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硕士学位论文 自然沿空留巷方法可行性研究与工程实践 Feasibility Study on Natural Gob-Side Entry Retaining and Engineering Practice 作 者程 星 导 师郑西贵 教授 中国矿业大学 二〇一九年五月 国家自然科学基金面上项目资助（51574226） 江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD） 中国矿业大学学科前沿科学研究专项（2017XKQY047） 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD353 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 自然沿空留巷方法可行性研究与工程实践 Feasibility Study on Natural Gob-Side Entry Retaining and Engineering Practice 作 者 程 星 导 师 郑西贵 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 岩体力学与岩层控制 答辩委员会主席 陆菜平 评 阅 人 盲审 二〇一九年五月 万方数据 致致 谢谢 彭城春日，天朗气清，身处校园中，细数在矿大求学七年时光。这里的一切都在塑 造着我的精神，烙印在我的成长道路上。我相信，在中国矿业大学的经历值得我铭记一 生。 首先感谢我的导师，郑西贵教授，他优秀的做人品质、严谨的治学态度、谦逊的处 事风格以及忘我的工作精神都潜移默化地影响着我。从论文的开题、研究方向的确定到 最终的成稿，每一步都饱含着老师的谆谆教诲。很多次老师会关切地询问论文的进展情 况，指导我关键问题的解决思路。正是老师严格的要求、和蔼可亲的教导，使我有了前 进的动力。研究生的三年学习时光，正是在老师极具人格魅力的带领下，心怀梦想脚踏 实地地走过。 感谢山西古县老母坡煤业有限公司的刘春雷总工及曹伟康科长在现场实践和基础 资料收集方面所给予的帮助和指导， 感谢技术科杨志强、 王进锋等人对科研项目的支持， 在校外实践的过程当中，我感受到独属于矿业工作者的豪爽与洒脱，同时他们身上坚忍 不拔的精神也深深地影响到我。 论文的成稿离不开巷道围岩控制课题组的老师、同门师兄弟的无私帮助，忠心感谢 姚强岭教授、冯晓巍讲师、种照辉讲师等在课题组内部答辩时给予的指导，感谢郭玉博 士、安铁梁博士在论文思路上给予的意见，感谢刘灿灿博士、朱登兴硕士等在论文写作 及数值模拟过程中给予的帮助，特别感谢马昂硕士、李之尚硕士、王刚硕士、王济宇硕 士、段强强硕士、许梦斌硕士等同门师兄弟在资料收集、实验操作等方面的做出的工作 与帮助，在巷道围岩控制课题组与这样一群优秀的人共事是我的荣幸。 感谢矿业工程学院、深部煤炭资源开采教育部重点实验室、采矿系的各位老师、领 导在科学研究上的支持与指导， 感谢他们为学生提供的优越的科研平台和良好的生活环 境。感谢我的家人，他们无私的爱与支持，是我在自己成长的道路上最坚强的后盾。 勤奋求实进取奉献的矿大校风，好学力行、求是创新、艰苦奋斗、自强不息的矿大 精神都在指引着我前进的方向， 我将在中国矿业大学其独特魅力的影响下真正成为一名 矿大人，我为身为矿大学子而自豪。 最后，向百忙之中审阅本文和参加论文答辩的各位老师致谢，由于本文水平有限， 文章中难免有谬误之处，还望专家、教授斧正，不甚感激 程 星 2019 年 5 月 万方数据 I 摘摘 要要 沿空留巷是煤矿解决煤炭资源采出率低， 采掘接替不协调等问题的常用方法 之一，其中无充填墙体、无煤柱、组合支架被动切顶的自然沿空留巷方法以其较 好的技术经济优势得到广泛应用，在山西老母坡矿、兰花宝欣矿等 30 多个工作 面进行了工业性试验，均取得较好的留巷效果。本文以老母坡矿 2104 工作面和 5101 工作面为工程背景，研究自然沿空留巷方法的可行性及适用性。 自然沿空留巷成功实施的关键在于侧向顶板的及时垮落， 因此本文研究了自 然沿空留巷的结构模型，并提出侧向顶板的极限垮落步距的计算方法。本文认为 沿空巷道围岩在受到采动影响的情况下，与巷内支护体系形成稳定的结构，将巷 旁支撑系统布置在顶板极限垮落距离内，能够提供足够的支撑阻力，保证侧向顶 板的及时破断，形成稳定的留巷空间。 以老母坡矿 5101 工作面为研究样本，分析沿空巷道顶底板的岩石物理力学 参数及巷内支护体系的力学特性， 在此基础上进行数值模拟分析， 分析结果表明 工作面回采后，采场附近超前工作面前方 1020m 范围内应力急剧升高，超过此 范围应力降低到原岩应力水平， 采空区后方应力逐渐稳定， 有一定残余支撑强度。 留巷空间内应力基本保持稳定，应力主要集中在巷道两帮，主要为采空区一侧。 整个回采过程中工作面顶板呈现分段渐次垮落的特征， 围岩变形量逐渐增大并趋 于稳定，变形速度先增大后减小。 在上述研究结果基础上，分析留巷空间内围岩稳定性的重要影响因素，设计 正交试验方案进行多因素模拟试验， 得出在不同影响因素组合的试验方案下巷道 围岩的相对移进率，建立工程条件和工程结果相对应的数据库，以层次分析法结 合模糊数学相关内容对数据库进行分析，建立巷道围岩变形的预测模型，得出各 影响因素的权值， 最终形成综合评价围岩分级标准并依据分级进行支护参数推荐。 论文研究成果与老母坡矿 2104 工作面的工程实践情况相互印证，从理论与 实践方面为自然沿空留巷方法的可行性与适用性提供了依据， 具有显著的社会经 济价值。 该论文有图 52 幅，表 18 个，参考文献 85 篇。 关键词关键词自然沿空留巷；侧向顶板垮落步距；影响因素权重；预测模型；围岩分 级 万方数据 II Abstract Gob-side entry retaining is one of common s to solve the problems such as low coal recovery ratio, mining and development replacement incoordination. Natural gob-side entry retaining, with hydraulic support but without filling wall or coal pillar, which is widely used because of technology economy advantage. Its advantages are proved by a series of industrial experiment in LaoMuPo Mine, LanHuaBaoXin Mine and so on. This paper investigates the feasibility and applicability of natural gob-side entry retaining based on the background of workface 2104 and 5101 in LaoMuPo Mine. The key to successful engineering practice is lateral roof collapse timely, so this paper study the structure model of natural gob-side entry retaining, and put forward the calculation of lateral roofs limit collapse drawing pace. This paper think that gob-side entry surrounding rock stable structure with support system in roadway beyond the influence of mining. Put the roadside support system in the range of roof limit collapse drawing pace, providing sufficient holding power, can ensure lateral roof breaking timely and stable gob-side entry space. Take workface 5101 in LaoMuPo Mine as a research sample, and analyse the rock physical and mechanical properties of gob-side entry retaining roof and floor, then develop numerical simulation on this basis. The analysis results show that after mining the stress increases drastically in front of stope, and the stress gradually decreased to rock stress when the distance is more than 40m. The stress in goaf is gradually stable with residual support strength. The stress in gob-side entry stay stable, and stay focus in roadway wall, mostly in goaf side. The whole process of mining present a characteristic of sensim collapse, which means the rock deation gradually increases then become stable, and the deation velocity increases at first then decreases. Based on the study mentioned above, analyse the important influence factors of gob-side entry stablities, and design orthogonal test to study multiple factors numerical simulation. The research result show different rock deations in different conditions, then build a database of engineering conditions and results. Combined analytic hierarchy process and fuzzy