宁东矿区变厚直接顶煤巷支护技术研究.pdf

万方数据 万方数据 论文题目宁东矿区变厚直接顶煤巷支护技术研究 工程领域矿业工程 硕 士 生靳 华 签名 指导教师来兴平（校内） 签名 周光华（校外） 签名 摘 要 不同厚度直接顶煤岩巷道稳定性控制依然是制约煤矿安全高效开采的共性理论与 技术难题。 本研究以宁东矿区双马煤矿变厚直接顶煤巷稳定性控制为目标，采用调查类比、理 论分析、数值计算、现场监测与应用实践等方法，开展了不同厚度直接顶条件下煤巷支 护技术研究。通过较为系统的调研调查分析，梳理了不同厚度下的直接顶变形破坏特征 及其稳定性影响因素，探讨了在薄层直接顶、厚层整层直接顶和厚层复合顶板条件下， 煤巷锚杆（索）支护作用原理。通过三维有限差分数值计算软件（FLAC），结合双马 煤矿边界泄水巷地质赋存和开采条件， 计算并揭示了不同厚度直接顶条件下的煤巷围岩 应力和变形分布与发展特征规律，对比分析了不同支护形式下的煤巷围岩支护效果，提 出了变厚直接顶煤巷围岩支护方法。现场应用过程中采用多种手段进行矿压观测与评 价，实现了煤巷稳定性控制，为双马煤矿煤巷稳定性控制提供了理论依据。 本研究为对宁东矿区类似复杂条件巷道稳定性控制提供了技术与工程借鉴， 也为今 后锚杆（索）支护技术在宁东矿区深部开采中应用提供了值得参考的方法。 关 键 词 变厚度岩层；直接顶；煤岩稳定性；支护控制；综合监测与评价 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Abstract Different thickness directly top-coal rock stability control is still restrict the generality of the high-efficient exploitation of coal mine safety theory and technical difficulties. This study Ningdong Shuangma mining area coal thick top-coal lane stability control directly as the goal, with investigation analogy, theoretical analysis, numerical calculation and field monitoring and application s of practice, carried out under the condition of different thickness of immediate roof coal roadway supporting technology research. Through a systematic survey analysis, combing the characteristics of different thickness of immediate roof deation and its stability factors of immediate roof in thin layer are discussed, the thick layer of immediate roof and thick composite roof conditions, anchor rod rope supporting in coal roadway, action principle. Uses FLAC3D numerical simulation software, combined with the Bianjie Xieshui lane Shuangma coal mine geological occurrence and mining conditions, calculation and reveals the different thickness of immediate roof under the condition of coal roadway surrounding rock stress and deation distribution and development characteristics, analysis of the coal roadway surrounding rock under different support s supporting effect, thickening directly caving roadway supporting was proposed. Field application in the process of using a variety of means to mine pressure observation and uation, to realize the coal roadway stability control, stability control for Shuangma coal mine coal lane provides a theoretical basis. This study for the complicated condition of Ningdong mining similar roadway stability control provides technical and engineering for reference, also for the future line anchor Subject Coal Lane Directly Supporting Technology Research of Thickening Immediate Roof in Ningdong Coal Mining Specialty Mining engineering Name Jin Hua Signature Instructor Lai Xingping Signature Zhou Guanghua Signature 万方数据 supporting technology application in Ningdong mine deep mining provides a worthy reference . Key Words variable thickness of rock; immediate roof; the stability of coal and rock; supporting control; comprehensive monitoring and uation Study Type Research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 问题提出与研究意义 ...................................................................................................... 