复合顶板沿空煤巷破坏特征及分类支护研究.pdf

论文题目 复合顶板沿空煤巷破坏特征 及分类支护研究 作者姓名强堡蕉入学时间2 Q 兰2 生窆旦 专业名称墨芷王程研究方向芷出压左皇蚩屋蕉剑 指导教师垡进职称塾拯 论文提交日期t 论文答辩日期 授予学位日期 2 Q 兰量生旦 2 Q 曼生鱼旦 R E S E A R C HO FD E F O R M [ A T I O NC H A R A C T E R I S T I C S A N D C L A S S I F I C A T I O NC O N T R O LA B o U TG o D ．S I D EE N T R Y R E T A I N I N GU N D E RT H EC O M P O S I T ER O O F AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so f t h ed e g r e eo f M A S T E RO FE N G I N E E R I N G f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y b y Q i a n gH u a l o n g S u p e r v i s o r P r o f e s s o rD a iJ i n C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g J u n e2 0 1 5 声明 户目明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名 日 A F F I R M 讼L T I o N 期少玎每易月铴 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l I ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na t a n yo t h e ra c a d e m i c i n s f i t u t e ． S i g n a t u r e 鹤秒地勿 D a №沙，’ 『。，。矿5 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 由于受构造的作用，复合项板在不同地段的岩层结构差异大，而且这种结构的变化 具有强烈的隐蔽性，因此，不同地段的巷道支护条件变化很大，但现有的监测技术无法 及时辨明这种结构的变化状况，进而无法采取有针对性的对策，给本来就困难的支护又 增加了新的支护难度，随着开采深度的增加，支护难度进一步增大。 北京吴华能源股份有限公司大安山煤矿 4 0 0 m 水平轴1 0 上槽和轴1 0 下槽煤层间距 较小，变化较大，部分地段两煤层合为一层，使得 4 0 0 m 轴1 0 槽煤层巷道不同煤层、不 同地段的支护条件变化很大。当开采深度不大时，复合顶板下的煤层巷道的支护难度不 大，但随着采深的增大， 4 0 0 水平轴1 0 槽的开采深度己达到6 0 0 m ．8 0 0 m 深，在深井高 应力和复合顶板双重因素的影响下，轴1 0 槽沿空巷道的安全问题成为了采煤系统安全的 主要问题。 本文以大安山煤矿为原型，采用U D E C 离散元数值模拟、理论分析和现场实测等方法 进行研究。首先，通过构建沿空煤巷复合顶板的支承压力分布结构模型与关键块的结构 模型，分析出了沿空煤巷复合顶板的运动特征和稳定性参数；其次，对复合项板沿空煤 巷的受力变形特征与支护机理进行详细分析，并对复合顶板根据分层厚度进行合理分类， 通过选取了0 ．2 5 m 、0 ．5 m 、0 ．7 5 m 、1 ．O r e 和1 ．5 m 五种不同厚度的夹矸进行数值模拟分析， 确定了分层条件下复合顶板沿空煤巷围岩的变形与破坏特征；最后，将研究在实践中运 用，对大安山煤矿 4 0 0 m 轴1 0 槽西三下巷进行了分类支护设计，并得到监测数据，验证 了分类支护参数设计的合理性与科学性。 关键词复合顶板；沿空留巷；分类支护；数值分析。 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A B S T R A C T D u eb yt h ee f f e c to fc o n s t r u c t i o n ，c o m p o s i t er o o f s 缸u c t u r eh a v el a r g ed i f f e r e n c e si n d i f f e r e n ts e c t i o n s ，a n dt h i sc h a n g eo ft h es t r u c n l r eh a sa s t r o n gh i d d e n ，S Or o a d w a yc o n d i t i o n s v a r yw i d e l yi nd i f f e r e n ts e c t i o n s ，b u tt h ee x i s t i n gm o n i t o r i n gt e c h n i q u e sc a n ’tt i m e l yi d e n t i f y c h a n g e si nt h es t a t u so ft h i ss t r u c t l l r e ．a n dt h u su n a b l et ot a k et a r g e t e dm e a s u r e st os u p p o r t a n da d d e dn e w s u p p o r td i f f i c u l t ． I nB e i j i n gH a o M aE n e r g yl i m i t e dc o m p a n yD aA n s h a nc o a lm i n eh a ss m a l ls p a c ea n d l a r g e rc h a n g e sb e t w e e n 4 0 0 mh o r i z o n t a ls h a f t10a n dt h es h a f t10s l o t sl o w e rg r o o v es e a m ， a n ds o m es e c t i o n so ft w os e a m sb e c o m eo n e ，m a k i n gs u p p o r tc o n d i t i o no fd i f f e r e n tc o a ls e a m s a n dd i s t r i c t sv a r yw i d e l yi n 4 0 0 ms h a f t10d i f f e r e n tc o a l s e a m ．