强力约束小煤柱综采巷道围岩变形控制研究.pdf

分类号T D 3 5 3 U D C6 2 2 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 强力约束小煤柱综采巷道围岩变形控 制研究 S t u d yo nP o w e r f u lR e s t r a i n to fF u l l yM e c h a n i z e d S m a l l P i l l a rM i n i n ga n dD e f o r m a t i o nC o n t r o l l i n go f R o a d w a yS u r r o u n d i n gR o c k 作者姓名曲德彪 指导教师张向东教授李新华高工 申请学位专业硕士 学科专业建筑与土木工程 研究方向岩土工程 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽主王程撞本太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝工捏堇丕太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名蓟蕈 嫠⋯一 9 0 ／；年 月／口日 导 万方数据 致谢 很快两年年的研究生学习生涯就要结束了，对这些年在生活、学习中指导帮助过我的 老师、同学、室友表示由衷的感谢。 首先要感谢我的导师张向东教授，本文的研究和写作都是在张老师的悉心指导下完成 的。从选题开题、资料收集、文献阅读、软件模拟到现场监测无不凝聚着老师的心血和汗 水，在老师的指导和帮助下，文本得以顺利完成。感谢老师给我机会让我多次参与到科研 项目中去，使我能深入现场遇见一些实际问题，进而认识到自己的不足之处，知道自己将 要学习方向和目标。老师的严谨求实的治学态度、对科学真理的追求和艰苦朴素的作风对 我今后的工作和学习带来深刻的影响。 感谢土木学院的老师们，谢谢你们辛勤教育指导，传授我各种专业知识，使我能够顺 利完成学业。感谢辽宁工程技术大学与神华宁夏集团合作的基金项目“强力约束小煤柱 开采技术与动压影响下回采巷道安全监测与控制技术的研究” 编号1 3 ．2 0 1 0 。感谢神 华宁夏集团白芨沟生产技术科副科长杨晓宁、技术员周兴虎和许辉在工作过程中给予的帮 助与支持，谢谢你们。 感谢我的师兄柴源硕士和师兄周新勃硕士在矿上进行现场安全监测时给予的帮助，感 谢柴源师兄与我一起在漆黑的矿井里监测了两个多月；感谢师兄刘家顺博士在论文方面的 指导。感谢同班同学李新哲和迟殿起陪我一起熬夜、一起写论文，还有霍金宝、张哲诚、 蔡赫男、韩俊俊、赵晓岩谢谢有你们陪伴。感谢我的父母对我的养育之恩，感谢姐姐长期 对我的帮助，在我最艰难的时候提供的帮助和在我最低落的时候给予的鼓励，谢谢您。 最后，对百忙之中来参加论文评审的各位专家和老师表示衷心的感谢 万方数据 摘要 在我国煤炭行业普遍采用留设煤柱的方法对受采动影响的巷道进行护巷，它是保证煤 矿安全开采的一种比较可靠的方法，同时，也是建设高产、高效矿井的重要技术手段之一。 从目前的应用情况来看，煤柱回采巷道对于留设宽度的确定、围岩变形控制与安全问题没 有得到较好的解决。因此，开展强力约束小煤柱综采巷道围岩变形控制的研究有利于进一 步推广煤柱护巷技术的发展，而且对于提高煤炭资源的开采率和保证煤巷安全具有重要的 科学指导意义。 本课题选择神华宁煤集团白芨沟煤矿进行研究，因为该矿区对于采用煤柱护巷进行开 采的采煤方法[ 习l N i l 普及，煤柱宽度都采用经验进行留设，不能确保巷道安全稳定与施工安 全。因此，以白芨沟煤矿2 6 2 1 工作面为工程背景，对以下内容的进行研究 1 现场通过勘察与收集资料，针对2 6 2 1 工作面的具体条件，提出煤柱宽度合理留 设与巷道支护方案。 2 对于煤柱采用中空注浆锚索进行加固，提出了“锚杆 金属网 喷射混凝土 中空 注浆锚索补强加固煤柱”的联合加固支护方案。 3 采用理论计算得出煤柱的弹性区与塑性区宽度，并运用F L A C 3 D 软件分别模拟不 同煤柱宽度条件下，巷道围岩的应力分布情况和巷道围岩位移变化规律。通过理论计算结 果与模拟结果对比分析，最终确定白芨沟煤矿煤柱留设宽度为3 0 m 时较为合理。 3 通过现场监测结果表明，支护方案增加了煤柱的强度，能够保证巷道围岩的整 体稳定性，保证生产安全。 关键词煤柱宽度；数值模拟；锚喷支护；围岩控制；位移监测 万方数据 A b s t r a c t P i l l a ri sg e n e r a l l yu s e di nt h ef i e l do fc o a li n d u s t r yi no u rc o u n t r yi no r d e rt op r o t e c t r o a d w a ya f f e c t e db ym i n i n g ，w h i c hp r o v i d e sar e l i a b l em e t h o df o rt h eg u a r a n t e eo fc o a lm i n e s a f e t y ，w h i c hi ss i m u l t a n e o u s l yo n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n i c a lm e a n sf o rt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h o u t p u ta n dh i g he f f i c i e n c ym i n e ．