余吾煤业综放开采沿空留巷围岩控制理论与技术研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 I 余吾煤业综放开采沿空留巷围岩控制理论与技术研究 摘 要 为了解决我国经济快速发展所面临的能源问题，综放开采技术的推广 应用成为我国煤矿开采发展的方向，也是实现煤矿高产高效的重要途径。 同时，综放开采煤炭回采率低和瓦斯问题严重制约着我国煤矿高产高效的 发展。无煤柱沿空留巷技术，既是解决矿井可持续快速发展的方法之一， 又是我国煤矿绿色开采的方向。 本文以余吾煤业S1206 综放工作面为工程背景， 在总结我国沿空留巷开 采技术的基础上，运用力学理论分析、数值模拟以及现场工业试验等方法 对综放开采沿空留巷覆岩结构稳定性、围岩变形与应力场变化、围岩稳定 性控制等关键技术进行研究。论文各部分研究内容具体如下 （1）通过建立巷旁充填体与顶板相互作用力学模型，运用力学理论分 析综放开采沿空留巷合理的巷旁支护阻力和宽度， 得到S1206 综放工作面充 填体支护阻力为 7320KN/m，巷旁充填体宽度为 1.34m。 （2）通过建立煤帮界面应力计算模型，对综放开采沿空留巷煤帮稳定 性分析，得出无支护条件下，煤帮极限平衡区宽度为 3.1m，现有支护条件 下，煤帮极限平衡区宽度为 3.39m。 （3）运用数值模拟方法对S1206综放工作面回风顺槽在掘进、回采、 留巷等阶段巷道的围岩应力分布规律进行分析。根据数值计算结果，确定 了合理的巷旁充填体水灰比为11.5、宽度为1.5m。 太原理工大学硕士研究生学位论文 II （4）基于S1206 综放工作面回风顺槽围岩结构特征，结合沿空留巷围 岩控制理论对综放开采沿空留巷支护设计，并给出了具体支护参数。现场 工业试验表明，该支护方案能够地有效地控制巷道围岩的稳定，取得良好 的经济效果。 关键词沿空留巷，力学模型，围岩控制，充填工艺 太原理工大学硕士研究生学位论文 III ANALYSIS ON SURROUNING ROCK CONTROL THEORY AND TECHNOLOGY OF GOB-SIDE ENTRY RETAINING UNDER MECHANIZED FULLY MINING IN YUWU COAL MINE ABSTRACT In order to solve the faced energy problems which are resulted in the high-speed developing economics, the fully-mechanized caving face technology popularization and application has become the developing direction of the coal mining in our country. But along with the increasing mining depth and the strength mining, low coal recovery rate and the gas problem restricted seriously the high-production, high-efficiency and high-safety development of our Chinas mines. It carried out without coal pillar along the gob-side entry retaining technology. Such way is one of the most effective solutions to the coal mine sustainable and rapid development, meanwhile is also the developing direction of the green mining of coal mine in our country. Based on S1206 fully-mechanized caving face of yuwu coal mine, this paper makes full use of the theories of rock mechanics and numerical optimizing analysis, numerical analysis and locale experiments. It makes full study of the mechanics of the relief retaining roadways in fully-mechanized caving face, the surrounding rock control technology, supporting parameters and so on for the key and technical problem. The main research results are as follows 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV 1Using the theory of mechanics analysis for the reasonable support resistance and the width of filling body, it gets S1206 face filling body of cutting resistance of 7320 KN/m, the filling-body width on the theoretical calculation results is 1.34m. 2Stability of coal for the help of analysis, it is concluded that