深埋综放工作面回风顺槽围岩变形规律及控制技术.pdf

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 万方数据 论文题目深埋综放工作面回风顺槽围岩变形规律及控制技术 工程领域建筑与土木工程 硕 士 生刘 华 （签名） 指导教师任建喜 （签名） 刘沛林 （签名） 摘 要 开展深部回采巷道围岩变形破坏机理及其支护技术研究具有重要价值。本文以陕西 彬长矿区某煤矿 402101 工作面回风顺槽工程为依托，采用室内试验、数值模拟、理论 分析和现场试验相结合的方法进行研究。主要结论有 （1）深部采煤回风顺槽受开采深度、煤岩体性质、地应力、地下水和断层等因素 的影响，顺槽产生较大的变形压力、松动压力和冲击压力，造成顺槽顶板产生离层和挠 曲变形、挤压流动或剪切变形，顺槽帮部则发生不同程度的失稳破坏。 （2）完成了 4 煤的物理力学试验和煤单轴压缩破坏声发射试验，采用声发射技术 研究了其破坏过程。结果表明，当应力加载到峰值强度的 11.9-31.5％时，开始出现声 发射能量瞬间增多现象，有较明显的声发射事件产生。随着应力的增加，声发射的发生 次数越来越多。应力水平接近峰值强度时，声发射的发生次数迅速增加。应力超过峰值 强度后，声发射发生的次数急剧增加。 （3）研究表明，某煤矿 402101 工作面回风顺槽受围岩节理发育、深部围岩应力较 大、水平应力较大等几方面共同作用，顺槽围岩破坏主要表现为顶板不均匀下沉、两帮 收敛较大，围岩发生不对称变形。由于原有支护方案无法满足安全生产的要求，提出了 402101 工作面回风顺槽加固方案。采用 FLAC 模拟对加固支护方案进行了比选，给出合 理的加固支护方案。 （4）完成了 402101 工作面回风顺槽围岩变形监测方案设计和监测结果分析。结果 表明，加固支护方案实施后，巷道顶板离层、两帮收敛及顶板下沉量满足安全生产的需 要，加固支护方案可行。 关 键 词深埋顺槽；围岩破坏；机理；FLAC 模拟；加固支护；现场监测 研究类型应用基础型 万方数据 万方数据 4 Subject Deation Law and Control Technology of Return Air Crossheading Surrounding Rock at Fully Mechanized Caving Face in Deep Buried Coal Seam Specialty Architectural and Civil Engineering Name Liu Hua Signature InstructorRen Jianxi Signature Liu Peilin Signature ABSTRACT To carry out deep mining roadway surrounding rock deation mechanism and its support technology support has an important value. Taking a coal mine in Shaanxi Binchang mine area 402101 working face return air trough projects rely on the use of laboratory experiments, numerical simulation, theoretical analysis and field test of combining research. The main conclusions are 1 Deep mining return air along the trough the mining depth, coal and rock properties, in-situ stress, groundwater and fault, the influence of such factors as gateway to produce larger deation pressure and loosening pressure, inflation pressure and impact pressure, causing gateway roof abscission layer and flexural deation and shear deation, extrusion flow, gateway to help department there had different degrees of failure. 2 Completed the physical and mechanical testing of 4 coal and coal damage acoustic emission of uniaxial compression test, the failure process was studied by acoustic emission technique. Results show that when the stress load to 11.9 to 31.5 of the peak intensity, began to appear instantly increasing phenomenon, acoustic emission energy has the obvious acoustic emission events. With the increase of stress, the happening of the acoustic emission frequency becomes more and more. Stress levels close to the peak strength, the number of acoustic emission increased rapidly. Stress over after peak strength, the number of acoustic emission occurs has increased dramatically. 3 Research has shown that a certain coal mine 402101 face return air along the trough the joint development of surrounding rock, deep surrounding rock stress is larger, horizontal stress is larger and so on work together, along the grove uneven subsidence, damage of surrounding rock mainly for roof convergence of two larger, asymmetric deation of surrounding rock. Because the original support scheme cant meet the requirements of 万方数据 production safety, return air along the trough of 402101 face reinforcement scheme is proposed. Using FLAC Simulation to election strengthening support program, and given a reasonable strengthening support programs. 