特厚复合顶板失稳机理及其控制研究.pdf

贵 州 大 学 2017 届硕士研究生学位论文 特厚复合顶板失稳机理及其控制研究 学科专业采 矿 工 程 研究方向岩石力学及岩层控制 导 师 左 宇 军 教授 研 究 生 曹 俊 才 中国﹒贵州﹒贵阳 2017 年 6 月 分 类 号 TD326 论文编号 2014021944 密 级公开 万方数据 贵州大学 2017 届硕士学位论文 目录目录 摘要 .........................................................................................................................I Abstract ................................................................................................................. II 第一章 绪论 .......................................................................................................... 3 1.1 研究背景及意义 ...................................................................................... 3 1.1.1 研究背景 ....................................................................................... 3 1.1.2 研究目的及意义 ........................................................................... 4 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................... 4 1.2.1 复合顶板的分类 ........................................................................... 4 1.2.2 特厚复合顶板的概念及特征 ...................................................... 5 1.2.3 特厚复合顶板存在的问题 .......................................................... 6 1.2.4 煤矿特厚复合顶板支护技术研究新进展 .................................. 6 1.3 主要研究内容及技术路线 ............................................................. 7 第二章 锚杆应力均衡支护与围岩压力拱受力分析 .......................................... 9 2.1 锚杆（索）支护理论简介 ...................................................................... 9 2.2 围岩压力拱二次应力分布 ................................................................... 11 2.3 围岩压力拱薄弱位置与承载力分析 .................................................... 12 2.3.1 围岩压力拱薄弱位置确定 ........................................................ 12 2.3.2 基于薄壁理论的围岩压力拱受力分析 .................................... 17 2.4 应力均衡理论与锚杆（索）支护 ....................................................... 18 2.4.1 应力均衡理论概述 .................................................................... 18 2.4.2 锚杆（索）支护应力均衡机理 ................................................. 19 2.4.3 锚杆（索）支护作用下压力拱受力分析 ................................ 19 2.4.4 特厚复合顶板弹性恢复变形量与锚杆（索）延长量 ............ 21 2.5 本章小结 ................................................................................................ 21 第三章 特厚复合顶板变形破断机理分析 ........................................................ 22 3.1 水平应力特厚复合顶板岩梁的影响分析 ........................................... 22 3.2 层间错动导致离层破坏的机理分析 ................................................... 