under the condition of no support, coal to help limit equilibrium section width of 3.1m, supporting conditions, the existing coal help limit equilibrium zone width is 3.39 m. 3Using numerical simulation for filling body of different width along the rock stress distribution law of gas thick coal seam composite roof condition, it were determined under the reasonable width of filling body and intensity. In combination with the results of numerical simulation, when the high water material water cement ratio of 1.51, the width of the filling body is 1.5 m. 4Based on the rock characteristics of the 1206 fully-mechanized caving face, it analyzed the support technology problem, and identified the supporting technology of the specific design parameters, the on-site industrial results demonstrated the design schemes and control countermeasures controlled the stability of surrounding rock, achieved the success of gob-side entry retaining technology, and the field application has achieved remarkable technological economic yielding. KEYWORDS gob-side entry retaining, mechanical model, surrounding rock control technology, filling technology 太原理工大学硕士研究生学位论文 V 目 录 摘 要...................................................................................................................................I ABSTRACT......................................................................................................................III 第一章 绪论.......................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义..................................................................................................1 1.2 综放开采沿空留巷国内外研究现状..................................................................2 1.2.1 综放开采沿空留巷顶煤活动规律研究现状...........................................2 1.2.2 综放开采沿空留巷围岩变形规律和破坏机理研究现状.......................3 1.2.3 综放开采沿空留巷围岩稳定控制机理及技术研究现状.......................5 1.3 研究内容..............................................................................................................7 1.4 研究方法与研究技术路线..................................................................................7 第二章 综放开采沿空留巷覆岩结构稳定性分析.........................................................10 2.1 综放开采沿空留巷顶板变形规律分析............................................................10 2.2 综放开采沿空留巷实体煤帮稳定性分析........................................................13 2.2.1 力学模型建立.........................................................................................13 2.2.2 极限平衡区宽度影响因素分析.............................................................15 2.3 