c o m p o s i t er o o fs e a m r o a d w a yh a sl i t t l es u p p o r td i f f i c u l t yw h e nh a sl i t t l em i n i n gd e p t hb u tw i mt h ei n c r e a s eo f m i n i n gd e p t h ，t h eh o r i z o n t a la x i s 4 0 0m i n i n gd e p t hh a sr e a c h e d10s l o t s6 0 0 m - 8 0 0 md e e p ， t h es a f e t yo f10 - s l o ta x i sa l o n gr o a d w a yb e c o m e sam a j o rp r o b l e mo fm i n i n gs y s t e ms e c u r i t y u n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h et w of a c t o r sb e t w e e nh i g hs t r e s si nd e e pw e l la n d c o m p o s i t er o o f ． I nt h i sp a p e r , D aA n s h a nc o a lm i n ea sat h e o r e t i c a lp r o t o t y p e ，r e s e a r c hb yu s i n gU D E C w h i c hi sad i s c r e t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i e l dm e a s u r e m e n tm e t h o d s ． F i r s t l y , b yb u i l d i n ga l o n gt h ee m p t yc o a lr o a d w a yc o m p l e xr o o fs t r u c t u r eo ft h em o d e l s t r u c t u r eb e a r i n gp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nm o d e la n dt h ek e yb l o c kt oa n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h em o v e m e n ta l o n ga ne m p t yc o a lr o a d w a yc o m p l e xr o o fa n ds t a b i l i t yp a r a m e t e r s ；S e c o n d ． 1 y , ad e t a i l e da n a l y s i so ft h ec o m p o s i t er o o fe m p t yc o a lr o a d w a ya l o n gt h ef o r c ed e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s m ，l a y e r e dc o m p o s i t er o o fa n dr e a s o n a b l e c l a s s i f i c a t i o n ，b y s e l e c t i n g0 ．2 5 m ，O ．5 m ，0 ．7 5 m ，lm a n d1 ．5 mf i v ed i f f e r e n tt h i c k n e s s e sw h i c hd e t e r m i n e d d e f o r m a t i o na n df a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o s i t er o o fu n d e rs t r a t i f i e dc o n d i t i o n sa l o n gt h e e m p t yc o a lr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k ；F i n a l l y , a p p l y i n gr e s e a r c hi np r a c t i c e ，c l a s s i f i e d s u p p o r td e s i g nu n d e rD aA n s h a nc o a lm i n e 4 0 0 ms h a f ta t10W e s tL a n et h r e es l o t sa n d m o n i t o r i n gd a t av e r i f yr a t i o n a l i t ya n ds c i e n t i f i ci nt h ec l a s s i f i c a t i o no fs u p p o r tp a r a m e t e r s ． K e y w o r d s C o m p o s i t er o o f ；G o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n g ；C l a s s i f i c a t i o nS u p p o r t ；N u m e r i c a la n a l y - s i ． 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1绪 论．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯。．．．．．．．。．。。．。。。。。．。．。。。。。。．．．。．。．．．⋯。．⋯⋯．．．。。．。．。．。．。1 1 ．1 课题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 课题研究的主要内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 沿空煤巷复合顶板的变形破坏规律及结构力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．1 沿空煤巷复合顶板的离层破坏特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 沿空煤巷复合顶板基本项稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 沿空煤巷复合顶板的受力变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．