4 Completed the 402101 working face return air transportation roadway surrounding rock deation monitoring scheme design and the analysis of monitoring results. It shows that the reinforcement scheme, two sides of roadway roof absciss layer, convergence and roof subsidence meet the needs of safe production, reinforcement scheme is feasible. Key Words Deep buried crossheading; Surrounding rock failure; Mechanism; FLAC Simulation; Reinforce support; Support parameter; Site monitoring Thesis Application of basic research 万方数据 万方数据 目录 I 目 录 1 绪 论 ...............................................................................................................................1 1.1 问题的提出及研究意义...........................................................................................1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................1 1.2.1 深埋巷道围岩破坏机理研究现状...................................................................1 1.2.2 深埋煤巷围岩变形控制技术研究现状...........................................................3 1.3 研究内容及技术路线................................................................................................5 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................5 1.3.2 技术路线 ........................................................................................................6 2 某矿深埋煤巷顺槽围岩破坏机理分析 .............................................................................7 2.1 工程概况..................................................................................................................7 2.2 顺槽围岩的变形与破坏特性...................................................................................7 2.2.1 围岩的弹性与塑性变形.................................................................................7 2.2.2 围岩流变变形.................................................................................................7 2.2.3 围岩的结构面变形.........................................................................................8 2.2.4 围岩的破坏.....................................................................................................8 2.3 围岩的应力分布及围岩的稳定性............................................................................8 2.3.1 围岩的应力分布.............................................................................................8 2.3.2 围岩的稳定性.................................................................................................9 2.4 围岩压力影响因素及其控制原理和方法..............................................................10 2.4.1 影响围岩压力的因素...................................................................................10 2.4.2 顺槽围岩控制原理和方法 ...........................................................................11 2.5 小结........................................................................................................................12 3 工作面顺槽 4 煤物理力学特性试验分析........................................................................13 3.1 试样制备................................................................................................................13 3.2 4煤物理试验研究..................................................................................................13 3.2.1 试验项目 ......................................................................................................13 3.2.2 试验过程 ......................................................................................................13 3.3 4＃煤力学试验研究................................................................................................14 3.3.1 试验项目 ......................................................................................................14 3.3.2 试验过程 ......................................................................................................14 3.4 402101 回风顺槽 4煤物理力学参数试验结果......................................................18 3.5 煤单轴压缩破坏过程声发射试验 ..........................................................................20 万方数据 目录 II 3.5.1 