综放开采沿空留巷充填体变形规律分析........................................................18 2.4 本章小结............................................................................................................20 第三章 综放开采沿空留巷围岩变形与应力场变化数值模拟分析.............................22 3.1 三维数值模型的建立........................................................................................22 3.1.1 工作面概况.............................................................................................22 3.1.2 数值模拟模型的建立.............................................................................23 3.2 数值模拟分析....................................................................................................24 3.2.1 巷道开挖后的数值模拟分析.................................................................24 3.2.2 采动影响下数值模拟.............................................................................27 3.2.3 沿空留巷期间数值模拟分析.................................................................29 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 3.2.4 充填体宽度对围岩变形的影响分析.....................................................31 3.3 本章小结............................................................................................................35 第四章 综放开采沿空留巷围岩稳定控制研究.............................................................38 4.1 综放开采沿空留巷巷内支护原理....................................................................38 4.2 综放开采沿空留巷巷内支护技术研究与实践................................................39 4.2.1 巷内锚杆支护参数确定.........................................................................39 4.2.2 巷道顶板支护设计.................................................................................43 4.2.3 巷道煤帮支护设计.................................................................................43 4.3 本章小结............................................................................................................45 第五章 工业试验.............................................................................................................47 5.1 工程地质概况....................................................................................................47 5.2 巷旁充填工艺....................................................................................................48 5.3 充填体稳定控制................................................................................................51 5.4 矿压观测及实施效果分析................................................................................53 5.4.1 矿压观测.................................................................................................53 5.4.2 