。 80 年代以后，因矿井采深增加，巷道断面扩大、围岩压力增大且变形严重、维护愈 发困难，在使用支架支护的巷道中，虽不断缩小棚距，增加型钢重量，但仍难满足巷道 维护的需求。而锚杆支护因低成本、方便运输和施工、控制围岩效果更好的特征逐渐成 为各国研究的主要方向[4]。从世界范围看，锚杆支护经过几十年的发展，机械式锚杆、 树脂药卷、水力胀管式、管缝式锚杆的发明并应用，以及新的锚杆设计方法、混合锚头 锚杆、组合锚杆、桁架锚杆的相继应用，使锚杆支护技术以及树脂锚固材料得到极大改 进[5]。不同国家锚杆支护技术的发展也因地质条件、技术、经济状况等差异呈现不同的 特点。 美国在 1912 年便开始使用锚杆作为煤矿顶板支护材料。60 年代末，树脂锚固剂的 发明，树脂锚固剂全长胶结成为锚杆支护的主流，杆体直径、强度都有所提高；70 年代 末，首次将树脂锚固剂联合涨壳式锚头使用，实现了锚杆高预拉力，杆体直径进一步增 加，强度进一步提高，产生的预拉力甚至可达锚杆杆体自身强度的 5075[5]。 澳大利亚于 20 世纪 60 年代， 釆用 W 型钢带组合锚杆支护煤矿巷道[6]。 1971 年以后 开始推广长壁釆煤法， 其 W 型钢带组合锚杆支护形式在采煤面上下顺槽也得到广泛应用 [7]。并且指出在一些支护较困难的地方，比如大断面的硐室、条件复杂的复合破碎顶板、 巷道的交叉点处等，要及时应用锚索补强以及注浆加固措施，能取得显著支护效果[8]。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 澳大利亚强调锚杆的高强度，并从系统工程学的角度进行考察，形成了比较完整的锚杆 支护系统设计方法体系，处于国际领先水平。 英国在 1946 年首次进行机械涨壳式锚杆试验研究；1952 年，机械式锚杆在 NCB 矿 得到大规模使用，但是后来因该类型锚杆支护在较软弱的煤系地层并不适宜，导致该支 护技术到 60 年代中期被逐渐忽视；直至 80 年代中后期开始从澳大利亚引进新的锚杆支 护技术，才使该支护技术的使用比重达逐渐增加到 80[9-11]。德国自 1932 年就发明的 U 型钢支架支护，在当时地下工程支护中的应用发展迅速，支护比重一度达 90以上[12]； 80 年代以来，U 型钢支护由于矿井采深增大已越发困难，锚杆支护技术开始发展，随着 该技术在鲁尔矿区的成功试验，逐渐推广应用到千米深井巷道支护中，取得许多有益经 验。60 年代中后期，法国开始引进德国发明的