孤岛综放沿空掘巷矿压显现规律及控制.pdf

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 万方数据 论文题目孤岛综放沿空掘巷矿压显现规律及控制 工程领域矿业工程 硕 士 生由临东 签名 指导教师李树刚 签名 王红胜 签名 摘 要 以燕家河煤矿 8211 孤岛综放面为研究对象，采用理论分析、物理实验、数值模拟、 现场实测等方法对孤岛综放沿空掘巷矿压显现规律及控制展开系统分析，着重分析了 8211 工作面一侧采空和两侧采空下实体煤壁侧固定支承压力分布规律、优化了 8211 工 作面区段煤柱宽度、 分析了工作面前方移动支承压力分布规律， 确定了窄煤柱合理宽度、 深孔预裂爆破卸压参数，并开展了工业性试验分析。主要研究成果如下 （1）掌握了 8211 孤岛综放面矿压显现规律和采空区煤壁侧固定支承压力分布规 律，初步确定了沿空掘巷护巷煤柱宽度为 5.56.8m。 （2）煤柱应力随着煤柱宽度增加而增大，当煤柱宽度为 3m 时，沿空巷道围岩破坏 非常严重，锚杆及锚索没有着力点，不能充分发挥作用，因此巷道难以维护；当煤柱宽 度在 57m 范围内时，沿空巷道围岩虽有一定的变形，但仍可以满足安全生产的要求； 当煤柱宽度超过 7m 时，煤柱处于加速蠕变状态，巷道后期维护困难。 （3）针对孤岛综放沿空巷道变形特点，提出了“左旋无纵筋高强度螺纹钢树脂锚 杆高预紧力锚索补强梁网”联合支护方式。 （4）提出了深孔预裂爆破卸压技术，确定了合理爆破参数，有效降低了移动支承 压力对回采巷道的采动影响。 （5）研究成果在 8211 工作面成功应用，表明了高预应力支护系统能有效控制回采 巷道围岩变形，并取得了满意的技术经济效益。 关 键 词孤岛综放面；沿空掘巷；支承压力；煤柱；深孔爆破断顶卸压 研究类型应用研究 万方数据 Subject Strata Behavior Regularity and Control of Driving Roadway Along Goaf in Isolated Island Fully Mechanized Caving Face Specialty Mining Engineering Name You Lindong （（Signature）） Instructor Li Shugang （（Signature）） Wang Hongsheng （（Signature）） ABSTRACT Taking for No.8211 isolated island fully mechanized caving face of Yan-Jiahe mine as the research object, the strata behavior regularity and control of driving roadway along goaf in isolated island fully mechanized caving face, have been systematically analyzed by theoretical analysis, laboratory experiments, numerical simulation and industrial experiment etc. The fixed abutment pressure distribution regulation of entity coal mined-side under the condition of one side and both sides of mined was analyzed emphatically.The coal pillar’s width of No.8211 fully mechanized caving face was optimized, moving abutment pressure in front of the working face was analyzed. A reasonable width of the coal pillar and the blasting parameters were determined. And industrial test and analysis were carried out. The main research results are as follows 1The strata behavior regularity of No.8211 fully mechanized caving face and the fixed abutment pressure distribution regulation were grasped. A reasonable width of driving roadway along goaf was preliminary determined range from 5.56.8m. 2 With the increase of the width of the pillar, Pillar Stress are increasing. When the pillar width 3m, Surrounding rock of the driving roadway along goaf was damaged seriously, and anchor rod and anchor rope had no focus ,so they couldnt adequately make effort and surrounding rock was difficult to maintain; When the width were 57m, although there was a certain deation of the driving roadway along goaf, they could still meet the needs of a safe production; When the width over 7m, the coal pillars in a accelerating creep deation state, and the roadway’s later maintenance were difficulty. 3Aimming at the deation characteristics of driving roadway along goaf in isolated island fully mechanized caving face, the combined supporting technique was put forward. 4A technology of deep-hole blasting broken roof pressure relief was put forward. The 万方数据 related blasting parameters were determined, reducing the influence of moving abutment pressure on the roadway effectively. 5The research results were applied successfully at No.8211 working face, which showed that the high degree support system can control the deation of surrounding rock roadway effectively, and the satisfactory technical and economic benefits were obtained. Key wordsIsolated Island Fully Mechanized Caving Face； Driving Roadway Along Goaf； Abutment Pressure；Coal Pillar；Deep-hole Blasting Broken Roof Pressure Relief Thesis Application Study 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论........................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义......................................................................................................1 1.2 国内外研究现状..............................................................................................................2 1.2.1 采场上覆岩层活动规律研究现状...........................................................................2 1.2.2 孤岛工作面的矿压显现规律研究现状...................................................................2 1.2.3 孤岛工作面沿空巷道矿压规律研究现状...............................................................3 1.2.4 孤岛工作面巷道围岩控制研究现状.......................................................................3 1.2.5 沿空巷道煤柱留设研究现状...................................................................................4 1.2.6 存在的问题...............................................................................................................5 1.3 主要研究内容、方法及技术路线..................................................................................5 1.3.1 研究内容...................................................................................................................5 1.3.2 研究方法...................................................................................................................6 