W i t hr e g a r dt ot h ec u r r e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fm i n i n g r o a d w a yw i t hp i l l a r ，s o m ed i f f i c u l t i e se x i s t si nt h ea s c e r t a i n m e n to fd e s i g na b o u tw i d t ho fc o a l p i l l a r , t h es u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o nc o n t r o la n ds e c u r i t yp r o b l e m ．I ti s ，t h e r e f o r e ，p r o p i t i o u s t of u r t h e rp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fp i l l a rp r o t e c t i o nr o a d w a yt oc a r r yo u t r e s e a r c ho nm i n i n gw i t ht h es t r o n gc o n s t r a i n to fs m a l lc o a lp i l l a ra n ds u r r o u n d i n gr o c k d e f o r m a t i o nc o n t r o l ，t h u se x e r t i n gv i t a ls c i e n t i f i ca n dg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei ni n c r e a s i n gt h e m i n i n gr a t eo f c o a lr e s o u r c e sa n de n s u r i n gt h es a f e t yo fc o a lr o a d w a y ． S h e n h u aN i n g x i aC o a lG r o u pB a i j i g o uM i n ei ss e l e c t e da st h es t u d yo b je c tb e c a u s et h e c o a lm i n i n gm e t h o do fp i l l a rp r o t e c t i o nr o a d w a yf o rt h i sm i n i n ga r e ai sn o tm a t u r ea n dt h ec o a l p i l l a rw i d t hi s c h o s e nt h r o u g he x p e r i e n c e ，w h i c hc a n n o te n s u r et h es t a b i l i t yo fr o a d w a ya n d c o n s t r u c t i o ns a f e t y ．C o n s e q u e n t l y ，2 6 21w o r k i n gf a c eo fB a i j i g o uM i n ei sc o n s i d e r e da st h e e n g i n e e r i n gb a c k g r o u n dt od i s c u s st h ec o n t e n t sa sf o l l o w s 1 R e a s o n a b l ew i d t ho fc o a lp i l l a ra n ds u p p o r ts c h e m eo fr o a d w a y ，v i ai n v e s t i g a t i o na n d c o l l e c t i n gi n f o r m a t i o no ns i t e ，i nc o n s i d e r a t i o no fs p e c i f i cc o n d i t i o no f2 6 2 1w o r k i n gf a c e ，a r e p u tf o r w a r d ． 2 G i v e nc o a lp i l l a r sw i t hh o l l o wg r o u t i n ga n c h o rc a b l e ，t h ec o m b i n e dr e i n f o r c e m e n t s c h e m e “a n c h o r m e t a lm e s h s h o t c r e t e h o l l o wg r o u t i n ga n c h o rc a b l et or e i n f o r c ep i l l a r ’i sp u t f o r w a r d ． 