极近距离下部薄煤层回采巷道优化布置及支护技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目极近距离下部薄煤层回采巷道优化 布置及支护技术研究 英文题目英文题目Study on optimal layout supporting technology of ultra-close distance lower thincoal seam mining roadway 学位类学位类别别 工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 王淇 学号学号201102059 学科学科领域领域名称名称 采矿工程 指导教指导教师师 张金山 职称职称教授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2014 年 6 月 5 日 分类号分类号 TD32 TD32 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 极近距离煤层是指井田一定范围内相邻两煤层的层间距离很近，且开采时相互间具 有显著影响的煤层[1-2]。极近距离煤层的赋存和开采量在我国所占的比重是很大的，在 全国大多数的矿区中均存在这样的情况，比如霍州、邯郸、大同、平顶山等矿区都存在 此类开采问题。由于煤层之间的距离很近，下部煤层开采前顶板的完整性已受到上部煤 层开采的损伤破坏，且因受上部煤层残留的区段煤柱在底板（即下部煤层顶板）形成应 力集中的影响，使得极近距离下部煤层回采巷道的合理布置及支护成为生产中的一个突 出问题。 对于极近煤层下部煤层工作面回采巷道优化布置的确定，不仅要把下位煤层工作面 回采巷道布置在应力降低区内，同时又要尽可能地保证下位煤层工作面顶板能够较好地 形成结构，以便于巷道维护。本论文以平沟煤矿为研究对象，通过对该矿的研究对极近 距离煤层的巷道布置和支护进行研究。 平沟煤矿是神华乌海能源公司下属的煤矿，它位于乌海市渤海湾区东南方向 10km 处，该矿自 1958 年将矿以来经过三次技术改造，现已建成设计生产能力 120 万吨每年 的矿井。对于平沟煤矿工作面巷道的优化布置及支护技术研究主要是通过以下几个方面 来进行的。首先，通过对各个岩层层位的岩性的资料进行搜集及整理，确定煤层和工作 面顶底板各岩层的岩石力学参数；其次，根据岩石的力学参数，利用 Flac 3d 对煤层及工 作面顶板岩层进行建模，并利用软件进行数值模拟，得出岩层垂直应力、岩层移动的分 布特征，确定合适的布置方式；最后，利用理论力学和结构力学的知识，对各种支架进 行受力分析，确定各种支架的承载能力；最后，确定相应的几个支护方案并进行比较， 确定最终的支护方案。 本论文科学分析及设计，对下煤层开采回采巷道位置进行了优化设计，研究了不同 巷道位置时巷道围岩的应力分布特征及岩层移动规律，确定出较为合理的巷道布置位置 并提出了合理的支护方案，为矿井的安全高效生产进一步奠定坚实的基础。 关键词关键词极近距离煤层；下部煤层；巷道布置；支护 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Ultra-close multiple-seams is refers to the mine must be within the scope of the adjacent two layer close to the distance between the coal seam, and has significant effect between coal seam mining. Ultra-close distance coal seam occurrence and production in our country share is very big, and it can be found in most of the mining area in our country , such as Huozhou, Handan, Datong, Pingdingshan mining areas. Due to very close to the distance between the coal seam, the lower coal seam mining has been damage by the upper coal seam mining before the integrity of the roof. Due to the existence of the residual stress concentration which generated the upper coal the bottom of coal section, it become a prominent in product to support the mining roadway in the lower coal seam. For extremely close to the determination of optimal placement of the lower coal seam mining face roadway of coal seam, not only does the lower coal seam ming face roadway be arranged in the stress reducing area, but also ensuring the roof structure of the lower coal seam workingface can be well ed, and it is convinent to maintain the roadway. Though the study of the mine of ultra-close distance coal seam, it can be know clearly that how to roadway layout and support. Pinggou coal mine which is located in Wuhai City, 10km southeast of Bohaiwan is the Shenhua Wuhai energy company under the coal mine Since 1958,the mine has now completed the design production capacity of 1.2 million tons per year. after three technical transation. For the optimization of Pinggou coal mineworking face roadway layout and supporting