4 沿空煤巷复合顶板受其他因素影响的特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 复合顶板沿空煤巷的变形特征及支护机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 复合顶板沿空煤巷的变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2 复合顶板沿空煤巷支护机理与数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 6 4 复合顶板沿空煤巷分类支护方案设计与数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．1 沿空煤巷不同夹矸厚度复合顶板的应力分布及变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．2 复合顶板沿空煤巷分类支护参数设计研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 ．3 沿空煤巷复合顶板不同方案下的应力分布及围岩变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 复合顶板沿空煤巷的分类支护参数确定与应用研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 5 ．1 工程实例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 5 ．2 西一工作面下巷支护破坏情况与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 5 ．3 4 0 0 水平西三工作面下巷分类支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 山东科技大学硕士学位论文目录 5 ．4 文护效果评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 0 6 ．2 论文创新点与不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．6 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 攻读硕士学位期间发表论文情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 8 2 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1T e x tB a c k g r o u d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2R e s e a r c hS t a t u sa tH o m ea n dA b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3T h em a i nc o n t e n ta n dt e c h n i c a lr o u t eo f r e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2C o m p o s i t er o o f ’sd e f o r m a t i o nl a w sa n ds t r u c t u r a lm e c h a n i c sa n a l y z e sa l o n gg o b - s i d e e n t r yr e t a i n i n g ．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 2 ．1S e p a r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f c o m p o s i t er o o fa l o n gg o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2B a s i cr o o fs t a b i l i t ya n a l y s i so fc o m p o s i t er o o fa l o n gg o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3F o r c ed e f o r m a t i o na n a l y s i so fc o m p o s i t er o o fa l o n gg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．4T h ec h a r a c t e r i s t i c so f g o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n gc o m p o s i t er o o f a f f e c t e db yo t h e rf a c t o r s ⋯⋯⋯．．1 7 2 ．5 T h es u m m a r y o f t h i sc h a p t e r ．⋯．．⋯．⋯．．．．．．⋯．⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯．．．⋯．⋯⋯．．1 8 3D e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n ds u p p o r tm e c h a n i s mo fg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n gu n d e r c o m p o s i t e r o o f ．．．．．．．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1D e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n gu n d e rc o m p o s i t er o o f ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l9 3 ．2 S u p p o r tM e c h a n i s ma n dS i m u l a t i o nA n a l y s i so fg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n gu n d e rc o m p o s e R o o f ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．