mathematics to research the database above, then build a prediction model of rock deation and calculate the factors weight, finally a standard of comprehensive uation and support parameter recommendation. The research result of the paper is mutual verification with engineering practice of 万方数据 III workface 2104 in LaoMuPo Mine, provide the feasibility and applicability evidences of natural gob-side entry retaining from theory and practice view. This paper is full of significantly social and economic value. Keyword Natural gob-side entry retaining; Lateral roof collapse drawing pace; Factors weight; Prediction model; Rock classification 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 .......................................................................................................................... I I 目目 录录 ........................................................................................................................ IVIV 图清单图清单 .................................................................................................................... VIIIVIII 表清单表清单 ........................................................................................................................ XIXI 变量注释表变量注释表 .............................................................................................................. XIIXII 1 1 绪论绪论 .......................................................................................................................... 1 1 1.1 研究背景与意义 ................................................. 1 1.2 国内外研究现状综述 ............................................. 2 1.3 存在的主要问题 ................................................. 6 1.4 主要研究内容与技术路线 ......................................... 7 2 2 自然沿空留巷覆岩结构演化规律研究与基础实验自然沿空留巷覆岩结构演化规律研究与基础实验 .............................................. 9 9 2.1 自然沿空留巷结构与力学特性 ..................................... 9 2.2 沿空留巷侧向顶板岩层破断机理 .................................. 15 2.3 岩层物理力学参数及主要支护材料性能测试 ........................ 21 2.4 本章小结 ...................................................... 31 3 3 自然沿空留巷方法数值分析与关键影响因素研究自然沿空留巷方法数值分析与关键影响因素研究 ............................................ 3333 3.1 数值模拟结果及分析 ............................................ 33 3.2 围岩稳定性关键影响因素分析 .................................... 39 3.3 正交试验方案设计与及影响因素权重分析 .......................... 42 3.4 本章小结 ...................................................... 45 4 4 自然沿空留巷围岩稳定性综合评价模型自然沿空留巷围岩稳定性综合评价模型 ............................................................ 4747 4.1 评价原则与评价方法 ............................................ 47 4.2 基于层次分析法的预测模型 ...................................... 48 4.3 围岩稳定性综合评判 ............................................ 54 4.4 本章小结 ...................................................... 55 5 5 老母坡矿老母坡矿 21042104 工作面自然沿空留巷工业性试验工作面自然沿空留巷工业性试验 .............................................. 5757 5.1 试验巷道生产地质条件 .......................................... 57 5.2 2104 工作面沿空留巷围岩控制技术 ................................ 58 5.3 留巷区域稳定控制效果监测 ...................................... 61 万方数据 V 5.4 小结 .......................................................... 66 6 6 主要结论主要结论 ................................................................................................................ 6868 参考文献参考文献 .................................................................................................................... 7070 作者简历作者简历 .................................................................................................................... 7575 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................ 7676 学位论文数据集学位论文数据集 ........................................................................................................ 7777 万方数据 VI Contents Abstract ......................................................................................................................... I Contents ..................................................................................................................... IV List of Figures ......................................................................................................... VIII List of Tables .............................................................................................................. XI List of Variables........................................................................................................ XII 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Research Background and Significance .................................................................. 1 1.2 Present Research ...................................................................................................... 2 1.3 Main Problem .......................................................................................................... 