3 T h ee l a s t i cz o n ew i d t ha n dt h ep l a s t i cz o n ew i d t h o fc o a lp i l l a rb yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n o b t a i n e d ，s t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd i s p l a c e m e n tv a r i a t i o nl a wo fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ka r e s i m u l a t e db yF L A C 3 Du n d e rt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tc o a lp i l l a rw i d t h s ．T h r o u g hc o m p a r a t i v e a n a l y s i so nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w ed r a wt h ec o n c l u s i o n t h a tt h er e a s o n a b l ec o a lp i l l a rw i d t ho fB a i j i g o uM i n ei s3 0m ． 4 T h er e s u l t s ，t h r o u g ht h ef i e l dm o n i t o r i n g ，s h o wt h a tt h es u p p o r ts c h e m ei n c r e a s et h e s t r e n g t ho fc o a lp i l l a r ，t h u se n s u r i n gt h eo v e r a l ls t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c ko fr o a d w a y a n ds a f e p r o d u c t i o n ． I I 万方数据 K e yw o r d s c o a lp i l l a rw i d t h ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；b o l t s h o t c r e t es u p p o r t ；s u r r o u n d i n g r o c kc o n t r o l ；d i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n g 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ．⋯．．⋯．⋯．⋯⋯．．⋯．⋯．⋯．．．⋯．⋯⋯⋯．．⋯．．．⋯．．⋯．．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．．．⋯．．．⋯．I I 1 绪{ 念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1研究的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3研究内容与研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．1研究的主要内容与目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 1 ．3 ．2研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．3技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2工程概况与地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 煤岩层描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．3水文地质情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3煤柱巷道的支护方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 3 ．1煤柱巷道围岩变形控制设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 ．2煤柱加固方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 ．