1 1.2 研究现状分析 ................................................................................................................. 2 1.2.1 直接顶控制 .............................................................................................................. 2 1.2.2 煤巷锚杆支护研究与应用 ...................................................................................... 4 1.2.3 变厚直接顶概念及特点 .......................................................................................... 7 1.3 存在的问题 ..................................................................................................................... 8 1.4 主要研究内容和方法 ..................................................................................................... 8 1.5 技术路线 ......................................................................................................................... 9 2 围岩特征及顶板稳定性分析 .............................................................................................. 10 2.1 围岩特征 ....................................................................................................................... 10 2.1.1 围岩地质分类及特征 ............................................................................................ 10 2.1.2 围岩质量类型 ........................................................................................................ 10 2.1.3 煤层顶底板岩石物理力学特征 ............................................................................ 11 2.1.4 煤层顶底板岩性稳定性评价 ................................................................................ 11 2.2 煤巷直接顶变形破坏特征 ........................................................................................... 11 2.2.1 煤巷直接顶失稳形式 ............................................................................................ 11 2.2.2 煤巷直接顶不同失稳形式下的变形破坏机理 .................................................... 12 2.3 煤巷直接顶稳定性影响因素 ....................................................................................... 13 2.4 不同厚度直接顶煤巷锚杆支护问题分析 ................................................................... 15 2.5 本章小结 ....................................................................................................................... 15 3 变厚直接顶煤巷锚杆支护原理分析 .................................................................................. 16 3.1 煤巷围岩控制技术原理 ............................................................................................... 16 3.1.1 围岩应力场优化 .................................................................................................... 16 3.1.2 锚杆承载性能强化 ................................................................................................ 16 3.1.3 破裂煤岩体强度强化 ............................................................................................ 