实施效果分析.........................................................................................55 5.4.3 现场应用情况.........................................................................................58 5.5 技术经济与社会效益分析................................................................................58 5.5.1 技术经济效益分析.................................................................................59 5.5.2 社会、生态效益分析.............................................................................60 5.6 本章小结............................................................................................................60 第六章 主要结论及展望.................................................................................................63 6.1 主要结论............................................................................................................63 6.2 展望....................................................................................................................64 参考文献...........................................................................................................................65 致谢...............................................................................................................................71 附录 A攻读硕士期间发表的学术论文..........................................................................72 附录 B攻读硕士期间参与的科研项目..........................................................................72 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 近年来，随着我国国民经济的飞速发展，对各种矿产资源的需求急剧增加，煤炭在 我国能源消耗中所占比重也越来越高[1-3]， 在未来几年我国以煤为主的能源结构格局不会 发生较大的改变。另外，现代化的大型特大型矿井日益增多，开采强度比以往矿井有很 大提升，工作面回采中的矿压显现程度及影响范围也比以往增大。伴随着矿井深部开采 及高强度开采，为维护巷道稳定而留设的护巷煤柱也有增大趋势。同时，随着综放开采 工作面推过后端头顶板不能充分垮落，极易造成上隅角瓦斯超限，这种问题在高瓦斯矿 井中尤为突出。综合考虑上述问题，综放开采沿空留巷无疑是解决上述问题的主要方法 之一。 综放开采沿空留巷是采煤方法的一项重大技术革新，早在 20 世纪 50 年代初期，该 项技术在苏联、英国、德国等国家开始进行试验和应用。我国在 20 世纪 80 年代初期煤 炭部发布关于推行无煤柱开采的暂行规定以来，我国科研院所和煤炭企业进行大力 开展综放开采沿空留巷试验研究。 经过多年的井工开采中沿空留巷方式的研究与应用，总结出综放沿空留巷的优点 [4] 有利于充分利用煤炭资源；有利于改善巷道维护；有利于减少巷道掘进尺寸；有利 于矿井安全生产。 作为无煤柱护巷，受工作面两次采动影响，巷道所处围岩力学环境十分复杂，矿压 显现程度更为剧烈，巷道维护比普通巷道维护难度大，综放开采沿空留巷虽然能解决上 述问题，但同样在理论、技术及实施上具有一些不太成熟。 潞安环能股份开发有限公司余吾煤业是现代化的特大型矿井， 矿井主采煤层为3号， 平均厚度 6m，顶板由泥岩和粉砂质组成为；采用综放开采。相邻两采面间煤柱留设一 般为 20m 以上， 造成压煤较多， 浪费大量的煤炭资源， 而且工作面回采巷道支护难度大、 支护成本，另外留设的煤柱容易自燃造成隐患，围岩控制难度大。这些问题已经成为该 矿井发展的最大障碍。该矿以安全绿色高产高效为根本出发点，为解决 S1206 综放工作 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 面围岩的稳定性问题， 经研究决定在 S1206 综放工作面回风顺槽试验综放开采沿空留巷 技术。因此本文对综放开采沿空留巷围岩控制理论与技术进行系统研究十分必要。 1.2 综放开采沿空留巷国内外研究现状 根据我国科研工作者及现场技术人员的研究和实测，沿空留巷沿巷道走向的矿压分 布、矿压显现规律以及沿空留巷现场试验结果已逐步完善[5-8]。然而，综放沿空留巷和较 大采高的沿空留巷支护机理及围岩稳定性的研究和实践处于初期阶段[9-12]，尤其对于综 放开采沿空留巷相关理论不太成熟，因此，很有必要进行研究。 