23 3.2.1 层间错动铰支梁模型分析 ......................................................... 23 万方数据 3.2.2 层间错动固支梁模型分析 ........................................................ 24 3.2.3 特厚复合顶板直接顶离层条件分析 ........................................ 25 3.3 岩梁纵向破坏机理分析 ........................................................................ 26 3.3.1 岩梁纵向破坏的过程分析 ........................................................ 26 3.3.2 零弯矩拐点对岩梁纵向破坏之间的影响 .............................. 26 3.3.3 零弯矩拐点对特厚复合顶板支护的指导意义 ...................... 27 3.4 特厚复合顶板失稳过程解析 ............................................................... 28 3.5 本章小结 ............................................................................................... 29 第四章 特厚复合顶板围岩稳定性数值模拟 .................................................... 30 4.1 数值模拟方案 ..................................................................................... 30 4.1.1 软件介绍 .................................................................................... 30 4.1.2 数值模型及参数确定 ................................................................ 30 4.2 一般特厚复合顶板离层破断数值模拟 ............................................. 31 4.3 侧压系数对特厚复合顶板围岩稳定影响分析 ................................. 35 4.4 倾斜角度对特厚复合顶板稳定性的影响分析 ................................. 37 4.5 节理化特厚复合顶板稳定性数值分析 ............................................. 38 4.6 特厚复合顶板三维数值分析 ............................................................. 39 4.7 本章小结 ............................................................................................. 43 第五章 特厚复合顶板控制方法 ........................................................................ 44 5.1 特厚复合顶板控制原则 ..................................................................... 44 5.2 特厚复合顶板支护基本支护方案 ..................................................... 45 5.2.1 基本支护形式确定 .................................................................... 45 5.2.2 特厚复合顶板现有支护方案 .................................................... 46 5.3 特厚复合顶矩形巷道板锚杆支护角度确定方法 ............................. 47 5.3.1 应力椭圆形成原因 .................................................................... 47 5.3.2 应力椭圆与锚杆（索）支护角度之间的关系 ........................ 47 5.3.3 应力椭圆方程的确定方法 ........................................................ 48 5.3.4 工程算例 .................................................................................... 50 5.4.1 锚网索支护存在问题及原因 .................................................... 51 5.4.2 锚网索支护问题的应对方案 .................................................... 