17 3.1.4 巷道围岩结构强化 ................................................................................................ 17 3.2 不同厚度直接顶条件下的锚杆支护作用机理 ........................................................... 17 3.2.1 薄层直接顶变形破坏分析 .................................................................................... 18 万方数据 目 录 II 3.2.2 薄层直接顶煤巷锚杆支护作用分析 .................................................................... 21 3.2.3 厚层直接顶煤巷锚杆支护作用分析 .................................................................... 22 3.3 本章小结 ....................................................................................................................... 25 4 不同厚度直接顶煤巷稳定性数值计算与分析 .................................................................. 26 4.1 数值计算模型建立 ....................................................................................................... 26 4.1.1 建模过程 ................................................................................................................ 26 4.1.2 煤岩体力学参数 .................................................................................................... 27 4.2 煤巷围岩稳定性数值分析 ........................................................................................... 28 4.2.1 不同厚度直接顶煤巷围岩稳定性数值分析 ........................................................ 28 4.2.2 不同支护形式下的煤巷围岩稳定性数值分析 .................................................... 32 4.3 本章小结 ........................................................................................................................ 35 5 工程实践 .............................................................................................................................. 36 5.1 工程概述 ..................................................................................................................... 36 5.1.1 技术条件 ................................................................................................................ 36 5.1.2 地质特征 ................................................................................................................ 37 5.1.3 地质构造赋存特征 ................................................................................................ 38 5.1.4 巷道维护特点 ........................................................................................................ 38 5.2 支护参数设计 ............................................................................................................... 39 5.2.1 稳定地质条件的巷道支护方案 ............................................................................ 39 5.2.2 断层破碎带巷道支护方案 .................................................................................... 39 5.3 矿压观测 ....................................................................................................................... 41 5.3.1 矿压观测内容与方法 ............................................................................................. 41 5.3.2 测站布置 ................................................................................................................ 