32 6 2 1 工作面支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 ．42 6 2 1 工作面支护参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．4 ．1顶板支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．4 ．2 巷帮支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．4 ．3钢筋网支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．4 ．4 喷射混凝土⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．，2 1 4煤柱留设宽度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 4 ．1设计原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 万方数据 4 ．2煤柱宽度理论计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 4 ．3数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 4 ．3 ．1数值模拟软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 4 ．3 ．2数值模拟条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 ．4 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．4 ．1 巷道围岩位移变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 9 4 ．4 ．2巷道围岩应力变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．5煤柱宽度确定与经济分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 5煤柱巷道支护效果评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 5 ．1监测方案的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 5 ．1 ．1监测目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 5 ．1 ．2监测内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 5 ．1 ．3监测仪器设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．2测站布置及监测实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．2 ．1巷道位移变形监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．2 ．2锚杆受力监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 ．3煤柱矿压监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5 ．2 ．4 煤柱位移监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5 ．2 ．5监测频率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 5 ．32 6 2 1 工作面监测结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 5 ．3 ．1巷道位移变形监测结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．3 ．2锚杆受力监测结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．3 ．3煤柱压力监测结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 ．4多点位移计监测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 6结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 6 ．1主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 6 ．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 万方数据 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 V I 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 ．1 研究的意义 矿业的主要经济来源是煤炭资源，它是以煤炭为主要生产劳动的基础产业【1 1 。煤炭作 为我国矿产资源中主要能源，同时也是钢铁、电力、化工等行业的重要工业原料，煤炭资 源所带来的经济和社会效益对国民经济建设起到非常重要的战略发展意义。据统计，煤炭 资源作为一次性消费能源，在我国能源消费上占到7 5 ％以上，伴随着能源危机在全球的逐 渐蔓延，煤炭在我国主要能源中所占有的地位，将在以后相当长的时间内都难以取代。因 此，在生产过程中合理的选取煤柱宽度，确定煤巷开采的支护方案，提高煤炭资源回采率 就显得尤为重要，同时也是逐步实现煤炭能源高效益、高生产、高效率和高安全的必要条 件。 在中国煤矿开采过程中大部分巷道都会受到采动的影响，随着社会的不断进步和发 展，人类对煤炭需求量也逐渐增加，导致煤矿开采的发展方向越来越趋向深部化，巷道周 围的原岩应力也随之加大，巷道支护体系难度也逐渐增加，对于满足巷道安全所需要留设 的煤柱尺寸也越来越大[ 2 。5 】。至今，众多专家学者对于采动巷道护巷煤柱宽度的研究一直进 行着，但是，如何确定合理的煤柱宽度一直没有得到统一的标准[ 6 - 1 2 J 。依据前人研究成果 所得出的结论[ 1 3 1 ，煤柱宽度发生改变不仅会影响到自身应力的改变，还会对附近其他工作 面的应力变化产生影响，使巷道的稳定性难以控制。因此，怎样在保证巷道安全开采的同 时，又能最大限度的减少煤炭资源浪费，就需要设置合理可靠的护巷煤柱。据统计[ 1 4 - 1 6 】， 煤柱留设尺寸的大小在开采中对巷道的稳定性有着决定性的影响作用，许多巷道由于煤柱 留设宽度较大对煤炭资源造成不必要的损失，因为留设宽度较小导致煤柱失稳、巷道产生 大变形而出现安全事故，严重危害了井下施工人员的生命及财产安全，影响了煤矿的正常 生产经营，所以煤柱宽度的正确留设既可以使矿物资源得到合理利用，又可以保证巷道安 全不发生破坏u7 l 。目前我国绝大多数煤矿巷道施工时都还会依照以前的经验进行煤柱设 计，缺乏科学的理论依据作为指导，这样往往会出现巷道难以维护和煤炭资源的不合理利 用现象㈣。 白芨沟煤矿是神华宁夏集团的特大型矿井，经过几十年的开采以逐渐进入深部资源开 采状态，由于开采的强度不断增加，巷道在井下的位置也逐渐加深，煤柱所需要留设的宽 度也将增大，如何维持巷道的稳定性问题也将越来越突出。因此，解决深部开采护巷煤柱 留设问题成为制约白芨沟煤矿发展的重要影响因素。白芨沟煤矿以往所留设的煤柱宽度只 凭借经验进行确定，煤柱尺寸按照经验确定为5 5 m ，缺乏科学的理论依据，针对白芨沟煤 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 矿2 6 2 1 工作面目前的特殊情况，神宁集团与辽宁工程技术大学联合开展科研课题，如何 保证在生产过程中巷道安全稳定，同时又能最大限度的减小护巷煤柱的尺寸，增大开采率 等问题进行研究。通过此次项目的研究，建立一套完善的强力约束小煤柱综采巷道围岩变 形控制技术，为以后白芨沟煤矿的开采提供可靠的理论依据及技术支持‘1 9 l 。 1 ．2 国内外研究现状 大量研究的结果表明，在煤矿生产过程中如何合理留设煤柱的宽度对巷道稳定性具有 重要的作用。由于煤柱的决定性作用，对于煤柱宽度的合理确定国内外也已经进行了大量 的研究。因此，关于煤柱宽度的确定也不再根据现场施工经验，而是以科学理论为依据进 行留设。 对于煤矿生产安全问题上的研究国外与国内相比先进了许多。A ．H ．威尔逊在对煤柱研 究的过程中，从三向强度特性出发，对煤柱的强度特性进行了系统的研究，并提出了威尔 逊理论，由此来确定煤柱的宽度和煤柱稳定性。斯格兰格埃特和罗兰、理查德等人认为 在煤柱内部存在着一个有效区域【2 0 1 ，采空区和煤柱上覆岩体的重量都将由煤柱独自承担， 利用有效区域理论可以较为准确的分析出煤柱受上覆岩体影响下的稳定状态。格罗布拉尔 认为煤柱内存在的核区的强度是不相等的，核区所具有的强度取决于上部岩体造成的实际 应力，根据产生的实际应力才能准确确定不同部位的核区强度。E ．c ．科诺年科和K ．A 邝可尔 拉麦夫根据弹性力学理论对煤柱进行三维模型建立，并且考虑了内聚力等因素，提出了极 限平衡理论【2 l j 。 国内针对留设煤柱的研究方法主要有王卫军等【2 2 】研究给出了煤柱合理宽度的具体表 达式，它是在给定老顶的变形情况基础上推导出来的；彭文庆【2 3 1 认为要想到的合理的护巷 煤柱宽度需要从煤柱的屈服宽度入手，并通过弹塑性极限平衡理论计算得到了煤柱的屈服 宽度；谢广祥等【2 4 J 对综放面在井下生产的过程进行研究，推导出采空区倾向煤柱所受支承 压力产生峰值时所处位置的计算公式，为综放面沿空煤柱参数的合理选择及巷道位置的合 理布置提供了科学的指导；王其芳通过对断层的不断研究，得到在护巷煤柱留设的方法中， 岩层的移动角对煤柱的留设具有极其重要的意义1 2 5 1 ；胡炳南【2 6 1 认为要想得到煤柱宽度的 合理留设尺寸，必须考虑到相应的煤柱强度，经过大量实验研究结论，推导出了在煤柱裂 隙面计算剪力强度安全系数的公式；陈金国【27 1 运用统计分析方法，对巷道处于围岩不稳定 条件下进行研究，得到煤柱尺寸的理论计算方法；朱刘娟等[ 2 8 ] 认为煤矿在深部位置进行开 采工作的环境下，确定煤柱的宽度时，不能使用规程中所给出的移动角，同时给出了深部 挖掘时相应移动角的计算公式。