1.3.3 技术路线...................................................................................................................6 2 开采技术地质条件概况........................................................................................................8 2.1 8 煤开采现状....................................................................................................................8 2.2 8211 工作面地质概况......................................................................................................9 2.2.1 工作面地质条件........................................................................................................9 2.2.2 工作面开采技术条件..............................................................................................10 2.3 本章小结........................................................................................................................11 3 综放沿空掘巷矿压显现规律相似材料模拟分析..............................................................12 3.1 相似材料实验设计........................................................................................................12 3.1.1 相似理论.................................................................................................................12 3.1.2 相似材料及配比......................................................................................................13 3.1.3 实验方案..................................................................................................................16 3.2 实验过程 ........................................................................................................................18 3.2.1 8211 工作面左侧 8210 工作面的开挖...................................................................18 3.2.2 8211 工作面右侧 8212 工作面的开挖...................................................................23 3.3 实验结果及分析 ............................................................................................................28 3.3.1 一侧采空支承压力分布..........................................................................................28 3.3.2 两侧采空支承压力分布..........................................................................................29 3.4 沿空掘巷护巷煤柱宽度的确定 ....................................................................................30 3.5 本章小结 ........................................................................................................................31 万方数据 目 录 II 4 综放开采矿压显现规律数值模拟分析..............................................................................32 4.1 数值模型的建立 ............................................................................................................32 4.1.1 数值分析软件 FLAC3D介绍...................................................................................32 4.1.2 模型的建立..............................................................................................................32 4.2 采空区支承压力分布 ....................................................................................................34 4.3 沿空巷道合理位置的确定.........................................................................................36 4.3.1 不同宽度煤柱方案设计..........................................................................................36 4.3.2 不同宽度煤柱模拟结果..........................................................................................37 4.3.3 煤柱合理宽度确定..................................................................................................42 4.4 采动影响下煤柱煤壁应力变化规律............................................................................45 4.4.1 8211 开挖实验过程.................................................................................................45 4.4.2 8211 开挖实验结果.................................................................................................59 4.5 本章小结 ........................................................................................................................62 5 综放沿空掘巷围岩稳定性控制技术...................................................................................64 5.1 锚杆、锚索与围岩作用机理........................................................................................64 5.1.1 径向锚固力与围岩残余强度的关系......................................................................64 5.1.2 切向锚固力对围岩的加固作用..............................................................................65 5.1.3 锚索与围岩作用机理..............................................................................................66 5.2 高预紧力锚杆与围岩作用机理....................................................................................66 5.2.1 预应力锚杆对围岩挤压作用分析..........................................................................66 5.2.2 顶板预应力变化规律..............................................................................................68 5.3 高预紧力锚杆支护系统................................................................................................68 5.4 锚索钢绞线结构优化技术 ............................................................................................72 