声发射检测技术的基本原理.........................................................................20 3.5.2 声发射检测仪器及其主要参数.....................................................................20 3.5.3 声发射信号处理............................................................................................21 3.5.4 试验结果 .......................................................................................................21 3.6 小结........................................................................................................................30 4 402101 工作面回风顺槽原支护方案围岩变形规律........................................................32 4.1 402101 回风顺槽原支护方案.................................................................................32 4.2 402101 回风顺槽破坏特征.....................................................................................33 4.3 402101 回风顺槽原方案监测数据分析..................................................................33 4.3.1 监测项目 ......................................................................................................34 4.3.2 监测断面布置...............................................................................................34 4.4 监测数据分析........................................................................................................36 4.4.1 402101 回风顺槽顶板离层监测结果分析 ....................................................36 4.4.2 402101 回风顺槽锚杆受力监测结果分析 ....................................................37 4.4.3 402101 回风顺槽锚索受力监测结果分析 ....................................................38 4.4.4 402101 回风顺槽两帮收敛及顶板下沉监测.................................................38 4.4.5 402101 回风顺槽松动圈窥视结果分析........................................................39 4.4.6 402101 回风顺槽松动圈范围测试结果汇总分析.........................................47 4.4.7 402101 回风顺槽围岩受到的采动影响系数测试.........................................48 4.5 小结........................................................................................................................49 5 402101 工作面回风顺槽支护方案加固及合理性评价 ....................................................51 5.1 顺槽支护参数理论计算.........................................................................................51 5.1.1 经验公式计算法...........................................................................................51 5.1.2 围岩松动圈支护理论设计法........................................................................51 5.1.3 组合拱支护理论............................................................................................52 5.2 402101 回风顺槽加固支护方案 .............................................................................54 5.3 402101 回风顺槽加固支护方案合理性 FLAC 研究 ..............................................55 5.3.1 模拟工况 ......................................................................................................56 5.3.2 计算模型范围的确定...................................................................................56 5.3.3 边界约束条件的确定...................................................................................57 5.3.4 计算参数确定...............................................................................................58 5.3.5 巷道位移监测...............................................................................................58 5.3.6 模拟结果分析...............................................................................................58 5.4 402101 回风顺槽加固支护方案监测分析..............................................................60 万方数据 目录 III 5.4.1 监测项目 ......................................................................................................61 5.4.2 监测结果分析...............................................................................................61 5.4.3 