51 万方数据 5.4 采掘工艺对特厚复合顶板支护的影响分析 ..................................... 52 5.4.1 缩短采区巷道长度 .................................................................. 53 5.4.2 采用沿空掘巷法 ........................................................................ 53 5.4.3 积极治理瓦斯先抽后掘（采） .......................................... 53 5.5 支护效果分析 ....................................................................................... 53 5.5.2 新旧锚杆（索）支护角度对比效果分析 ................................. 54 5.5.3 巷道顶板注浆支护效果分析 ..................................................... 55 5.5.4 沿空掘巷支护效果分析 ............................................................. 56 5.6 本章小结 ............................................................................................. 58 第六章 工程实例分析 ........................................................................................ 59 6.1 新田煤矿浅部特厚复合顶板锚网索支护实例 .................................... 59 6.1.1 新田煤矿 M4 煤层回采巷道地质概况 ..................................... 59 6.1.2 新田煤矿 M4 煤层回采巷道围岩力学参数 ............................. 60 6.1.3 新田煤矿 M4 煤层回采巷道支护方式 ..................................... 60 6.2 桂箐煤矿浅部特厚复合顶板 U 形棚支护实例 ................................... 64 6.2.1 桂箐煤矿 M9 煤层回采巷道地质概况 ..................................... 64 6.2.2 桂箐煤矿回采巷道岩层物理力学参数 ..................................... 65 6.2.3 桂箐煤矿支护设计 ..................................................................... 66 6.3 陈四楼煤矿深部特厚复合顶板梯次组合支护实例 ............................ 69 6.3.1 陈四楼煤矿巷道支护概况 ......................................................... 69 6.3.2 陈四楼煤矿特厚复合顶板支护方案 ......................................... 70 6.3.3 陈四楼煤矿特厚复合顶板梯次支护效果分析 ......................... 74 6.4 本章小结 ................................................................................................ 74 第七章 结论与展望 ............................................................................................ 75 7.1 主要结论 ............................................................................................... 75 7.2 研究展望 ............................................................................................... 76 万方数据 贵州大学 2017 届硕士学位论文 I 特厚复合顶板失稳机理及其控制研究特厚复合顶板失稳机理及其控制研究 摘要 煤巷特厚复合顶板支护一直以来都是煤炭回采过程中的难题，若支护不当， 将会发生大面积冒顶事故，对人民生命和财产造成了极大损失。随着采深的逐年 增加，其顶板问题越来越严重。为了解决该支护难题，保证矿井安全生产，本文 通过理论分析、数值模拟和工程实践方法，研究了不同条件、不同因素和不同支 护方式对特厚复合顶板失稳破坏规律的影响。具体研究成果如下 （1）通过岩体力学、弹性力学等手段分析了特厚复合顶板离层、错动、断 裂破坏的力学机理，得出了顶板的薄弱位置位于岩梁的两端和中间；同时，基于 拱-梁支护理论和应力均衡理论，论述了“在理论上，采用锚网索支护对特厚复 合顶板是可行的”结论。 （2）特厚复合顶板层间错动位移两边大于中间，两边的错动剪应力大于中 间；侧压系数越大顶板越容易破坏，但其几乎不影响顶板的破坏规律及最终的破 坏形态；随着角度的增大，围岩稳定性变差，主要表现在上边界岩体稳定性变差 上边界出现拉破坏单元较多，岩梁纵向破坏严重。 （3）合理选择锚杆（索）支护角度对特厚复合顶板控制是有利的；优化支 护角度后的锚网索支护与注浆配合效果会更好；相同条件下，顶板两边注浆仅比 顶板全面注浆位移大 5，优化支护时，可选择前者；沿空掘巷条件下，巷道矿 压显现较为缓和，帮部变形严重，总体来说沿空掘巷对支护难度和支护成本的降 低均是有利的。 （4）以新田煤矿、桂箐煤矿和陈四楼煤矿支护为例，通过多次方案调整和 试验优化，得出了一般浅埋特厚复合顶板支护是可行的，而浅埋松软破碎和深埋 特厚复合顶板采用“锚网索钢带”方案通常是失败的，主要原因是锚杆（索） 抗剪强度较低、锚固力不足以及锚固体在锚固过程中发生弱化；此时，要保证围 岩稳定还需补充注浆、喷浆和 U 形可缩式支架等补强梯次支护才能解决问题。 关键词特厚复合顶板；锚杆；注浆；支护；数值模拟 万方数据 贵州大学 2017 届硕士学位论文 II Study On Deation Mechanism and Its Control in Mining Roadways with Extra Thick compound Roof Abstract In the process of coal mining，supporting of extra thick compound roof has been a difficult problem. If support is unreasonable, it will happen in large area roof caving. The disasters caused great loss to peoples life and property. With the increase of mining depth, the problem is becoming more and more serious. In order to solve the problem and ensure the mine safety , This paper studies the failure rule of extra thick compound roof Under the influence of different condition, different factors and different supporting . Research content is as follows Using theoretical calculation s of Rock mass mechanics and Elastic mechanics, this article analyzed mechanism of abscission layer, dislocation, fracture damage mechanics of the extra thick compound roof.it is concluded that the roof of the weak position is the ends and the middle in the rock beam. At the same time, based on the arch beam supporting theory and stress equilibrium theory, this paper discusses that thick compound roof use anchor net supporting is feasible in theory. In rock beam of the extra thick compound roof ,movement displacement and shear stress on both sides is greater than the middle. The greater the lateral pressure coefficient is, The easier the rock beam damage is,however, their damage rule is basically consistent. With the increase of Angle of roof , the stability of surrounding rock will be more weak. Reasonable bolt supporting angle is advantageous to extra thick compound roof’ control. Grouting on both sides of the roof compared with full face roof grouting, The er deation displacement is only 5 larger than the latter. Under the condition of roadway driving along goaf ,roadway pressure appear softer, On the whole, Supporting the difficulty and cost decreased,it is beneficial. Through three mine engineering examples, this article analyzed the applicable condition of several kinds of supporting schemes. KEY WORDSExtra thick compound roof; Bolt; Grouting; Support ;numerical simulation. 