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．3研究内容与研究方法 1 ．3 ．1 研究的主要内容与目标 1 针对现场实际情况，收集矿上有关技术资料，进行施工现场调查与分析，对煤 层及周围岩体的物理力学性质进行相关测试和分析。 2 根据施工实际情况，采用理论计算，确定较合理的煤柱巷道支护形式和支护参 数。实施有效控制的综合技术方案，为现场施工工艺提供科学的指导。 3 根据理论计算，并通过F L A C 3 D 数值模拟软件对煤柱的模型做出合理的建立，模 拟出几种不同煤柱宽度条件下，巷道围岩应力变化及围岩变形规律，通过分析比较确定合 理的煤柱宽度留设，保证巷道的稳定性和施工安全，增加煤炭资源的回采率，提高经济效 益。 4 掌握现场资料的条件下，开采时实施巷道支护优化设计与实时安全监测方案设 计，同时在施工过程中对巷道顶底板移近量、两帮收敛量、锚索锚杆轴力、煤柱位移和煤 柱应力进行系统监测，对监测结果及时反馈，合理优化，确保在生产过程中煤柱与巷道的 安全、稳定。 1 ．3 ．2 研究方法 护巷煤柱宽度的确定方法就目前来讲主要包含4 种方法理论公式计算法、经验留设 法、现场实测和采用数值模拟法。理论公式计算法是运用岩体极限平衡理论所推导出的宽 度公式，来计算得出煤柱保持巷道稳定状态时的宽度；经验留设法主要现场施工人员根据 以往巷道的生产经验来确定留设宽度，缺乏较为科学的指导性和针对性；现场实测是采用 在煤柱体内安设相关的监测仪器，通过实测巷道周围围岩变形的特征和煤柱体内应力分布 情况，对监测出来的结果进行整理分析，确定出较为准确的煤柱宽度；数值模拟法是利用 数值模拟软件对几种煤柱宽度条件下所产生的煤柱支撑应力和巷道围岩变形等情况整理 计算分析来确定煤柱宽度的一种方法。 根据现场实际情况，研究过程采用资料调查、理论计算与数值模拟、支护方案优化设 计、现场安全监测与理论分析相结合的技术方法。同时，根据新奥法施工的基本原则，把 理论与实际紧紧联系在一起，设计与施工实现动态化，其过程为进行现场工程地质资料 分析一理论计算分析一初始设计一数值模拟分析．参数优化设计一现场施工安全监测一信息的反 馈．修改优化设计参数。 应用动态信息进行设计方法具有两大基本的特点 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 设计必须动态完成，要不断的改正，不断完善。 2 设计充分的利用了每个过程中提供的信息，使得工程设计与施工既科学合理又 有可行性。 1 ．3 ．3技术路线 现场研究采用初始设计、现场安全监测、信息及时反馈、理论分析、计算机模拟等相 结合的技术路线，如图1 所示。 现场工程地质环境调查与分析 上上 资料收集现场围岩性质测定 ’’ l 确定巷道支护方案 理论计算、F L A C 3 D 数值模拟 1r 确定煤柱宽度 1r 施工现场监测 ，上土上 锚杆受力监测收敛量监测矿压监测多点位移计监测 0 围岩变形控制 1r 成果总结与推广虑用 图1技术路线 F i g ．1 T e c h n i c a lr o u t e 万方数据 辽宁上程技术大学硕士学位论文 1 ．4 本章小结 本章主要介绍了本文选题的现实背景及研究的意义，同时分析了国内外众多专家学者 关于护巷煤柱研究的现状及其提出的相应理论计算方法，解释了煤矿受采动影响下煤柱宽 度的确定和巷道支护控制技术研究的可行性及其必要性。最后详细介绍了本文主要研究的 目标、研究的内容和需要解决实际问题所采用的研究方法，同时列举出了实现本次研究所 运用的详细技术路线，保证了本次研究能够顺利进行。 万方数据 辽宁工程技术人学硕士学位论文 2 工程概况与地质条件 2 ．1 工程概况 白芨沟煤矿位于银川市贺兰山上，为神华宁煤集团所属煤矿，是宁夏煤业集团中年产 量最大的煤矿之一。白芨沟煤矿是一家国有老煤矿始建于1 9 6 6 年，在国内占有举足轻重 的地位，同时也是工业发展的必需品，白芨沟煤矿由于其盛产太西无烟煤而扬名国内外， 具有独特的环保功效，多项生产经营理念和指标曾创出全国领先水平。目前煤井煤炭生产 能力每年稳定在1 6 0 万吨，使其成为宁夏乃至西北地区最大的无烟煤生产矿井。 煤矿埋深位于地下3 0 0 m 深，巷道断面为矩形尺寸4 ．5 m 3 ．5 m 。2 6 2 1 工作面东西部为 地表采煤沉陷区，工作面地表地形起伏变化较大，井下位置位于南翼采区。 井下位置东部到2 6 2 1 工作面运顺；西部至2 6 2 1 工作面回顺。 四邻采掘情况东部为已开采的2 5 2 1 工作面；西部为原南一1 4 2 1 、1 4 2 2 工作面采空 区、南三6 1 2 1 工作面采空区，其北段上方为1 5 1 1 、1 6 1 1 、1 7 1 1 工作面采空区，故使2 6 2 1 工作面成为孤岛型的开采区。 如图2 ．1 和图2 ．2 所示为2 6 2 1 工作面在井下位置的示意图。 ／2 5 2 1 N N , , t 撇 ／ 7 _ 12 6 2 l 运输颥槽 ／ ／2 嘴采嚣 ．i - 1 2 ∞i 回，飘鞭槽 图2 ．