3T h es u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．1 6 4D e s i g na n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i sc l a s s i f i c a t i o ns u p p o r tp r o g r a mg o b - s i d e e n t r yr e t a i n i n gu n d e rc o m p o s i t er o o f ．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．⋯2 7 4 ．1T h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd e f o r m a t i o nu n d e rd i f f e r e n tt h i c k n e s sd i r tb a n df e a t u r e so fg o b - s i d e e n t r yr e t a i n i n gu n d e rc o m p o s i t er o o f ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．2T h ec l a s s i f i c a t i o no fs u p p o r t i n gp a r a m e t e r sd e s i g nr e s e a r c ho fg o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n gu n d e r C o m p o s i t er o o f ⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯．⋯．．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯．．⋯．⋯．．⋯⋯3 1 4 ．3T h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg o b - s i d ee n t r yr e t a i l i n g ’Ss u r r o u n d i n g r o c ku n d e r d i f i e r e n ts o l u t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．⋯⋯．⋯．．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．．⋯．．．．．．．．⋯．．⋯．⋯．．⋯．．⋯．．⋯．．．．；5 4 ．4T h es u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 山东科技大学硕士学位论文目录 5C l a s s i f i c a t i o n s u p p o r t i n gp a r a m e t e r s a n da p p l i c a t i o nr e s e a r c ho fg o b - s i d ee n t r y r e t a i n i n gu n d e rc o m p o s i t e r o o f ．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．1P r o j e c t i n s t a n c ea n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．2A n a l y s i ss u p p o r td a m a g eo ff i r s tw e s tc o a lf a c e ’Sg a t e w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 5 ．3D e s i g nt h er o a d w a yc l a s s i f i c a t i o ns u p p o r tp a r a m e t e ro ft h i r dw e s tc o a lf a c e ’Sg a t e w a ya tt h e h o r i z o n t a la x i s 4 0 0 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．。．．．．． ； 5 ．4E v a l u a t i o ns u p p o r t i n g e f f e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．5T h es u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6C o n c l u s i o na n dp r o s p e c t ．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．6 1 6 ．1M a i nc o n c l u s i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯6 1 6 ．2 T h e p a p e r i n n o v a t i o n p o i n t sa n d d e f i c i e n c i e s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 A c k n o w l e d g e m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 R e f e r e n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 M a i nW o r kA c h i e v e m e n to ft h eA u t h o rd u r i n gW o r k i n go nM a s t e rP a p e r ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 4 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 课题的提出 复合项板结构一般为较薄的软、硬岩互层分布，结构面发育的岩层结构，各岩层的 强度值和刚度值都不相等，且层间的黏聚力较小，在支承压力的作用下会发生冒落、离 层现象，如果支护参数不合理就不能成为一个共同承载作用的顶板。