1.2.1 综放开采沿空留巷顶煤活动规律研究现状 综放开采沿空留巷与综采沿空留巷相比，最大区别就是综放留巷巷旁充填体上方为 煤层。近年来针对回采沿空巷道顶煤活动规律的研究，由于工作面端头沿空巷道和巷旁 充填体上方的顶煤和顶板活动规律，还有待于深入研究与进一步理解。 针对放顶煤开采围岩控制这个课题，国内许多科研院所学者进行相似模拟实验和现 场试验对回采过程中顶煤的稳定性机理进行研究，对顶煤稳定性机理有了较为透彻的理 解，比较有代表性的研究结论如下 吴健、于海勇[13-15]等学者通过现场观测认为，顶煤移动全过程可分为两个阶段（如 图 1-1），即跨落前和跨落后阶段。 IIb -4-202468 III IIa 200 400 600 800 1000 总位移/mm 与煤壁距离/m -6 图 1-1 顶板移动过程[13-15] Figure 1-1Roof active process 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 康立军等[16-17]对顶煤破坏理论后认为，在距煤壁位置 6m 处垂直应力达到峰值，在 采面位置后方缓慢降低。水平应力在煤壁前 17m 达到定值。 王庆康、张顶立[18-20]等采用数值计算方法对放顶煤采面中部顶煤的运移机理进行了 研究。认为，顶煤破碎的主要原因是工作面前方顶板中的压力和充填体共同作用。 于政喜[21]等通过数值计算法研究了顶煤破碎机理。结论认为，顶煤的破碎分为 3 个 阶段（图 1-2）。 σ 三阶段二阶段一阶段 原始应力 距煤壁距离 支承压力 图 1-2 顶煤破坏过程划分[21] Figure 1-2Phasing top coal damage 阎少宏[22-23]在通过现场实测分析认为，对顶煤进行了从工作面到采空区依次划分为 准弹性区、塑性区和散体区。 谢文兵[24]教授认为，综放留巷中围岩的位移由顶板变形、底板变形和煤帮变形三部 分组成。 以上研究主要在薄及中工作面顶煤活动规律方面进行研究， 而综放沿空留巷顶煤活 动规律的研究现状相对较少， 两者差别主要是综放沿空留巷必须控制巷道及充填体上方 的顶煤下沉、变形。 1.2.2 综放开采沿空留巷围岩变形规律和破坏机理研究现状 1950 年初我国各大煤矿企业进行沿空留巷试验， 根据沿空留巷不断发展和更新， 系 统总结后可以发现我国沿空留巷的发展划分为四个阶段[25-26] 第一阶段50 年代初到 60 年代，沿空留巷技术首先在薄煤层中进行试验和应用， 这时由于煤矿支护材料和技术的落后，以及机械化程度较低等因素的制约，沿空留巷技 术处于较低水平。 第二阶段60 年代初到 70 年代，将沿空留巷技术逐渐应用到中厚煤层开采中，并 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 且此阶段由于支护材料和技术的进步， 出现了密集支柱， 料石等材料可以作为巷旁支护。 第三阶段70 年代初到 80 年代内，随着综采技术的应用，沿空留巷逐步应用到的 综合机械化开采中。 第四阶段在 2000 年以后的时期内，由于支护材料及理论的发展，推动了沿空留 巷进入了新的阶段。这个阶段我国煤矿巷道普遍推广锚网索支护技术，属于主动支护技 术，不仅可以发挥支护材料自身的支护能力。 另外高水充填材料是近年来沿空留巷中推广应用的一项新技术，由于沿空留巷巷旁 支护要求在支护初期具有较高的支撑力和工作阻力，并且能保持阻力不变，才能成功实 现巷旁支护。而国内外研究人员开发出的高水充填材料即满足了这一要求，而且经济指 标也优于其他巷旁支护材料，因此得到较多的推广和应用，解决了巷旁充填的难题，克 服了传统巷旁充填技术的缺点，成为沿空留巷近年的一个发展方向。 国内沿空留巷理论研究随着采煤技术和巷道支护技术的发展也有了很大发展。国内 沿空留巷也一直是学界的一个研究热点，我国很多学者从不同的角度，运用不同的理论 对沿空留巷的理论作了大量的研究，比较有代表性的研究成果总结如下 孙恒虎教授[27]运用弹塑性力学的理论，对采场顶板进行了简化，认为顶板围岩间的 粘结力近似为零，故可以将顶板简化为层状组合板，并通过力学计算推导，得出沿空留 巷巷旁充填体的工作阻力荷载主要来自于层状组合板短支撑边界。 李化敏教授[28]总结出了对应的巷旁支护目的和巷旁支护的工作阻力计算公式， 提出 了对应的巷旁支护设计原则。 柏建彪教授[29]通过工业试验的基础上， 推导出巷旁充填体力学参数计算模型和计算 公式。 华心祝教授[30-31]从理论的角度，采用理论力学和材料力学相结合的办法，提出了采 用锚索加强巷旁支护和巷旁密集支柱联合支护的方法，实现沿空留巷顶板的稳定控制。 最后将该理论研究成果，应用到淮南矿区某矿中，取得成功的应用。通过实践验证了该 力学模型缩得出的有益的结论，其研究成果丰富了我国无煤柱开采技术，适用于大采高 煤层顶板的沿空留巷实践。 张东升教授、马立强教授[32-33]等采用数值计算法，给出了充填带宽度和充填材料抗 压强度的最低要求。 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 郭育光教授[34]等研究认为，巷旁支护应当随着工作面的推进，在不同时期根据矿压 显现的规律有不同的工作阻力。在工作推进初期，也就是直接顶活动期，巷旁支护应当 在工作面刚推过即能具有较高的工作阻力，直接顶来压后能够将直接顶切落，避免直接 顶悬伸造成巷旁支护阻力变形过大。 随着工作面继续推进， 基本顶逐渐来压， 这一时期， 巷旁支护的工作阻力应当可以切断基本顶，减小基本顶对巷内支护及巷旁支护的压力。 1.2.3 综放开采沿空留巷围岩稳定控制机理及技术研究现状 （1）国外沿空留巷技术研究的现状 以前巷旁支护主要有打木垛、 砌矸石充填体、 混凝土块体砌筑等构筑充填体的方法， 由于以上支护方法存在机械化程度低、支护可密封性差（采空区漏风）、支护效果差， 已基本被淘汰。