万方数据 第一章 绪论 [1]1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 2010 年国内已探明的煤炭地质储量为 1.5 万亿吨，预计储量 4 万亿吨。埋藏 深度小于 600m 的储量约为 1.1 万亿吨，已开采约 1 万亿吨；埋藏深度在 6001000m 之间煤炭储量约 0.8 亿万吨，已开采约 0.5 亿万吨；埋藏深度在 10001500m 之间煤炭储量约 1.1 亿万吨，已开采约 0.1 亿万吨；埋藏深度在 15002000m 之间煤炭储量约 1.21 亿万吨，目前这部分几乎未开采；这组数据说 明我国煤炭储量丰富，采矿工程活动将持续进行[1]。巷道作为煤矿井下的运输通 道，一直在矿井开采中担负着至关重要的角色。随着采深的逐年增加，矿山顶板 支护问题日益严重，冒顶事故频发[2]。公开资料显示，2014-2015 年我国顶板事 故发生 21 起，死亡 81 人[3]，造成了极大的人员伤亡和财产损失。 我国 2009-2015 年煤矿安全事故统计数据表明（见图 1.1a、b），顶板事故 在历年事故中占比较大，死亡人数占煤矿事故总数的 9，事故发生频次占煤矿 事故总数的 21[3, 4]。其中，复合顶板冒顶事故占据比例较大，原因是我国矿山 复合顶板数量占顶板总数的三分之一左右，数量较多，且其破坏机理复杂，较难 支护。特厚复合顶板属于复合顶板的一种，其巷道变形破坏机理更复杂、支护难 度更大、极易发生大面积冒顶事故。这不仅存在更大的安全隐患，而且导致支护 成本与维护成本大幅很高。 a 煤矿顶板事故死亡人数占比图 b 煤矿顶板事故占比图 万方数据 图 1.1 20092015 年我国煤矿顶板事故死亡人数及发生频次占比饼状图 在西部地区，由于地质构造复杂、地下水赋存较多[5]，使得特厚复合顶板的 支护难度进一步加大。总之，顶板问题不仅造成了较多的人员伤亡和财产损失， 而且严重影响了采矿效率。因此，开展该方面的研究很有必要。 1.1.2 研究目的及意义 中国是世界上煤炭资源蕴藏最丰富的国家之一， 也是世界上最大的煤炭生产 国和消费国。目前，煤炭在我国能源结构中占比为 69，预计到 2050 年占比仍 将保持在 50左右。 虽然近年来我国对煤炭使用量有所控制， 但在未来几十年中 国仍然将“保持以煤炭为主体的能源战略”；中国工程院在报告中提出 2050 年 煤炭年产量可控制在 30 亿吨[6]，数量仍然巨大。可见，煤炭仍将长期作为我国 的主导能源。随着开采技术逐渐发展为机械化、智能化，各个矿井正在努力实现 高产高效。巷道的稳定与畅通是矿井高效开采的关键，而特厚复合顶板如何安全 经济地支护是目前亟待解决的问题。同时，随着煤炭资源的耗竭和人们对煤炭资 源的持续需求之间的矛盾日益突出， 我们将被迫开采条件极差的特厚复合顶板矿 井煤炭，特厚复合顶板支护问题将更为突出。研究特厚复合顶板破坏机理，一方 面能为巷道支护设计提供理论依据，另一方面也能完善和补充复合顶板支护理 论。其最终目的是，确保矿井安全和节约经济成本的同时，为国家和人民持续供 应足够数量的煤炭。 因此， 研究合理的特厚复合顶板支护方法， 对我国矿井安全、 能源供应、节约成本等都具有极其重要的意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 复合顶板的分类 以前复合顶板仅分为薄层复合顶板和厚层复合顶板， 薄层复合顶板一般厚度 小于 2ｍ,厚层复合顶板一般大于 2ｍ[7-14]。对于支护来说，薄层复合顶板一般采 用合理的锚网支护就能解决问题， 而厚层复合顶板则需要在锚网支护的基础上再 用锚索进行补强支护才能解决问题[15, 16]；我们也可以用复合顶板的厚度是否超 万方数据 地下水 过支护锚杆的有效长度来简单判断复合顶板是薄层还是厚层。 当厚层复合顶板厚 度达到十几米时，其支护锚索的长度不足以伸入到顶板稳定的岩层中，鉴于这种 情况更难支护且具有一定独特性质， 苏学贵博士等在其博士论文中提到了特厚复 合顶板的概念[17]。综上所述，本文将复合顶板分为薄层、厚层和特厚层三种类 型。 1.2.2 特厚复合顶板的概念及特征[18-24] 复合顶板的概念的定义较为广泛， 学者们的见解各有差异。 大多数学者认为， 复合顶板是由软硬相间的薄岩层组成， 且岩性较差、 层间粘结力较低、 容易离层。 特厚复合顶板是复合顶板的一种，其厚度较大，一般该厚度超过了其支护锚索的 长度。中国矿业大学龙景奎和刘刚教授[25]认为，大于 8m 的复合顶板是比较难支 护的；太原理工大学苏学贵博士[17]认为，软弱层状岩层累计厚度大于 8m 的顶板 可称为特厚复合顶板； 因此， 本文以累计厚度大于 8m 的复合顶板作为研究对象。 参阅国内外资料，复合顶板的特征列举如下①顶板岩层为软硬互层，各岩层间 物理力学性质相差较大，包括弹模、抗拉、抗压、抗剪强度等；②岩层总体强度 低，远小于上部稳定岩层岩性，各岩层自稳能力差，松散易碎，整体性弱；③岩 层节理裂隙发育，抗剪强度低，易发生离层破坏；④各岩层孔隙度大，容重小， 内应力超过自身的抗压强度，易产生塑性和膨胀变形；⑤复合顶板与上部稳定岩 层之间存在软弱层，一般为不可开采的薄煤层，上层煤与下层煤之间夹着复合顶 板， 支护较困难； ⑥各岩层赋存状态变化较大， 层间粘结力几乎为零， 摩擦力小， 极易产生错动与离层。特厚复合顶板特征总结如下 （1） 特厚复合顶板直接顶厚度大于 8m， 且整体强度较低， 一般为 10-30MPa。 （2）特厚复合顶板直接顶与老顶之间一般夹有一层较软的薄煤（少数情况 薄煤被软岩替代）。 （3） 特厚复合顶板直接顶由很多薄岩层累积而成， 薄岩层厚度一般小于 1m， 部分小于 0.5m。 万方数据 1.2.3 特厚复合顶板存在的问题[21, 26-28] 特厚复合顶板是由强度较低、厚度较小的多层软弱层状岩层相间构成。它存 在以下问题①各岩层软硬相间，物理力学性能相差悬殊，巷道开挖后，由于岩 层间变形不协调，容易发生离层破坏。②各岩层结构疏松，孔隙度大，各岩层松 散易碎，安设锚杆（索）时容易出现锚固力不足。③岩层总体强度低，自稳能力 差。④复合顶板中存在较多弱面，抗剪强度低，容易发生剪切破坏。由于复合顶 板岩层厚度较大， 自稳能力极差， 采用传统的锚网索支护难以有效控制围岩稳定。 金元集团桂箐煤矿采用的锚网索支护后，多次发生顶板大面积冒顶，冒落高度达 13m，长度达 10m，造成了重大顶板事故。因此，开展该类特厚复合顶板控制的 研究工作，对煤矿安全高效生产意义重大。 支护中存在的问题目前，特厚复合顶板采用两种支护方式一是锚网索 钢带（梁），二是锚网可缩式 U 型棚；在大多数情况下，采用现有的锚网索支 护巷道返修率较高，且容易发生冒顶，采用锚网索U 型可缩棚方式支护的巷道 虽然返修率较低， 但直接支护成本较高， 严重影响和制约了采矿生产效率； 另外， 在深埋矿井中，即使是锚网可缩式 U 型棚也不能保证巷道安全。因此，特厚复 合顶板的支护方式需要重新设计一整套经济合理、安全可靠的支护方案。 1.2.4 煤矿特厚复合顶板支护技术研究进展 近年来，随着煤炭采深的逐年增加，地应力不断增大，以及剩余矿产资源的 地质条件越来越复杂，使得特厚复合顶板支护难度进一步加大。下面对特厚复合 顶板相关领域的研究工作做简要介绍 苏学贵博士[17] 以锚杆、锚索支护为基础，以组合梁和组合拱为理论，研究 了特厚复合顶板拱梁支护结构和支护机理， 并在矿山应用中取得了良好的支护 效果。康红普院士[29]通过对煤矿巷道锚杆支护应用实例进行分析，指出对于复 杂困难巷道，应尽量实现一次支护就能有效控制围岩变形与破坏。研究表明，采 用高强、高预应力锚杆支护组合，能够有效控制顶板；当围岩的强烈变形时，可 以配合注浆加固方案。谷拴成、史向东[30]研究了煤巷复合顶板的变形破坏机理； 万方数据 问题 杨更社、赵涛[31]研究了复合顶板锚杆支护技术；马正乾、赵耀东[32]研究了特厚 松软破坏顶板灾变机理；赵国栋、马念杰[33]研究了大断面复合煤控制支护；曲 延嗣、张农、王卫东[34]研究了曲江矿厚层复合顶板控制方案；李爱军研究了深 部厚层复合顶板支护技术。 1.3 主要研究内容及技术路线 本论文在总结现有巷道支护理论与技术的基础上， 结合贵州省优秀科技教育 人才省长资金项目（黔省专合字（2011）36 号）“深部巷道灾害机理及支护研 究”，采用理论分析等多种手段，对特厚复合顶板的变形破坏特征及其稳定控制 技术等进行研究，包括以下内容结合课题方向，论文拟从以下几个方面展开研 究 （1）研究围岩二次应力分布规律及支护理论。研究方法利用理论力学、 岩体力学、弹塑性力学等相关理论，进行分析特厚复合顶板的薄弱位置，研究巷 道支护新理论，包括阐述围岩变形破坏过程和应力应变发展趋势等。 （2）研究特厚复合顶板离层破断机理。研究方法采用弹性力学、材料力 学等相关理论，进行分析岩体层间错动机理、断裂破坏机理，以及对特厚复合顶 板锚杆支护角度的确定方法进行论述。 （3）特厚复合顶板破坏过程二维数值模拟。研究方法采用 RFPA-Strata岩 层移动版数值模拟软件对特厚复合顶板破坏过程进行模拟，分析总结出顶板离 层破坏规律与特征及其破坏原因。 （4）特厚复合顶板破坏过程三维数值模拟。研究方法采用 RFPA-3D（工 程版） 数值模拟软件对特厚复合顶板破坏过程进行模拟，分析总结出顶板在三维 应力状态下的破坏规律及应力变化规律。 （5）特厚复合顶板流变过程分析。研究方法采用 RFPA-Greep蠕变版 数值模拟软件对特厚复合顶板破坏过程进行模拟， 分析总结出围岩破坏规律与时 间和空间的关系。 （复合顶板最终失稳的本质是围岩在时间过程中流变的结果。 ） （6）特厚复合顶板支护方案设计。设计方法基于理论和实验研究成果， 并参照国内外现有支护技术，对不同稳定等级的特厚复合顶板进行支护设计。 万方数据 （7）工程实践。工作内容通过去煤矿现场调研实践，对特厚复合顶板数 值模拟及理论分析结果进行修正和补充， 包括收集巷道围岩表面和深部的位移监 测数据等。 论文研究技术路线框图如图 5。 图 1.2 技术路线图 万方数据 第二章 锚杆应力均衡支护与围岩压力拱受力分析 煤巷特厚复合顶板支护一直以来都是煤炭回采过程中的难题，若支护不当， 将会发生大面积冒顶事故，对人民生命和财产造成了极大损失[35-40]。 本章节基于 应力均衡支护理论，以锚杆支护和围岩压力拱为对象进行研究，旨在预测岩体的 自承能力及围岩的稳定，为特厚复合顶板支护设计和巷道施工提供参考。 2.1 锚杆（索）支护理论简介[41, 42] 锚杆支护是全世界巷道支护的主要方式，其优点是成本低、操作简单、效果 好。随着支护技术的快速发展，支护理论成果很丰富，包括悬吊理论、组合梁理 论、加固拱理论，最大水平应力理论，围岩松动圈理论，围岩强度强化理论，叠 加承载拱强度理论，高预应力强力支护理论，耦合支护理论，但这些理论都有其 适用条件，都在不同程度上受到局限性。 悬吊理论认为，当锚杆（索）可以锚固在顶板稳定岩层中时，其作用是悬吊 顶板下方不稳定的岩层。该理论的不足是，安装的锚杆（索）仅考虑了承载下方 松散岩层的重量，没有考虑其还要承载岩层变形和离层的膨胀力；由于特厚复合 顶板厚度较大，多数情况锚索无法伸入