坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓形成机理及控制技术研究.pdf

分类号分类号TD745密密级级 公公开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 坚坚硬硬顶顶板板薄薄煤煤层层沿沿空空留留巷巷底底鼓鼓形形成成机机理理 及及控控制制技技术术研研究究 孟浩然孟浩然 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称采矿工程采矿工程 指指导导教教师师姓姓名名宁建国宁建国职职称称副教授副教授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇一七年十二〇一七年十二二月月 万方数据 论文题目论文题目 坚坚硬硬顶顶板板薄薄煤煤层层沿沿空空留留巷巷底底鼓鼓形形成成机机理理 及及控控制制技技术术研研究究 作者姓名作者姓名孟浩然孟浩然入学时间入学时间2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向矿矿山山压压力力及及其其控控制制 指导教师指导教师宁建国宁建国职职称称副教授 论文提交日期论文提交日期2017 年年 12 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 12 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY ON HEAVE ATION MECHANISM AND CONTROL TECHNOLOGY FOR GOD-SIDE ENTRY IN THIN COAL SEAM WITH HARD ROOF A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Meng Haoran Supervisor Associate ProfessorNing Jianguo College of mining and safety engineering Dec 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，，除所列参考文献和世所公除所列参考文献和世所公 认的文献外认的文献外，，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。。除文中已经除文中已经 标明引用的内容外标明引用的内容外，，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留本人完全了解山东科技大学有关保留、、使用学位论文的规定使用学位论文的规定，，同意本人所同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。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作为申请学位的条件之一，，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版指定机构送交论文的电子版和纸质版；；有权将学位论文的全部或部分内容编入有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表有关数据库发表，，并可以以电子并可以以电子、、网络及其他数字媒体形式公开出版网络及其他数字媒体形式公开出版；；允许学允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，，可以使用影印可以使用影印、、缩印或扫缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文描等复制手段保存和汇编学位论文；；为教学和科研目的为教学和科研目的，，学校档案馆和图书馆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图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名导师签名导师签名 日日期期日日期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生在规定的学习年限内在规定的学习年限内，，按照培养方案及个人培养计划按照培养方案及个人培养计划，， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，， 论文中的观点论文中的观点、、数据数据、、表述和结构为我所认同表述和结构为我所认同，，论文撰写格式符合学校的相关论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 坚硬顶板薄煤层工作面回采过程中，沿空巷道受采动影响发生较大的围岩 变形，底鼓现象尤其严重，严重影响了工作面的安全有序高速生产。本文以姜 家湾煤矿 8213 工作面 2213 机轨合一巷为研究对象， 通过理论分析、 数值模拟、 现场监测等手段，研究了坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓机理，分析了引起巷道 底鼓主要影响因素， 设计了 2213 机轨合一巷成套底鼓控制技术， 主要结论如下 （1）根据底鼓成因及地质因素，确定姜家湾煤矿 2213 机轨合一巷属于包 括挤压流动底鼓与挠曲褶皱底鼓的复合型底鼓，而引起巷道底鼓的主要原因是 底板 2.7 m 软弱砂质泥岩、水平构造应力及不合理的支护方式。 （2） 建立了沿空留巷底鼓力学模型， 推导出沿空留巷过渡期底鼓量计算公 式，并根据 2213 机轨合一巷现场工程地质条件，计算得知 2213 机轨合一巷稳 定后底鼓量为 0.242 m，与实测结果基本一致。 （3） 通过算例分析和数值模拟， 研究了不同工程地质条件下巷道底鼓量变 化规律。结果表明，随着巷道埋深及构造应力的增加，巷道底鼓量急剧增大； 实体煤帮支护阻力可有效控制巷道底鼓，加强对实体煤帮的支护，有利于实现 巷道围岩的稳定；巷道宽度、充填体宽度及充填体弹模的增大，同样导致巷道 底鼓量的增加。 （4） 对比分析了不同类型底板控制技术条件下的垂直应力与垂直位移， 结 果表明，采用注浆锚索与卸压槽的联合支护效果较好，配合巷旁不等强充填体 支护，可以达到理想的控制效果。结合姜家湾煤矿 8213 工作面具体地质条件， 提出坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓控制原则， 设计了 2213 机轨合一巷成套底鼓 控制技术，包括加强巷内支护、巷旁不等强充填体支护、巷内底板开卸压槽、 留巷前注浆加固底板等，并在现场进行了工业性试验，实现了控制巷道底鼓的 目的。 关键词关键词沿空留巷；底鼓机理；影响因素；充填体；底鼓控制技术 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract II Abstract In the process of mining in working face in thin coal seam with hard roof, the gob-side entry is in great deation affected by mining, while the floor heave phenomenon is particularly serious, so that the safe, orderly and high-speed production in working face is seriously affected. The 2213 machine and orbital roadway of 8213 working face in Jiangjiawan coal mine was taken as the research object, through the theoretical analysis, numerical simulation and field monitoring et al ways ,the mechanism of floor heave in gob-side entry in thin coal seam with hard roof was studied, and the main influencing factors of floor heave of roadway was analyzed. The set of floor heave control technology for 2213 machine and orbital roadway was designed, the main conclusions are as follows （1）According to the cause of floor heave and geological factors, it belongs to compound floor heave including extrusion-flow heave and flexure-fold heave in Jiangjiawan coal mine, and the main reasons caused the floor heave of roadway are the 2.7m soft sandy mudstone at the floor, the horizontal tectonic stress and unreasonable support mode. （2 ） The floor heave mechanics model for the gob-side entry during transition period was established, and the ula of the amount of floor heave in the gob-side entry during transition period was deduced. According to the engineering geological conditions of 2213 machine and orbital roadway, the calculation amount of floor heave was 0.242m, which was basically identical with the measured results. （3）Through the example analysis and numerical simulation, the change trend of amount of floor heave of roadway under different engineering geological conditions was studied. Results show that with the increase of buried depth and tectonic stress of roadway, the amount of floor heave increase sharply. Support resistance at entity coal side can control the floor heave of roadway effectively, and strengthen the support of entity coal side is conducive to the stability of roadway surrounding rock. The increase of roadway width, filling body width and filling body elastic modulus also causes the increase of the amount of floor