目前在煤矿中广泛应用高水材料充填充填体，这些支护形式可以实现工 作面推进与支护相匹配关系，减轻人工劳动力，降低成本，支护效果较好，对采空区封 堵较好，漏风少。 前苏联在进行工业化建设时期，为满足国家工业对能源的需求，煤炭企业为提高生 产效率，进行了很多无煤柱开采方面的研究，其成果主要集中在理论计算和实验量测两 个方面。 推导出了沿空留巷维护的一些关键参数以及不同岩性和采场条件下的围岩移近 量等的理论计算公式和经验估算方法。 其中苏联学者 B.胡托尔诺依将采场矿压悬梁模型 推广到沿空留巷的研究中，推导出巷旁支护切断直接顶的工作阻力计算式[36-37]。 德国也广泛应用综放沿空留巷， 近年来根据能源赋存特点， 对充填材料进行了研究， 研发出的膏体低水材料广泛应用于煤矿中，取得了良好效果[38-39]。 英国大部分煤层较薄，1979 年之后用高水材料在井下进行了试验，试验成功之后， 在英国煤矿中进行了推广应用。英国南威尔斯大学斯麦脱Smart于 1982 年提出的岩梁 倾斜理论。这种方法的基本思想是限制巷道煤体一侧到采空区边缘之间的顶板的下沉 量，提出了巷旁支护设计的两个重要参数的观点[40-41]。 波兰在进行煤炭开采时，也进行了一定的沿空留巷技术研究与应用，取得一定的成 果。 综放沿空留巷经过多年的发展， 取得了一定的成功， 目前多集中在薄及中厚煤层中， 而对综放开采沿空留巷的研究与应用相对较少。 因此有必要对综放开采沿空留巷围岩稳 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 定机理与控制技术进行系统的分析，为综放开采沿空留巷围岩稳定性控制提供依据。 （2）目前国内外在沿空留巷研究与应用中存在的主要问题 ①巷旁支护初撑力小； ②密闭性差； ③机械化程度低，工人劳动强度大，施工速度慢； ④系统复杂； ⑤支护设计思路问题； ⑥巷内与巷旁支护方式选型和参数的选择上不够合理； 1.3 研究内容 本文以余吾矿 S1206 工作面的具体地质条件，进行综放开采沿空留巷围岩控制理论 与技术研究。具体进行以下几方面研究 （1）综放开采沿空留巷覆岩结构稳定性分析 建立综放沿空留巷覆岩结构模型，计算出围岩变形量以及确定了变形的影响因素； 建立巷道煤帮界面应力计算模型，计算出煤帮极限平衡区宽度，分析煤帮极限平衡区宽 度影响因素；建立巷旁充填体与顶板相互作用的力学模型，理论计算出合理的支护阻力 和充填体宽度，为沿空留巷围岩稳定控制提供了依据。 （2）综放开采沿空留巷围岩变形与应力场变化数值模拟分析 运用 flac 数值分析综放开采留巷不同阶段围岩变形与应力分布特征，运用数值模拟 对不同水灰比和不同充填体宽度下，综放开采沿空留巷围岩应力分布和位移的变化规 律。 （3）综放开采沿空留巷围岩控制技术研究 根据综放沿空留巷构建的围岩与充填体结构模型及综放沿空留巷围岩稳定性分析 结果，结合余吾矿 S1206 工作面工程地质条件，提出了控制围岩结构稳定及采动压力影 响的留巷的支护技术、巷道加固方案和充填体稳定性控制技术。运用数值软件 FLAC 对 留巷过程应力分布与变形规律的展开分析，并对模拟各种支护方案的控制效果，形成沿 空留巷围岩控制技术，以指导现场的实践应用。 （4）综放开采沿空留巷工业试验分析 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 根据综放沿空留巷的地层结构及巷道支护方式， 在余吾矿现场试验条件研究的基础 上，对巷道围岩变形量进行观测，及时观测数据进行处理后，分析各个阶段矿压的变化 特征。在 S1206 进行综放开采沿空留巷的工业试验，检验研究结果的正确性。 1.4 研究方法与研究技术路线 研究方法如下 （1）理论分析。从余吾煤矿 S1206 工程地质和开采条件等诸多方面入手，建立综 放沿空留巷巷旁充填体和顶板相互作用力学模型， 从理论上确定留巷巷宽和合理的巷旁 支护阻力。 （2）数值计算法。采用数值计算软件，研究不同宽度充填体对沿空留巷围岩稳定 性的影响，确定墙的变形量与其承载能力之间的关系，最终确定了高水材料水灰比、合 理的巷旁充填体宽度等。 （3）工业试验与矿压观测。在余吾煤矿 S1206 综放工作面进行了现场试验，同时 进行巷道矿压矿压观测，进一步评价沿空留巷在余吾煤矿的适应性； （4）沿空留巷在余吾煤矿 S1206 综放工作面应用的经济效益进行分析。 论文技术路线如图 1-3 所示 图 1-3 论文流程图 Figure1-3 Process of the paper 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 第二章 综放开采沿空留巷覆岩结构稳定性分析 在沿空留巷过程中，顺槽围岩的变形、运移和破坏是一个极其复杂的过程，实现围 岩稳定性控制，合理控制沿空顺槽的变形量是沿空留巷成功与否的核心，是实现顺槽满 足使用要求的关键所在。顺槽的围岩变形是多种因素共同作用的结果，本章通过力学分 析，确定其变形的影响因素，并计算出合理的支护阻力和充填体宽度，为沿空留巷围岩 稳定性控制提供了依据。 随着综放开采沿空留巷回采过程中，当煤层采出后，如果直接顶上覆老顶围岩相对 较薄，而直接顶垮落后不能充满采空区，那么围岩破断将会向上发展，只有更高的顶板 跨落才能维系整个采场岩体的平衡。综放开采沿空留巷上覆围岩垮落稳定后，上覆围岩 载荷主要由老顶承担，沿空留巷位于关键块块体 B 下方时，有利于充填体保持稳定[42]。 2.1 综放开采沿空留巷顶板变形规律分析 针对余吾煤业 S1206 综放开采沿空留巷具体情况，建立综放沿空留巷覆岩结构图 2-1。 图 2-1 综放沿空留巷覆岩结构 Figure 2-1 Structure overlying rock mechanical model of mechanized caving gob-side entrying 为了分析综放开采沿空留巷顶板变形规律，便于计算，将图 2-1 中隐去直接顶，可 建立围岩变形预计模型[43-4