technology research is mainly carried out through the following aspects.First of all, through to the coal layers of the lithology of data collecting and organizing, determine the coal seam and working face roof and floor strata of rock mechanics parameters; Second, according to the mechanical parameters of rock and coal seam and working face roof strata to make use of Flac3d model, and use the software to carry on the numerical simulation, it is concluded that vertical rock stress, the distribution features of the strata movement, determine appropriate 内蒙古科技大学硕士学位论文 III arrangement; Finally, using the knowledge of the theory of mechanics and structural mechanics, for a variety of support for stress analysis, to determine the various stent carrying capacity; Then, determine the corresponding several supporting scheme and comparison, to determine the final support scheme. Scientific analysis and bold design, this paper for the coal bed mining roadway position optimization design was carried out, to study the stress distribution characteristics of different position of roadway surrounding rock of roadway and strata movement rule, to determine the position of the reasonable layout of roadway and put forward the reasonable supporting scheme, efficient for mine safety production to further lay a solid foundation. Key WordsUltra-close multiple-seams;Lower coal seam; The vertical arrangement;Support 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 ........................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................ II 1 绪论 .......................................................................................................................................... - 1 - 1.1 研究背景 ....................................................................................................................... - 1 - 1.2 研究目的和意义 .......................................................................................................... - 2 - 1.3 国内外对回采巷道优化布置及支护技术的研究 .................................................... - 2 - 1.3.1 对国内外回采巷道布置方式的研究 .............................................................. - 2 - 1.3.2 国外巷道支护的研究 ....................................................................................... - 3 - 1.3.3 国内巷道支护的研究 ....................................................................................... - 5 - 1.4 研究的主要内容和方案 .............................................................................................. - 6 - 1.4.1 研究内容 ............................................................................................................ - 6 - 1.4.2 研究方案 ............................................................................................................ - 7 - 2 煤层地质概况及数值模拟方法 ............................................................................................ - 9 - 2.1 平沟煤矿概况 .............................................................................................................. - 9 - 2.2 1006 工作面概况 .......................................................................................................... - 9 - 2.2.1 工作面地质条件 ................................................................................................ - 9 - 2.2.2 巷道布置 .......................................................................................................... - 10 - 2.3 数值计算方法 ............................................................................................................ - 11 - 2.3.1 有限差分法 ...................................................................................................... - 11 - 2.3.2 基本力学方程 .................................................................................................. - 12 - 2.3.3 三维有限差分方程 ......................................................................................... - 14 - 2.3.4 显式有限差分算法 ......................................................................................... - 18 - 2.4 三维有限差分软件 FLAC3D 简介 .......................................................................... - 18 - 3 1006 回采巷道优化布置分析 .............................................................................................. - 20 - 3.1 计算模型的确定 ........................................................................................................ - 20 - 3.1.1 计算模型 .......................................................................................................... - 20 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.1.2 计算参数 .......................................................................................................... - 20 - 3.1.3 试验方案确定及测（点）线布置 ................................................................ - 22 - 3.2 布置方案一数值模拟结果分析 ............................................................................... - 24 - 3.2.1 垂直应力分布特征 ......................................................................................... - 24 - 3.2.2 岩层移动分布特征 ......................................................................................... - 29 - 3.2.3 巷道围岩测点垂直应力分布特征 ................................................................ - 33 - 3.3 布置方案二数值模拟结果分析 ............................................................................... - 35 - 3.3.1 垂直应力分布特征 ......................................................................................... - 35 - 3.3.2 岩层移动分布特征 ......................................................................................... - 39 - 3.3.3 巷道围岩测点垂直应力分布特征 ................................................................ - 44 - 3.4 布置方案三数值模拟结果分析 ............................................................................... - 46 - 3.4.1 垂直应力分布特征 ......................................................................................... - 46 - 3.4.2 岩层移动分布特征 ......................................................................................... - 50 - 3.4.3 巷道围岩测点垂直应力分布特征 ................................................................ - 54 - 3.5 小结 ............................................................................................................................. - 56 - 4 梯形刚性金属支架（工字钢、U 型钢）的受力分析..................................................... - 59 - 4.1 结构属性及力学计算方法 ........................................................................................ - 60 - 4.2 支架承载能力 ............................................................................................................ - 62 - 4.2.1 梯形刚性支架受力分析 ................................................................................. - 62 - 4.2.2 梯形水平可缩金属支架（U 型钢）的受力分析 ........................................ - 66 - 5 1006 轨道巷支护初步设计 .................................................................................................. - 76 - 5.1 支护方案一U 型钢支护 ........................................................................................ - 76 - 5.2 支护方案二锚杆锚索耦合支护 ......................................................................... - 78 - 5.3 不同支护方案对比分析 ............................................................................................ - 83 - 5.4 小结 ............................................................................................................................. - 84 - 6 结论 ........................................................................................................................................ - 85 - 参考文献参考文献.................................................................................................................................... - 87 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 在学研究成果 ........................................................................................................................... - 91 - 致 谢 .................................................................................................................................... - 92 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 煤炭作为一种能源，在工业生产中有很重要的作用，被称为工业粮食，在我国 的一次能量消费结构中占主体的地位，并且煤炭工业的发展速度直接影响着国家的 国策民生。它不仅仅是我们生活中的基本燃料，同时也是极为重要的工业原料，有 二百多种产品都是从煤中提取而出的，并且这些产品都是对我国的社会主义建设和 人民生活起着至关重要的必需品。因此，加快煤炭工业现代化的脚步也是为了我国 农业、工业、科学技术、国防事业建设起到强有力的后盾作用[3]。 2008 年全国煤炭工业统计快报是中国煤炭工业协会发布的，在其中提到全 国煤炭的产量在 2008 年达到了 27.16 亿吨，与去年相比增加了 1.93 亿吨，增长了 7.62。在山西、内蒙古和陕西等 8 个地区，煤炭产量均超过了亿吨。包括神华集 团、中煤集团以及同煤集团等多家煤炭企业，其产量都在千万吨以上，多个大型煤 矿基地的产量也在 20 亿吨以上 [4]。 在我国大部分的矿产资源都是通过地下开采的方式获得的，煤炭效率的、稳定 的采出并且供应是国家的经济发展和社会主义建设有力的保证。因此，为了国家国 民经济的持续稳步增长，对煤炭的需求也会逐步增大。但是，随着煤炭的大量从地 下采出，也导致煤炭的开采深度也在逐步增大，并且地下岩层存在各种复杂的地址 构造、地应力的逐渐变大、矿井的用水量的加大、地温的增高、瓦斯涌出量的加 大，从而导致地下矿井各种安全事故频发，例如矿压显现剧烈、采场巷道及支架 的失稳、冲击地压、深部矿井开采所引发的突水灾害及瓦斯突出和爆炸等严重灾 害，因此，深部矿井开采的安全问题应该得到极大的重视。 在我国的地下矿开采过程中经常会碰到极近煤层的开采问题。所谓极近距离煤 层在我国的 2004 年版的“煤矿安全规程”中定义为煤层群层间距离较小，在开采 的过程中，相互之间有较大影响的煤层[5 ～6]。极近距离煤层的赋存和开采量在我国所 占的比重是很大的，在全国大多数的矿区中均存在这样的情况，比如霍州、邯郸、 大同、平顶山等矿区都存在此类开采问题[7]。由于两层煤之间的距离较近，所以开 采前下部煤层的顶板的完整性就已经收到上部没菜开采的影响产生了损伤和破坏， 此外处在上部区段的煤柱的地板（也就是下部煤层的顶板）的集中应力内并且也受 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 到其影响，从而使得极近距离下部煤层回采巷道的合理布置级支护成为在生产中需 要解决的一个突出问题。 