41 5.4 支护效果分析与评价 ................................................................................................... 41 5.4.1 一般条件巷段的支护效果分析与评价 ................................................................ 41 5.4.2 断层破碎带的支护效果分析与评价 .................................................................... 45 5.5 本章小结 ................................................................................................................... 47 6 结论 ...................................................................................................................................... 48 致 谢 ........................................................................................................................................ 49 参考文献 .................................................................................................................................. 50 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题提出与研究意义 随着我国经济的高速发展，我国能源消费急剧增长，而煤炭则是能源消费的重中之 重，据统计，在我国一次性能源消费之中，煤炭的占比超过了一半[1-4]。巷道开拓掘进 是煤炭开采的前提工作，据不完全统计，在这些掘进出来的巷道中，用于直接服务于采 煤工作面生产需要的煤巷占 8 成左右。在我国，由于地形地貌复杂，因此，煤炭的赋存 形式及条件也极其多变，在开采过程中具有很大的难度，特别是在开采中，及其容易发 生煤层顶板事故。为保证安全开采，提高巷道支护可靠性，降低事故发生风险，研究变 厚直接顶煤巷支护技术，采取安全、高效、经济、可靠、适宜的技术措施，对煤矿安全 高效开采具有现实性和必要性[5-6]。 宁东矿区主采的是典型的侏罗系煤层，其共性特点是赋存环境独特，煤层上方赋存 伪顶或直接顶，煤层直接顶岩性较软，主要以粉砂岩、泥岩、页岩以及砂质泥岩为主， 因此， 其顶板岩层较易垮落， 岩层中层理较多， 且不同岩性的岩层间还存在有相互交叉、 相互组合的情况，厚度约 1.0m-2.0m。矿区多数矿井煤层巷道上覆直接顶厚度基本保持 在 1m-3m 范围内。例如枣泉煤矿 1 煤层，直接顶厚度在 0-1m 之间，大部由粉砂质泥岩 组成且节理较发育，局部区域直接顶尖灭；羊场湾煤矿 6 煤层，煤层上方是由坚硬的粉 砂岩组成的直接顶，厚度约 2.4m；清水营煤矿 2 煤层，直接顶厚度在 0-2.7m，是粉砂 岩层，但其岩层具有较为发育的水平层理，且部分有泥质胶结的现象产生。双马煤矿煤 层巷道上覆直接顶厚度变化范围大，多为层状复合形态，岩性差异较大，直接顶厚度在 3.8m-15.8m 之间，主要由砂质泥岩与粉砂岩共同组成，在岩层局部还会有夹层出现，夹 层主要由煤线及细砂岩构成，总而言之，直接顶是由多层岩层组成。当直接顶厚度小于 2.0m，其上有稳定砂岩层赋存时，采用锚杆支护即可达到较好的支护效果；然而，锚杆 索支护在某些条件下，其锚固效果会大打折扣，譬如当煤层上方直接顶厚度大，且直 接顶中有软弱岩层时，当出现上述情况，则极易出现顶板整体下沉，最终导致顶板冒落 等现象。其中在双马煤矿的 4-1 煤层，由于煤层平均厚度为 4.76m，煤层倾角 30 左右， 其中局部区域为 60 。其伪顶是 0.25m 厚的泥质页岩，直接顶则是粉砂岩层，厚度在 3.81m-15.84m 之间， 无直接底， 老底为 1.88m-6.35m 厚含较多泥质条带及薄层的粉砂岩。 双马煤矿边界泄水巷布置在 4-1 煤层中，巷道在掘进过程中需揭露 4 条断层，上下盘落 差在 0-740m 范围，并且巷道掘进期间需要穿越 1 条背斜轴、1 条向斜轴和楔入构造隐 万方数据 工程硕士学位论文 2 伏构造。巷道服务年限 12 年，且巷道用途限制巷道围岩不允许发生较大变形，巷道支 护强度和稳定性的要求更高。因此，深入开展厚直接顶条件下煤巷的锚固支护及技术研 究对矿井的安全生产及支护具有极为重要的意义。 本研究以神宁集团宁东矿区双马煤矿边界泄水巷工程为背景， 从变厚直接顶煤巷锚 杆（索）支护控制为目标，探索巷道围岩控制技术，确定巷道支护参数，确保锚杆支护 巷道的长时安全，为后续锚杆支护技术在宁东矿区深部开采应用提供借鉴。 1.2 研究现状分析 1.2.1 直接顶控制 与我国相比，在一些开采技术发达的国家（如美国、澳大利亚），其煤层的赋存条 件较好。因此，相关学者认为在完整性比较好的巷道顶板条件下，锚杆支护具有良好 的适用性，而在软弱破碎围岩条件下，需要采用强度较高的金属支架来支护[7-14]。直接 顶厚度不均一及其岩性的交互变化均造成了巷道支护的难度增加。 薛亚东[15]通过对不同矿区 9 个煤矿 21 个煤层进行调查总结，从顶板岩性及层次结 构特征两方面考虑，将回采巷道顶板划分为四种，即为厚煤层、多层薄层、厚层整体以 及复合型这四大类。同时对这四种围岩结构进行了相似材料模型试验，研究了巷道在没 有任何支护及有锚杆支护两种条件下的变形破坏规律，并对这四种围岩条件下，如何用 锚杆进行有效支护。进行了初步的理论分析，得出了这四种结构的各自支护重点。 袁亮[16]为了直观反映淮南矿区复合顶板易离层的特点及倾向，以构造应力强度、顶 板岩层结构复杂程度两项指标为参考，根据顶板不同的稳定特征，对Ⅳ、Ⅴ类煤巷顶板 进行了细化，最终分成四类，从稳定到破碎分别是稳定、离层、破碎及离层破碎这四型。 并提出运用预应力支护思想和预拉力支护技术来应对顶板的离层控制难题， 为淮南矿区 的煤巷支护问题提供了一套有效的技术途径。 马建宏[17]采用数值计算软件 RFPA，通过分析软弱直接顶在不同厚度下的，巷道围 岩应力状态，并在此基础上分析了此条件下巷道围岩的破坏区域及范围的大小。