heave of roadway. （4）Vertical stress and the displacement results under the different types of floor control mode was contrast analyzed. The results show that the grouting anchor rope combined support with pressure relief slot effect is good, and with the range on supporting strong filling body, can achieve the ideal control effect. Combined with the specific geological conditions of 8213 working face, the control principle for floor heave in gob-side entry in thin coal seam with hard roof was put forward. The set of floor heave control technology for 2213 machine and orbital roadway 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract III was designed, which includes strengthening support inside roadway, different strengthen filling body at lane support, taking pressure relief tank at floor, and grouting reinforcement floor before the gob-side entry etc. The industrial test shows that the goal of controlling the roadway floor heave is achieved. Keywords gob-side entry; mechanism of floor heave; influence factors; filling body; control technology for floor heave 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 IV 目目录录 摘摘要要........................................................................................................I 目目录录.....................................................................................................IV 1 绪论绪论....................................................................................................... 1 1.1 问题的提出与选题意义...................................................................................... 1 1.2 沿空留巷底鼓问题研究现状.............................................................................. 2 1.3 主要研究内容与技术路线.................................................................................. 5 2 坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓特征坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓特征.................................................. 7 2.1 工程概况.............................................................................................................. 7 2.2 2213 机轨合一巷变形规律................................................................................ 10 2.3 坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓特征与分类.................................................... 12 2.4 本章小结............................................................................................................ 14 3坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓形成机理坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓形成机理......................................15 3.1 坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓机理分析........................................................ 15 3.2 坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓力学模型........................................................ 16 3.3 坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓量影响因素分析............................................ 21 3.4 本章小结............................................................................................................ 37 4坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓控制技术坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓控制技术......................................39 4.1 坚硬顶板薄煤层沿空留巷底鼓控制技术........................................................ 39 4.2 数值模型的建立................................................................................................ 39 4.3 底板控制技术模拟结果分析............................................................................ 42 4.4 本章小结............................................................................................................ 45 5现场现场应用应用...........................................................................................47 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 5.1 2213 机轨合一巷成套底鼓控制技术................................................................ 47 5.2 2213 机轨合一巷围岩变形规律监测................................................................ 53 5.3 沿空留巷底鼓控制效果评价............................................................................ 57 5.4 本章小结............................................................................................................ 58 6结论、创新点与展望结论、创新点与展望.......................................................................59 6.1 主要结论............................................................................................................ 59 6.2 创新点................................................................................................................ 60 6.3 展望与不足........................................................................................................ 60 参考文献参考文献.................................................................................................61 致致 谢谢....................................................................................................... 65 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果.........................................................................66 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VI Contents 1 Introduction.............................................................................................................1 1.1 Raise of Problem and Topic Significance.................................................................................1 1.2 Research Status of Floor Heave Problem in Gob-side Entry.................................................... 