5.5 本章小结........................................................................................................................73 6 工业性试验分析...................................................................................................................74 6.1 8211 回采过程中围岩控制方案....................................................................................74 6.1.1 煤柱留设方案..........................................................................................................74 6.1.2 围岩控制技术方案.................................................................................................74 6.1.3 8211 回采过程中矿压显现特点.............................................................................75 6.2 深孔爆破断顶卸压技术 ................................................................................................75 6.2.1 深孔爆破断顶卸压机理..........................................................................................75 6.2.2 深孔爆破断顶卸压方案设计..................................................................................75 6.2.3 深孔爆破断顶卸压爆破参数及施工......................................................................77 6.2.4 深孔爆破断顶卸压效果分析..................................................................................79 万方数据 目 录 III 6.3 工作面现场实测............................................................................................................80 6.3.1 现场实测内容..........................................................................................................80 6.3.2 测站布置..................................................................................................................80 6.3.3 实测结果及分析......................................................................................................81 6.4 应用效果 ........................................................................................................................82 6.5 本章小结 ........................................................................................................................83 7 结论与展望..........................................................................................................................84 7.1 主要结论........................................................................................................................84 7.2 展望................................................................................................................................85 致 谢......................................................................................................................................86 参考文献..................................................................................................................................87 附 录......................................................................................................................................93 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 在矿井开采过程中为避免生产和接续之间的相互影响， 采区内接替工作面经常被迫 采取跳采方法，跳采的方法能够避免生产和接续之间的相互影响，减小了应力集中对回 采巷道的影响，但这种跳采方式无法避免形成两侧或三边、四边均为采空区的孤岛工作 面。对比一般采场上覆岩层运动规律，孤岛工作面表现出上覆岩层容易发生离层、覆岩 断裂高度有所增加；孤岛工作面很容易受到邻近采空区的影响，发生冲击地压的可能性 较大；巷道围岩呈现出应力集中程度有所增加、巷道难维护特点[1-4]。目前，孤岛工作 面沿空掘巷围岩控制技术得到一定的发展，但支护方式仍以传统的锚杆支护为主[5-7]， 与一般工作面相比，在孤岛工作面的沿空掘巷中应用锚杆支护更加困难，主要是由于采 空区侧的煤体受采空区固定支承压力影响，围岩破坏严重；在工作面回采过程中，巷道 受到采空区固定支承压力和工作面移动支承压力的共同作用， 巷道矿压显现强度会比掘 进期间矿压显现更加剧烈，影响范围也有所扩大[8]。 因此，对孤岛综放面沿空掘巷矿压显现规律及控制进行研究，掌握孤岛工作面覆岩 运动和破坏特征、固定和移动支承压力分布规律及其对开采的影响，掌握孤岛工作面及 沿空掘巷矿压显现规律和控制沿空掘巷围岩变形和破坏， 一方面对提高矿井安全生产效 率， 强化围岩稳固性有重要作用； 另一方面对降低巷道维护成本， 提高工人的劳动效率， 提高矿井煤炭产量和经济效益，对实现孤岛综放开采的安全、高效都具有重大的理论和 现实意义。 燕家河煤矿一、二采区布置方式为单翼条带式，在矿井开采初期为了快速达产形成 了很多孤岛工作面，其中 8103、8105 孤岛工作面在开采过程中，一方面由于煤层坚硬 （f23.5）导致工作面和巷道应力集中程度大、矿压显现剧烈、围岩破坏严重；另一方 面煤层底板有遇水易膨胀的特点，致使在推进过程中带来很大困难。本课题以燕家河煤 矿 8211 孤岛综放面为研究对象，通过多种研究方法，对该孤岛工作面上覆岩层运动及 破坏规律、孤岛工作面及巷道矿压显现规律、固定和移动支承压力分布规律及围岩控制 技术进行了深入的研究， 认清和掌握孤岛采场覆岩运动破坏特征和工作面及巷道矿压显 现规律，提出适合燕家河 8211 孤岛综放面沿空掘巷的支护技术，以保障工作面的安全 高效生产，可供同类型矿井借鉴。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 采场上覆岩层活动规律研究现状 国内外学者在采场覆岩运动规律方面做了很多工作。从 19 世纪末，很多专家学者 就对采场覆岩的存在形态及其结构进行了探索，并且提出了各种假说，其中“拱”和“梁” 的假说是最早提出的力学模型。 在 20 世纪中期， 国外提出了“铰接岩块”[6]和“假塑性梁”[7] 等力学模型，准确地推断出了采场覆岩结构存在形态，对人类的采矿事业的发展产生了 深远影响。 我国学者钱鸣高院士提出了“砌体梁”力学模型[9]， 为基本顶的初次及周期来压预测、 预报提供了坚实的理论基础。钱鸣高院士提出了关键层理论[10-17]。认为在采场覆岩中各 岩层的岩性特征有所相同，并不是每一岩层都能对采场覆岩的运动和破坏起关键性作 用，有时仅为一层或数层岩层能对采场覆岩的运动和破坏起关键性作用。因此，将对岩 体运动过程中全部或局部起关键性作用的岩层叫作关键层， 全部起关键性作用的岩层可 叫作主关键层，局部起关键性作用的岩层可叫作亚关键层。 宋振骐院士[18]提出了“传递岩梁”力学模型， 认为断裂岩块之间的相互咬合能向煤壁 前方及采空区矸石上传递力的作用；其运动的控制作用决定支架承担岩梁作用的大小； 支架对岩梁运动的抵抗程度决定了基本顶岩梁给支架的力的大小，一般存在“给定变形” 和“限定变形”两种状态。 1.2.2 孤岛工作面的矿压显现规律研究现状 阴宁宝、王会然、彭担任等采用了现场矿压观测的方法，对支架工作阻力、强度的 分析和对顶板的运动规律的探索[19]，分析了支架初撑力和工序对支架工作阻力的影响， 掌握了孤岛工作面矿压显现规律[20]，针对孤岛面在回采各时期的不同矿压特征，提出了 相应措施，达到控制围岩变形的效果，可供同类型矿井借鉴[21]。秦忠诚，王同旭对东滩 煤矿 4303 孤岛综放工作面移动支承压力分布及其在底板中的传递规律进行了研究。并 且根据具体情况提出具有针对性的防治措施，有效控制了巷道变形[22]。 张恒着重分析了是否充分采动条件下孤岛面上覆岩层断裂破坏形态以及范围， 并通 过济宁二号煤矿 23 下 03 孤岛工作面工程实践对覆岩结构形态进行验证[23]。 成云海利用 微地震定位和三维成像技术观察