最终， 对软弱直接顶在不同厚度下的围岩稳定性特征进行了综合分析， 为掘进巷道的支护与控 制给出了一定的依据与借鉴。 杨峰[18]研究了复合顶板破坏机理，指出其破坏的两方面原因一是巷道掘出后初期 支护不力，使得顶板离层量过大，二是复合顶板自身节理裂隙发育，由浅部围岩深入发 展后加剧了顶板的离层。在此基础上，提出了部分区域提高锚固过程中的锚杆预紧力， 并在不同情况下增加或减少支护的锚杆数量，最后经过现场验证，效果良好。 李桂臣[19]详细分析了巷道上部顶板的各类特性， 并以此为基础分析了顶板是软弱夹 万方数据 1 绪论 3 层情况下的巷道支护与安全掘进的问题， 最终系统给出了此情况下巷道安全施工与巷道 围岩稳定的控制方法与手段。 杜波[20]对与跨度较大的煤巷进行了深入研究， 特别是在煤层顶板为厚层炭质泥岩条 件下，并以此为基础提出了复合主动支护系统，在阐述其支护机理的基础上建立了力学 模型，计算得出了此系统中桁架锚索结构在平衡状态下预紧力的临界条件。 谢飞鸿[21]运用ANSYS计算软件分析了层状顶板煤巷的二维弹塑性， 指出以下规律 当巷道横截面积不断增大， 巷道顶板与左右帮中点的位移及不会因其宽度的改变而改变 即巷道底板的中心位移特征与巷道两帮垂向出较为线性的特征。在此基础上，分析了现 场中层状顶板的结构特性，并建立力学模型，最终得出了此情况中的巷道顶板的下沉计 算公式，最终综合上述情况，分析了巷道围岩变形情况及应力变化特征在巷道断面不同 高跨比条件下的情况特征。 阚甲广[22]研究出了矿井安全开采中煤层的采高 h 与直接顶的厚度 d 之间的关系式， 并以此为基础分析了留煤巷过程中的巷道顶板特性，最终将其分成了无直接顶、薄直接 顶以及厚直接顶这三类，并采用弹性力学的叠加连续层板原理，建立模型，并考虑到巷 道两帮的受力情况与顶板的垮落原因，最终给出了此条件下巷道两帮的支护阻力演算 式。 李学华[23]通过现场实测，总结了某矿泥岩顶板巷道的变形破坏基本规律，同时依托 钻孔窥视手段分析不同含水情况下顶板围岩的裂隙演化特征及破坏规律，在此基础上， 分析并指出了此情况下的泥岩顶板的裂隙发育会从浅部发展，最终直至深部并达到饱 和， 并依次得出保持此类顶板巷道稳定的关键 控制围岩从微裂隙区转变为裂隙发育区， 但当锚固区处于裂隙发育区之外时，则应及时防治。 孙增飞[24]总结了泥岩顶板的破裂特点，研究了其裂隙演化规律，分析出此类巷道的 失稳机理并提出了针对性的控制技术，即巷道掘进前要探测围岩情况，掘进后采用“三 顶二区三支护”控制方法，通过对不同区域的巷道围岩进行不同类型的锚固注浆，最终 加以控制。 高明仕[25]针对厚层软弱复合顶板的变形特点， 指出采用单一锚索支护形成的承载结 构不够稳定，容易使下位岩层产生离层并使围岩进一步发生破坏，并对此提出梯度支护 原则对下位浅部岩层采用锚杆支护，对中下部软弱岩层采用短锚索进行二次强化，之 后采用长锚索对下部、中下部岩层进行整体锚固，称之为“三阶支护法”；最后分析了此 梯式结构的力学原理。 杨永康[26]采用 FLAC3D、力学理论研究以及物理相似材料模拟等多重手段，主要针 对大厚度泥岩顶板这一情况，就煤体巷道在掘进支护之后的破坏形式进行了深入分析， 万方数据 工程硕士学位论文 4 从而得出了此条件下煤体巷道的破坏及变形机理， 给出了巷道部分区域从变形最后直到 破坏的动态全过程，最终采用不同支护方法后的加固效果。 刘栋[27]针对云南某矿厚层直接顶泥岩煤巷所表现出来的变形严重特征， 进行矿压观 测并对此条件下的巷道变形机理进行了深入分析，他认为，在巷道掘进的初期，一般围 岩的浅部会发生裂隙发育并逐渐导致破坏，因此，此时必须进行必要有效的支护，以避 免破坏向更深部扩展。以此为依据，探讨了现场支护方法存在的问题，并模拟优化了相 关支护参数，得出增加锚杆长度、加大支护密度可有效控制围岩变形。 张爱绒[28]通过数值模拟系统，研究厚层泥岩直接顶煤巷围岩裂隙从产生、发展直至 连通破坏整个过程的变化规律，在此基础上，结合地质力学理论及环境条件，揭示了大 厚度泥岩直接顶的垮落原因，他认为，正是巷道上部的（张）剪切裂隙（两帮部上部及 顶板沿水平方向的）逐渐发育，最终形成了裂隙拱，引起了顶板的垮落，并由此，提出 了三个加强支护的建设性意见锚杆支护系统的刚度要加大、沿裂隙方向将锚杆索倾 向布置并及时采取适当措施使围岩封闭。 吴德义[29]为了研究复合顶板的离层特性，选用岩性、厚度、节理面内聚力、内摩擦 角、巷宽及原岩应力 6 个要素进行正交实验，运用取得的数据进行不同条件下离层值、 节理面分离范围的模拟，得出以下结论巷宽、顶板厚度对岩层间离层值产生较明显的 影响；在一定区间内和程度上，上覆岩石岩性、原岩应力对节理面分离范围影响明显， 而对节理面的离层影响较弱；而节理面内聚力、内摩擦角几乎对离层与节理面分离范围 没有影响。 陈苏社[30]通过对大柳塔煤矿特殊地质条件掘进工作面进行分类， 主要包括过断层带 巷道掘进、 过薄基岩带巷道掘进、 特近距离煤层下层煤巷道掘进和特大断面巷道掘进等， 并以此解决了掘进中巷道顶板难以控制的问题。通过对断层区域、薄基岩条件下等掘进 工作面顶板控制采取针对性技术措施， 解决了大柳塔煤矿特殊地质条件下掘进工作面顶 板控制问题，实现了矿井快速安全掘进。 代进[31]根据钱鸣高院士提出的“砌体梁”理论，采用数值模拟等方法深入研究了沿着 采空区留巷道时，其巷道上方直接顶的受力特征，并由此建立了相关力学模型，分析了 此巷道上方直接顶关键块的临界失稳模式， 最终得出了此类顶板在由失稳直至平衡的过 程中，岩层的运移规律，以及顶板在沿空留巷时下沉规律。 1.2.2 煤巷锚杆支护研究与应用 1锚杆支护理论 时至今日国内外依然在锚杆支护方面的专家普遍承认的理论如下[32-43] 譬如围岩松 万方数据 1 绪论 5 动圈支护理论、悬吊理论、最大水平应力理论、组合梁理论及加固拱理论等。而上述理 论，均是在理想状态下建立相关力学模型进行计算分析，从而得出的，并最终运用各自 研究的理论对此进行机理阐述，得出了锚固的支护过程。可以说，这些理论的形成，是 国内外各类锚固工程能够有效支护的基础， 也最终为柔性支护支护体系的构建做了最为 重要的铺垫。 2锚杆支护的发展历程[64-73] 锚杆支护最初是发起于国外，而其一经工程运用，就带来了巨大的经济效益，大大 减轻了工人的劳动强度，受到了一直好评。因此，锚固支护的方式在全世界得到了极为 迅速的推广。特别是在一些煤层赋存条件较好的国家（如美国），这种支护方式几乎已 经运用在每个井下煤巷道当中。而在西欧的一些国家，由于其之前主要采用金属支架， 因此，直到 1980 年以后，这种支护才逐渐普及。在西欧这些国家中，英国普及最快， 且发展最为迅猛，现在其井下开采的煤巷超过半数运用锚杆支护。 而在我国，是从二十世纪五十年代后期开始研究，如何在煤体巷道掘进中运用锚杆 支护，可以说距今已超