复合顶板中含有软 弱岩层，也造成了上下两层之间的粘附力降低，普通的锚杆不能达到有效的锚固范围以 内，故其起到的承载作用有限，并且不同软弱结构夹层自身发生的变形膨胀也将形成对 下部大的应力载荷，导致下部的复合顶板离层，进一步造成冒顶事故现象【1 ] - [ 3 1 。尽管国 内外的学者研究了有关煤巷项部复合型项板的受力变形规律，却很少有人以变化的复合 顶板整体结构为对象进行研究，而仅仅是把顶板中某一个岩层作为研究对象来进行分析， 对复合顶板在不同分层厚度结构下的变形破坏规律和应力状态了解不深，没有获得以此 为依据的科学支护巷道设计方式，针对性比较差。 近年来研究表明【4 】～f 7 】，在全国的煤矿安全事故中，巷道的顶板冒落事故所占的比例 不容忽视。例如经统计，2 0 1 3 年全年我国煤炭行业发生的安全生产事故共造成了4 5 6 人 死亡，其中包括了较大事故和一般事故共造成了2 2 3 人死亡，占到了所有事故死亡人数 的4 8 ．9 0 ％。另一方面，按事故原因分的话，全国顶板冒落事故共发生1 0 起，所占煤矿 总发生事故的1 4 ．7 1 ％，共造成2 5 人死亡，所占全部死亡总数的5 ．4 8 ％。这一比例说明 了项板冒落事故所占比例不少，特别是近年来国内煤矿随着采深的不断加大，项板支护 难度也越来越大，顶板冒落威胁着工人的生命安全，更是一个不可忽视的问题。 采深增大后一般的顶板支护难度就很大，而复合顶板的支护难度更大，危害也更大。 北京大安山煤矿 4 0 0 m 水平轴l O 上槽和轴1 0 下槽煤层变化较大，间距较小，部分地段 两煤层合为一层，使得 4 0 0 m 轴1 0 槽煤层巷道不同煤层、不同地段的支护条件变化很大。 特别是轴1 0 下槽煤层项板就是由薄层粉砂岩夹矸、轴1 0 上薄煤层和轴l O 上槽薄煤层上 方薄层状粉砂岩组成的复合顶板，强度较小、整体性较差，相应稳定性较差，承载能力 较小，给支护带来了极大的困难【8 】，长期以来，轴1 0 下槽煤层沿空巷道的稳定性是采区 生产系统的一大障碍，威胁着轴1 0 下槽煤层的安全、高效和高回收率开采。随着煤矿的 采深持续增大， 4 0 0 水平轴1 0 槽开采的深度已达到6 0 0 m ．8 0 0 m 深，在复合顶板和深部 1 些查型垫奎兰堡主兰竺堡茎竺垒 大应力双重因素的影响下，影响了轴1 0 槽煤层的沿空巷道。轴1 0 槽沿空巷道安全性问 题正在成为煤矿采煤系统最主要的问题。为了轴1 0 槽煤层的安全、高效和高回收率开采， 研究复合顶板沿空巷道的支护技术显得极为重要。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 沿空巷道围岩应力分布规律的研究现状 长期以来，国内外的矿业专家学者们不断致力于从理论分析来确定采场应力分布， 这些研究为巷道支护的方式提供了大量的依据。但这些研究都没有对复合顶板采场应力 分布及变形进行单独研究，涉及较广的研究有 上世纪5 0 年代，苏联人阿维尔辛[ 9 1 等得出工作面上覆岩层在受到采动影响后，会发 生变形，并且上覆岩层将处于塑性移动的过程中的结论。 宋振骐院士【1 0 】于上世纪7 0 年代末创新性地总结得到了岩层控制理论，该理论着重 分析由采场中上覆岩层的运动而造成的矿山的压力显现和分布情况，经过生产实践的验 证，这个理论对我国煤矿工业的应用起到了重要的理论依据作用。 钱鸣高院士等【l l 】人提出了经典理论假说一一砌体梁假说，并建立了实用矿压理论 体系。近几年，钱鸣高、缪协兴【1 2 】㈣等又对砌体梁理论进一步发展和完善，提出了经典 的“关键层理论“ ，它对我国煤矿矿压的研究和工业生产产生了重要的影响。 涂敏【1 4 1 通过建立沿空留巷项板的运动力学模型，得N T 沿空巷道顶板内部荷载的分 布形式和受力特征，进一步推导出了沿空巷道顶板挠曲的运动系列方程，为复合顶板条 件下的沿空留巷围岩控制提供了宝贵的理论借鉴。 王卫军【”】通过构建沿空巷道顶煤的力学模型，将能量原理应用到巷道围岩变形的分 析当中，探讨了造成沿空巷道顶煤发生下沉量的影响因子，并研究巷道基本顶在给定变 形下的变形特征，在围岩控制这方面为复合顶板的沿空留巷提供了参考。 文志杰【1 6 】对支承压力发展变化与覆岩结构的相关性问题进行了研究，并通过模拟分 析出了不同岩层结构采场支承压力发展演化的特征，总结出了发展演化两个阶段一一 “内、外应力场”，揭示了这两个阶段的演变规律。 王俊等[ 1 7 1 通过建立巷道复合顶板破断结构模型，得出了复合顶板破坏的主要因素是 顶板破损的变形，复合顶板变形破坏过程可分为三个阶段一一“嵌固梁形成阶段、叠加 组合梁形成阶段和组合三铰拱形成阶段”，通过实地测量，也可表明顶板破坏过程呈现 ， 坐查型垫奎兰堡主兰垡笙塞堑笙 上述三个阶段的变化。 前苏联人T ．H ．库茨涅佐夫‘u 】通过大量研究后，创造性地总结出“铰接顶梁假说”， 深入地揭示了上覆岩层运动的规律，特别是准确地分析出巷道支撑架是在给“给定的载 荷”和“给定的变形”下工作的原理，这是上覆岩层能形成垮落的前提条件，这一理论 假说为设计顶板控制提供了重要的理论依据。 1 ．2 ．2 煤层复合顶板认识的研究现状 目前，复合项板的概念比较繁多，不同的学者对其有不一样的看法，本文通过介绍 国内的众多学者对复合顶板的认识，结合在煤矿实际的认识，给出了一个比较切合实际 的煤层复合顶板的定义。 侯朝炯【1 8 1 给出如下认识复合项板比其他顶板更易发生离层，顶板结构中含有软、 硬岩相互叠加的结构，因这种结构的存在，导致了岩层间弱面的发育以及粘结力极低， 很难对其进行有效控制。耿献文‘1 9 1 总结得出复合顶板是一种在顶板中含有无法开采的煤 层或细煤线的结构顶板，因各层间的黏聚力相对较小，这类结构易发生离层，从而发生 巷道破坏现象。宫显斌【2 0 1 总结说因复合顶板的每一分层之间黏聚力很小，并且各分层的 岩性不相等，复合顶板易发生破坏现象一一项板离层和冒落，它是一种多层的薄状顶板。 柏建彪口1 1 总结得到煤层巷道复合顶板是指两个或者数个项板中含有一层或多层无法采 出的煤层。张峰【2 2 】贝0 得出复合顶板指在煤层顶板有软岩与硬岩层交错分布或者在软的岩 层与硬的岩层叠加的结构。郭忠平【2 3 1 指出复合顶板中各层之间的粘结力很小，且容易发 生离层，它是数层岩层与较薄的煤相互交织分布叠合而形成的顶板。崔树斌1 2 4 1 研究得到 复合顶板是由几层煤岩层 岩厚不大、岩石强度也较小 互层分布构成，并且最显著的 特点是各层间粘结力弱，且有裂隙和节理的发育的特点。 根据实际认识，然后结合以上学者的认识，将煤层复合顶板概括为煤层复合顶板 是指项板上部互层结构中含有煤层结构，项板岩性较差，易破碎，并且以软弱面互层分 布、或者薄硬岩相互夹层的结构形式存在，上部岩层容易形成应力的集中分布的结构顶 板。本文主要研究煤岩层相互间隔的复合顶板结构，这是我国北方煤矿大多数复合顶板 具有的明显结构。 1 ．2 ．3 复合顶板沿空巷道的围岩支护研究现状 巷道支护的理论不断发展，它历经从锚杆到锚索网支护的发展过程。锚索网支护的 坐銮型垫奎兰堡主兰篁笙奎堑堡 方式的作用被业内人士普遍认可，这种技术能够有效地将巷道顶板组合成为组合梁结构， 以达到控制复合顶