支护效果比较...............................................................................................69 5.5 小结........................................................................................................................69 6 结语 .................................................................................................................................70 6.1 结论........................................................................................................................70 6.2 展望........................................................................................................................70 致 谢 .................................................................................................................................72 参考文献..............................................................................................................................73 附 录.................................................................................................................................78 万方数据 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出及研究意义 近年来,煤炭浅部煤炭资源日益减少，对深部煤炭资源的开采逐年增加[1]。随着开采 技术的发展及开采深度、开采规模的不断增加，与回采动压相关的顺槽变形破坏逐渐增 多，必须针对各矿区的具体条件开展顺槽变形规律与支护技术研究 [2]。回采动压引起工 作面顺槽顶板下沉的速率升高、 煤壁片帮加剧、 围岩破碎范围加大， 甚至引起局部冒顶、 网兜现象增多、底鼓量增加等严重影响了矿井正常安全生产。 在深部复杂地质条件下，全煤顺槽由于受回采动压影响，围岩力学性质呈明显的软 化特征， 顶板煤体碎胀严重， 围岩整体强度很低， 与稳定的顶底岩层力学性质差别很大， 且交接薄弱，极易出现顶板离层现象[2]；巷道顶板的下沉量较大，且变形持续不间断； 片帮现象比起浅埋工作面顺槽严重程度更大，并且底板的底鼓量较大[3]，给巷道的围岩 变形控制造成了非常大的难度。由于某矿属于深部开采，较高的地应力和构造应力导致 工作面顺槽围岩应力条件复杂，受回采动压的影响，在原支护条件下，巷道顶板控制效 果不理想，顶板变形严重，网兜现象明显，锚杆、锚索被拉断事件频繁发生[4]。调查研 究发现，此类问题在彬长矿区及国内其他深部开采矿区较为常见 [5]。 综上所述，由于围岩赋存条件和应力环境的明显不同，浅部顺槽围岩破坏机理和变 形控制技术不能适应深部顺槽围岩稳定控制的要求 [6]，必须发展新的深部顺槽围岩破坏 机理，指导深埋煤矿顺槽的设计与施工 [7]，同时，随着深部围岩破坏机理的完善[8]，从 而研究出更加有效的顺槽围岩变形控制技术 [9]，确保其长期稳定和安全运行，实现深部 煤炭资源的安全高效开采和可持续利用 [10]。 本论文依托彬长公司某矿井工作面巷道支护参数研究项目开展工作，该矿工作面埋 深 655 米，目前关于深部有许多定义，一般认为，采矿深度 600 m 可以作为深部和浅部 的区分界限，本文的深部采用这一定义。因此，该工作面顺槽属于深埋顺槽。 目前深埋煤巷工作面顺槽围岩变形规律及控制技术方面的研究成果较多 [10]- [20]，但 由于问题的复杂性,该问题仍需仔细研究。 开展煤矿深埋综放工作面回风顺槽围岩变形规律及其控制技术的研究具有重要的 工程价值。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 深埋巷道围岩破坏机理研究现状 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 大量学者已对围岩变形破坏机理进行过研究，Fenner 通过 Mohr-Coulomb 准则将地 下硐室简化为一种轴对称的平面应变模型，此模型具有各向等压和各向同性的特点，地 下硐室围岩处于弹性状态时，此模型对于其应力、应变、围岩应力和围岩强度、位移与 支护强度关系的分析具有重要作用[11][13]。Kastner 方程，又称地下圆形巷道围岩特性曲 线方程，由 Fenner 与 H.Kastner 在经典理想弹塑性模型的基础上，假设岩石破坏后的 体积不变推导而来[14]。 国内外许多学者如 B.Ladanyi，K.Daemen，H.Wilson，和李世平等均进行了大量的 研究与改进[15]，在围岩经典弹塑性理论的基础上，同时结合围岩变形破坏后具有一定的 残余强度，提出了新见解。硐室变形围岩压力的统一解，在岩土材料中应用较为广泛， 是由俞茂宏在统一强度理论的基础上进行推导得到的[16]。 经典围岩弹塑性理论对围岩变形破坏规律的分析，主要针对圆形硐室，而实际工程 中巷道断面并非都为圆形，以矩形、梯形或直墙拱形居多[17]。在对非圆形硐室围岩变形 破坏规律的研究中，一部分学者运用弹性力学里复变函数的方法进行研究，研究成果也 颇为丰富。 将巷道顶板、底板与两帮分开单独研究其变形破坏，是许多学者在对深部煤巷围岩 变形破坏的研究过程中，介于其复杂性而采取的一种研究方法。复杂条件下，曾佑富[18] 等在弹性力学理论计算的基础上，结合数值分析方法，在某煤巷顶板冒落控制的工程背 景下，分析了大断面巷道顶板冒落失稳机理。在煤层状顶板中带有软弱夹层的情况下， 刘少伟[19]等结合复合梁原理，对其失稳模式做了理论分析。锚固体弯曲失稳机理以及平 衡条件的研究中，高明中对所建立的力学模型进行计算，此模型为锚固体梁力学模型， 建立于巷道的顶板， 与此同时， 又对水平推力及锚固体的横向承载面积做了进一步分析。 在节理单元中存在充填土，这一模型由 Buddhima Indraratna 等[20]提出，顶板冒落块体 稳定性与节理有关，对此影响进行了分析。由于断层区的煤巷顶板易发生破断现象，王 琦等对此建立了两种顶板纵向弹性深梁力学模型，分别建立于正断层和逆断层构造区， 对顶板纵向应力分布规律进行了研究，同时通过对顶板压力、支护强度、跨高比不同情 况下，深入分析了顶板的破断机理。刘生龙 [21]结合弹性薄板理论，分别以近水平煤层、 缓倾斜煤层中的平顶巷道为对象，研究了单层岩石的屈曲破坏，此单层岩石位于层状顶 板表面。极限分析法，是塑性力学中一种分析方法，M. Fraldi，F. Huang 及 X.L.Yang 等 [22][26]通过这种方法在浅埋的地下硐室中， 对其顶板的冒落机制进行了推导。 深井巷道 在一般情况下会产生底鼓，在这个过程中，M.奥顿哥特 [27]的研究是通过对相似材料的模 拟实验进行的，并且描述了巷道岩层的破坏顺序在垂直应力作用下，先是两帮岩层被 压裂，随后由于水平应力的作用，巷道顶板向巷道内侧鼓出。另外膨胀会对底鼓有一定 的影响，又对这一影响的程度和相关因素做了进一步讨论[28][31]。 以数值方法为研究手段，对巷道围岩变形破坏机理的研究，是随着近些年来计算机 万方数据 1 绪论 3 技术的普及和相关行业软件开发能力的提升，而逐渐开始运用的。 对于深部复合顶板煤巷的变形破坏机制，何满潮 [32]通过数值模拟软件对此作出了分 析，分析认为影响巷道围岩变形破坏既有客观因素又有主观因素，客观因素包括两点， 一是巷道所处的复杂地质力学环境，二是巷道围岩本身的特性，主观因素则为开挖巷道