6 1.4 Main Research Content and Route .......................................................................... 7 2 Study on Evolution Law of Overburden Structure of Natural Gob-Side Entry Retaining ....................................................................................................................... 9 2.1 Structures and Mechanical Properties of Natural Gob-Side Entry Retaining ......... 9 2.2 Broking Mechanism of Gob-Side Entry Retaining Lateral Roof .......................... 15 2.3 Test on Rock Mechanical Parameters and Supporting Material ............................ 21 2.4 Summary ................................................................................................................ 31 3 Numerical Analysis and Key Influencing Factors Research on Natural Gob-Side Entry Retaining .......................................................................................................... 33 3.1 Result and Analysis of Numerical Simulation ....................................................... 33 3.2 Key Influence Factors of Surrounding Rock Stability ........................................... 39 3.3 Orthogonal Design and Weight Analysis of Facts ................................................. 42 3.4 Summary ................................................................................................................ 45 4 Comprehensive uation Model of Natural Gob-Side Entry Retaining Surrounding Rock Stability ...................................................................................... 47 4.1 Appraising Principles and s ....................................................................... 47 4.2 Forecasting Model Based on AHP ......................................................................... 48 4.3 Synthetic Expert on Surrounding Rock Stability ................................................... 54 4.4 Summary ................................................................................................................ 55 5 Natural Gob-Side Entry Retaining Industrial Test on 2104 Face of LaoMuPo Mine ............................................................................................................................. 57 万方数据 VII 5.1 Mine Geological Conditions .................................................................................. 57 5.2 Surrounding Rock Stability Control Technique in Face 2104 ............................... 58 5.3 Monitoring on Tunnel Control ............................................................................... 61 5.4 Summary ................................................................................................................ 66 6 Main Conclusion ..................................................................................................... 68 References ................................................................................................................... 70 Author’s Resume ........................................................................................................ 75 Declaration of Thesis Originality ............................................................................. 76 Thesis Data Collection ............................................................................................... 77 万方数据 VIII 图清单图清单 图序号 图名称 页码 图 1-1 研究技术路线图 9 Figure 1-1 Technical route 9 图 2-1 自然沿空留巷方法整体结构 11 Figure 2-1 Structure of Natural Gob-Side Entry Retaining 11 图 2-2 自然沿空留巷上覆岩层局部放大结构 11 Figure 2-2 Partial Enlargement Structure of Natural Gob-Side Entry Retaining 11 图 2-3 采空区上覆岩层结构示意图 13 Figure 2-3 Structure of Goaf Overburden 13 图 2-4 采空区上覆岩层结构Ⅰ-Ⅰ剖面图 13 Figure 2-4 Cross-Sectional View of Goaf Overburden Structure 13 图 2-5 常用巷旁支护示意图 14 Figure 2-5 Roadside Support 14 图 2-6 支架-围岩力学模型 16 Figure 2-6 Rock Mechanical Models 16 图 2-7 无巷旁充填沿空留巷的围岩变形图 17 Figure 2-7 Surrounding Rock Deation 17 图 2-8 矩形巷道内应力分布 18 Figure 2-8 Stress Distribution in Mine Square Type Roadway 18 图 2-9 顶板破断结构及力学模型 19 Figure 2-9 The roof breaking structure and mechanics model 19 图 2-10 悬臂梁挠曲变形示意图 20 Figure 2-10 Sketch of the deflection of the cantilever beam 20 图 2-11 悬臂梁弯矩示意图 22 Figure 2-11 Sketch of bending moment of cantilever beam 22 图 2-12 老母坡矿岩石试件 23 Figure 2-12 Rock specimens in LaoMuPo Mine 23 图 2-13 岩石试件强度测试的主要仪器 24 Figure 2-13 Main instruments of rock experiment 24 图 2-14 单轴抗压实验试件前后对比图 24 Figure 2-14 Uniaxial compressive stength specimens 24 图 2-15 单轴抗压强度应力-应变曲线 24 Figure 2-15 Uniaxial compressive strength stress-strain curves 24 图 2-16 单轴抗拉实验试件前后对比图 25 Figure 2-16 Tensile strength specimens 25 图 2-17 不同试件的单轴抗拉强度应力-应变曲线 26 Figure 2-17 Tensile strength stress-strain curves 26 图 2-18 抗剪实验岩石试件前后对比 26 Figure 2-18 Shear Strength specimens 26 万方数据 IX