1.2 研究目的和意义研究目的和意义 位于乌海市渤海湾南 10km 处的乌海能源公司平沟煤矿建于 1958 年，在生产过 程中先后经历了三次技术改造，并在 1991 年底成功建成了设计生产能力为每年 120 万吨的矿井，其核定生产能力是每年 180 万吨。井田的面积为 16.1km2,东西倾斜长 可达 2.52km，南北走向达 6.4km 长，盘区自北到南划分为三个，现在主要开采Ⅰ盘 区，矿区的主采 3 层煤，分别是 9、10和 16煤层。 由于中煤组 9 号煤和 10 号煤距离较近，对于极近煤层下部煤层工作面回采巷道 优化布置的确定，应同时考虑到将下位煤层的巷道布置在应力降低区中和保证下位 煤层巷道顶板具有较好形成结构，以便于巷道维护[8 ～10]。传统的布置方式是外错式 布置，即在下层煤工作面布置中留设有较宽的煤柱，最宽煤柱尺寸达到 52m，资源 浪费严重。为节约煤炭资源，减小煤柱尺寸，对下煤层开采回采巷道位置进行了优 化设计，研究了不同巷道位置时巷道围岩的应力分布特征及岩层移动规律，确定出 较为合理的巷道布置位置并提出了合理的支护方案，为矿井的安全高效生产进一步 奠定坚实的基础。从而实现平沟煤矿极近距离下部薄煤层回采巷道的优化布置及安 全、经济、快速掘进，掘进速度不低于 210m/月，在原有工作面采出率基础上提高 原煤采出率 10，并且使巷道缩小率小于 15，达到断面能正常使用的标准。 为了研究适合深部支护开采的理论、设计方法与配套技术，为安全高效提供技 术保障，促使平沟煤矿全面、协调、可持续发展，本论文将着重对极近距离下部薄 煤层回采巷道优化布置及支护技术进行研究，并为深部开采矿井巷道优化布置和支 护方式的选择提供科学的依据。这也是本论文研究的意义所在。 1.3 国内外对回采巷道优化布置及支护技术的研究国内外对回采巷道优化布置及支护技术的研究 1.3.1 对国内外回采巷道布置方式的研究对国内外回采巷道布置方式的研究 因为成煤的条件有所不同，造成煤层的厚度、可采的层数和煤层的间距等赋存 情况也有很大的不同。其中煤层间距是影响极近距离煤层开采的一个主要因素，对 于极近距离煤层开采的情况，其相互影响主要表现在下部邻近煤层的顶板结构和应 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 力发生变化上。矿上压力显现是煤矿开采过程中必然出现的现象，是不可能完全消 除的，但是我们可以通过对矿山压力显现机理的了解和掌握其显现规律，通过一些 有效的措施避免或者减轻显现过程中所产生的危害是可以办到的，也是生产过程中 我们所必须掌握的。 对于极近距离的煤层开采，主要通过下面三种巷道布置方式来达到减轻矿山压 力对巷道影响，分别是内错式布置、外错式布置和重叠式布置[11-13]，如图 1.1。 1、内错式布置是指下部煤层的巷道布置在上部煤层工作面的内部一侧，从而在 区段之间有一个正梯形煤柱存在。从图 1.1（a）中可以看出区段的煤柱宽度有所加 大，从而导致了工作面的长度变短。然而下部煤层的巷道位于残留的区段煤柱边缘 的应力降低区内，这样有利于提高巷道的掘进速度和确保了工作面回来的正常交 接。 2、外错式布置是指下部煤层的巷道布置在上部煤层工作面的外面一侧，从而在 区段之间有一倒梯形煤柱存在。从图 1.1（b）中可以看出区段煤柱宽度减小了，下 层没的工作面长度就相对增大了，从而是煤炭的采出率提高了，但是下层煤的巷道 位于上层煤的区段煤柱的应力增高区内，巷道的掘进和维护有些困难。 3、重叠布置方式是指下部煤层与上部煤层的回来巷道布置在平面上相互重叠的 位置，从图 1.1（c）可以看出上下两层煤层的工作面长度相等，可以减少煤炭的损 失，从而提高了采出率，但是下层煤巷道施工比较困难，使得巷道维护的工作量较 大。 1.3.2 国外巷道支护的研究国外巷道支护的研究 在国外自从 20 世纪 50 年代的初期就已将开始试验并使用区段间不留设煤柱的煤柱 护巷的方法了，沿空掘巷和岩空留巷是比较常用的两种无煤柱护巷的方法。沿着上区段 采空区掘进并作为下去段的回风巷的方法被称为沿空掘巷，而将上区段的运输巷保留并 作为下去段的回风巷的方法称为沿空留巷。由于这种方法减少了掘巷的施工量，所以其 技术和经济效果都比较明显，所以这种支护方案在很多国家都可以见到，并在逐步的扩 大范围，例如德国、英国、波兰、俄罗斯、比利时和日本等国都在应用这种方法进行护 巷。在 1974 年，无煤柱护巷的煤炭产量在俄罗斯占总产量的 5，到 1981 年增长到 52，并在研究和应用中总结出各种无煤柱护巷的方法及其方法的适用条件。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 图 1.1 近距离煤层回采巷道空间位置关系示意图 通过对矿山压力显现的特点研究[13 ～17]，了解到在距离煤体 2m 到 8m 的范围以 外的地方是固定支撑压力最高的位置，在靠近煤体边缘的位置沿采空区掘进和维护 的巷道，这些巷道位置的顶板的下沉量一般来讲都较小，因此才有了沿空掘巷方法 的提出。通常沿空掘巷有保留局部上区段的巷道、完全沿空掘进和在掘进巷道与采 空区之间留设小煤柱三种方法。许多国家正在通过对现有的巷道支架进行改革，并 且也在研制新型的巷道支架，通过对支架的改革和研发可以更好的保证沿空巷道的 稳定性，这样就可以使得巷道的维修工作减轻，确保使支架处在正常工作的状态。 现在常用的支护方式主要有锚杆与棚子联合支护、金属可缩性支架、锚杆支护和分 节式严控巷道支架等。 在德国煤矿经常使用的布置方法是后退式的沿空留巷[18 ～19]。这种方法是指工作 面采用后退式开采，区段运输巷的掘进是沿着煤体进行的，工作面采完后保留巷 道，将其作为下一区段的回风巷。运用这种布置方式，德国的煤矿在选择维护方式 时经常选择可缩性 U 型钢支架、金属锚杆、水泥灌浆和速凝才亮巷旁填充等联合支 护方式。在采动影响剧烈的回采工作面前、后方还需要采用液压支架进行支护。德 国的主要煤炭产区在鲁尔、亚深、萨尔和伊木比伦，开采深度一般在 700m 到 1500m 平均采深在 930m，煤层倾角在 0～18 ，地质条件也较差，其深部巷道经常 采用联合支护技术，主要是采用以 U 型可缩性支架支护为主，壁后填充和锚杆支护 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 为辅的联合支护方式，这种支护方式可以增大有效空间，减少了维修量，安全可靠 性也大大提高了。 在 20 世纪 70 年代初期，南非的采金业最先应用锚索技术将钢拱和木支架为基 础的传统的支护技术。最近端点的锚杆几乎被全注浆加固棒或者环状钢索取代。这 种全注浆加固棒和环状刚束被称为最好形式的锚索[20 ～21]。 英国的所有煤矿已经实现了巷道全锚的锚杆支护技术，其长度已经尝过 300km，巷道的深度已经达到 1100m[22 ～23]。英国的锚杆支护设计是根据水平应力作 用理论设计