12 6 2 1 工作面平面 F i g 。2 ．1 P l a n eo f2 6 21w o r k i n gf a c e 取巷 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 ．2 煤岩层描述 图2 ．22 6 2 1 工作面断面 F i g ．2 ．2 P r o f i l eo f2 6 2 1w o r k i n gf a c e 2 6 2 1 工作面由北向南，二层煤分岔为二1 层煤与二3 层煤，本文以二3 层煤开采作为 主要研究工作面。二层煤由北向南煤层发展有逐渐变薄的趋势，二l 层煤厚为0 ．4 6 m 1 ．7 7 m ，平均煤层厚度为0 ．9 m 。 2 6 2 1 运顺煤层合并线以南区域煤层厚度及夹矸具体的情况第一层夹矸平均厚度为 1 ．O m ，厚度从0 ．4 m 增加到2 ．3 m 由北向南增厚。夹矸上煤厚从0 ．2 m 到0 ．9 m 自上向下逐渐 增厚，平均煤厚度为0 ．4 m ，由北向南厚度变小。夹矸下煤厚1 4 ．2 8 m ～1 7 ．1 5 m ，平均厚度 为1 5 ．8 5 m 。 工作面煤层分叉合并线以北煤层及夹矸情况第一层夹矸厚由O ．3 m 自上向下逐渐增 加到1 ．2 4 m ，平均厚度为0 ．7 m ；由东向西、由北向南厚度逐渐增加，岩性从北向南由松软 的炭质泥岩变为相对较厚且较硬的灰黑色粉砂岩；第一层夹矸上煤厚由北向南呈变薄趋 势，厚度由1 ．0 9 m 白上向下逐渐增加到3 ．1 4 m ，平均煤厚2 ．2 m 。夹矸下的煤层比较稳定， 厚度由1 2 ．1 2 m 增加到1 9 ．9 7 m ，平均煤厚为1 6 ．8 3 m 。 工作面底部一般会出现二层夹矸的情况，而且岩石性质和厚度都会发生较大的变化， 及其不稳定。其中北段第一层夹矸在经过探测后测得平均煤厚1 ．8 m ，厚度在0 ．4 1 m 与2 ．9 8 m 区间内变化；夹矸下探测结果显示平煤厚为1 ．2 3 m ，煤厚在1 ．1 5 m 与1 ．2 8 m 区问内变化； 第二层探测夹矸平均煤厚0 ．6 5 m ，厚度在O m 到1 ．9 6 m 之间变化，探测岩性结果显示夹矸 南部为粉砂岩层其他岩性为灰质泥岩成分。夹矸下平均煤厚为O ．4 2 m ，煤厚在O m 和1 ．2 5 m 之间。南段探测结果显示第一层夹矸平均煤厚0 ．9 8 m ，最小厚度为0 ．3 m ，最大为1 ．7 4 m 。 夹矸下煤厚平均2 ．2 9 m ，比较稳定最小煤厚为1 ．9 3 m ，最大厚度2 ．7 9 m ；第二层夹矸煤厚 平均O ．2 m ，厚度由O m 逐渐增加到0 ．5 9 m ，夹矸下煤厚平均为0 ．5 m ，煤的厚度从O m 逐渐 万方数据 辽宁_ _ 上 程技术大学硕士学位论文 增到1 ．5 2 m 。2 6 2 1 工作面巷道周围煤层详细情况如表2 1 和表2 - 2 所示，巷道围岩组成成 分如图2 ．3 所示。 表2 - 1 煤层顶底板情况 T a b ．2 1R o o fa n df l o o ro fc o a ls e a m 位置 厚度及岩性描述 ⋯ 煤层分叉合并线北平均3 0 m 厚，南平均厚度3 6 m ；为厚层状的粗砂岩颜色为 老顶 。。⋯⋯⋯ 灰白色。 ⋯．一 煤层分叉合并线北平均6 ．6 m 厚，南平均厚度为3 ．4 m ；呈现为薄层状的粉砂岩颜 直接顶 ⋯‘ 色为灰黑色。 伪顶 直接底 老底 分叉合并线北平均0 ．2 m 厚，南平均厚度1 ．0 m ；岩性为相对比较松软的砂质 泥岩。 分叉合并线北平均0 ．6 5 m 厚，南平均厚度1 ．7 m ；局部显示为砂质泥岩，整体 煤层为粉砂岩。 平均厚度为2 3 ．1 m ；岩性整体为粉砂岩颜色为灰黑色呈现薄层状。 表2 - 2 煤层物理力学参数 ⋯。。 抗压强度抗拉强度 粘聚力 内摩擦角 弹性模量容重 岩性 ， 、，。、 泊I z l 松比 ， 徊l If1 1 丘L L M P a M P a M P a 。 M P a k g ／m 3 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 二_ 二二二二二一 名称 柱状 厚度 最小～最大 岩性 描述 1 2 0 0 平均 彦汤 】l0 ～5 0 ．O 灰白色块状粗砂岩，致密坚硬， 老顶 3 0 ．0 夹薄层状细砂岩及粉砂岩。 斗乇太 一一 、 30 ～1lO 深灰色薄层状粉砂岩，局部夹 直接顶 巨塞墅 6 ．6 灰白色中厚层状及块状粗砂岩。 煤线＼言。一门 0 ．1 ～0 ．d 一陲．* 枣型， 0 ．15 ““⋯～。 灰黑色炭质泥岩。 煤光亮型，玻璃光泽。 二3 层煤 灰黑色炭质泥岩，局部为砂质 ／’j _ _ _ _ _ 0 泥岩。 夹矸 伪顶 i ／／／ 0 ．1 ～0 ．4 V ／{ 0 ．2 ∥二。 10 9 ～314 2 ．2 03 ～1 ．2 4 0 ．7 12 ．12 ～l9 ．9 7 煤光亮型，块状构造。 二3 层煤 16 ．8 3 ／／鼍 0d l ～29 8灰黑色砂质泥岩。 夹矸 ／7＼ l8 煤光亮型，玻璃光泽。 1 ．15 ～1 2 8 矸∥／j 妻心 炭质泥岩，南部为粉砂岩。 0 ～1 ．9 6 l2 3 0 ．6 5 0 ～1 ．2 5 煤，光亮型。 0q2 l 深灰