2 1.3 Main Research Contents and Technical Route..........................................................................5 2 Floor Heave Characteristics in Gob-side Entry in Thin Coal Seam with Hard Roof.........................................................................................................................7 2.1 Project Summary........................................................................................................................7 2.2 Deation Regularity of 2213 Machine and Orbital Roadway....................................... 10 2.3 Characteristics and Classification of Floor Heave in Gob-side Entry in Thin Coal Seam with Hard Roof.................................................................................................................................12 2.4 Brif Summary...........................................................................................................................14 3 ation Mechanism of Floor Heave in Gob-side Entry in Thin Coal Seam with Hard Roof.........................................................................................................15 3.1 Mechanism of Floor Heave in Gob-side Entry in Thin Coal Seam with Hard Roof..............15 3.2 Mechanical Model of Floor Heave in Gob-side Entry in Thin Coal Seam with Hard Roof...17 3.3 Influence Factors of Floor Heave in Gob-side Entry in Thin Coal Seam with Hard Roof.....21 3.4 Brif Summary...........................................................................................................................38 4 Floor Heave contrlo technology in Gob-side Entry in Thin Coal Seam with Hard Roof.................................................................................................................39 4.1 Control technology of floor heave in Gob-side Entry in Thin Coal Seam with Hard Roof...39 4.2 Establishment of the Numerical Model................................................................................... 39 4.3 Floor control technology simulation results analysis.............................................................. 42 4.4 Brif Summary...........................................................................................................................45 5 Floor Heave Control Technology and Application in Gob-side Entry in Thin Coal Seam with Hard Roof.....................................................................................47 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VII 5.1 Sets of Floor Heave Control Technology in 2213 Machine and Orbital Roadway................ 47 5.2 Monitoring of Surrounding Rock Deation in 2213 Machine and Orbital Roadway.......52 5.3 uation for Floor Heave Control Effect..............................................................................57 5.4 Brif Summary...........................................................................................................................58 6 Conclusion, Innovation and Prospect.................................................................59 6.1 Main Conclusion......................................................................................................................59 6.2 Innovation ...............................................................................................................................60 6.3 Prospect and Shortage..............................................................................................................60 Reference.................................................................................................................. 61 Acknowledgements..................................................................................................65 Main Achievements and Rewardings During the Master....................................66 万方数据 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 问题的提出与选题意义问题的提出与选题意义 我国煤炭资源储量非常丰富， 煤炭产量多年来稳居世界各国之首。 据统计， 煤炭在我国不可再生能源消耗中所占的比例达到 70以上，且在世界的不可再 生能源消耗中所占的比重也达到了 25[1]。近年来随着我国对于环境保护的重 视，煤炭资源随着国家的调控政策在能源结构中的比例在逐年下降，虽说国家 大力发展清洁能源例如风能、水能、太阳能。但是在能源利用方面还是以煤 炭为主而且在一段时间内仍然不会改变，煤炭仍然充当经济发展的驱动力量而 扮演重要角色[1]，我国能源生产总量和构成见表 1.1[2]。 表表 1.1我国能源生产总量和构成我国能源生产总量和构成[2] Table1.1Total production of energy and its composition in our country 年份能源生产总量（万 t 标准煤） 构成（能源生产总量100） 原煤原油天然气水、核、风电 19858554672.820.92.04.3 199010392274.219.02.04.8 199110484474.119.22.04.7 199311105974.018.72.05.3 199512903475.316.61.96.2 199713241074.117.32.16.5 199912593572.618.22.76.6 200113744571.817.02.98.2 200316384275.114.82.87.3 200520587676.512.63.27.7 200723700076.611.33.98.2 200927461977.39.94.18.7 201131798777.89.14.38.8 201233184876.58.94.310.3 201335878475.68.94.610.9 201436000073.28.44.813.6 随着煤矿开采深度的增加，巷道所处的应力环境越来越复杂，巷道围岩大 变形现象层出不穷。巷道底鼓将导致断面变形，不仅不利于工作面通风而且影 响运输与行人安全，特别是复杂情况下巷道需要重新维修和支护，因此增加了 巷道维护难度和成本。与此同时，沿空留巷[3]是实现无煤柱开采、降低巷道掘 进率、提高资源采出率最有效的方法之一。通过采用人工构筑充填墙体将回采 巷道保留下来供下工作面回采使用，实现了本工作面的“Y”型通风，解决了上 隅角瓦斯积聚难题[4]。但沿空留巷过程中不可避免会出现巷道底鼓现象。另外 巷道底鼓还会影响两帮与顶板的应力状态变化，致使整个承载结构产生一系列 万方数据 山东科技大学硕士学位论文1 绪论 2 的变化，影响巷道的整体稳定性。