弱胶结软岩托顶煤巷道顶板锚固支护机理研究及应用.pdf

分类号分类号 TD353 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 弱胶结软岩托顶煤巷道顶板锚固支护弱胶结软岩托顶煤巷道顶板锚固支护 机理研究及应用机理研究及应用 郭郭 磊磊 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称 采采矿工程矿工程 指导教师姓名指导教师姓名谭谭 云云 亮亮 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇二〇一 七一 七 年年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 弱胶结软岩托顶煤巷道顶板锚固支护弱胶结软岩托顶煤巷道顶板锚固支护 机理研究及应用机理研究及应用 作者姓名作者姓名 郭郭 磊磊 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力与岩层控制压力与岩层控制 指导教师指导教师 谭谭 云云 亮亮 职职 称称 教教 授授 赵赵 同同 彬彬 副副 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 2017 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期 2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 2017 年年 6 月月 万方数据 RESEARCH AND APPLICATION OF ANCHORAGE SUPPORT MECHANISM IN ROOF OF WEAKLY CONSOLIDATED SOFT ROCK JOE TOP-COAL ROADWAY A dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Guo Lei Supervisor Professor Tan Yunliang College of Natural Resources and Environmental Engineering June 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，除所列参考文献和世所公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 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。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包标明引用的内容外，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、使用学位论文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，同意本人所的规定，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指定机构送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；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库发表，并可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关数据库发表，并可 以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案馆和图书馆保留学位论文的以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；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，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和 科研目的，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、图书馆等场所科研目的，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、图书馆等场所 或在校园网上供校内师生阅读、浏览。或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密（保密的学位论文在解密后适用本授权）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， 按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内， 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、数据、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中的观点、数据、表述和结构为我所认同，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 II 摘摘 要要 本文以红庆梁煤矿 11301 工作面回风顺槽为工程背景，采用室内试验、理 论分析、数值模拟和现场监测相结合的方法，分析托顶煤巷道顶板变形破坏规 律，揭示了针对弱胶结软岩托顶煤巷道顶板锚杆锚索作用机理，为托顶煤巷道 支护优化设计提供理论依据。主要的研究内容及结论有 （1）通过室内试验，测得了 11301 工作面顺槽顶煤及不同深度上覆泥岩力 学参数，分析可知顶板近煤层泥岩与远煤层泥岩力学性质不同，结合岩石浸水 试验分析得知该工作面托顶煤巷道顶板泥岩具有典型软岩特性，现场顶板钻孔 电视探测发现，11301 工作面托顶煤巷道顶板泥岩中下部层位出现离层，泥岩 明显分层。 （2）通过构建托顶煤巷道结构力学模型，给出了帮煤在水平应力作用下对 顶煤产生弯矩的表达式，该弯矩削弱了垂直应力对顶煤的作用，表明弱胶结软 岩托顶煤巷道顶煤对顶板稳定性具有促进作用。 （3）根据顶板煤岩层受力状态分析，通过理论分析提出用煤梁与岩梁弹性 模量比值作为顶煤与近煤层泥岩是否发生离层的依据，求得了考虑帮煤对顶煤 弯矩作用下的顶煤与近煤层泥岩所受最大拉应力表达式，并以此作为顶板失稳 破坏判据。 （4）数值模拟研究表明，可通过调节顶板煤层厚度促进巷道顶板安全稳 定，11301 回风顺槽适宜顶煤厚度为 1.5-1.75m。顶煤赋存稳定，且顶煤对巷道 顶板稳定具有促进作用，提出适合于弱胶结软岩托顶煤巷道顶板锚固支护设计 的“浅层加固梁”支护模型。 （5）基于“浅层加固梁”支护模型研究分析，弱胶结软岩托顶煤巷道顶板 锚杆主要作用为锚固顶煤与近煤层泥岩，使之成为加固梁，等效增加锚固体弹 性模量， 提高锚固体强度， 为锚索支护提供稳定基础。 依据该模型分析， 对 11301 工作面顺槽支护方案进行优化，现场应用取得良好效果。 关键词关键词弱胶结软岩；托顶煤巷道；浅层加固梁；锚固控制 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT III ABSTRACT This paper analyzes the deation and failure law of top roof of top coal Roadway which takes the 11301 working surface air return roadway of Hongqingliang Coal Mine as a case, by combination of mechanical test, theoretical analysis, numerical simulation and field monitoring. The paper puts forward the mechanism of bolt and cable on the roof of the soft coal caving roadway, and provides the theoretical basis for the optimization of the support of the roof coal roadway. The main research contents and conclusions are as follows 1 Through indoor test, measuring 11301 working face gateway top-coal overlying mudstone mechanical parameters and different depth, analysis of roof near coal bed mudstone and coal shale mechanical properties, combined with rock water immersion test analysis that the working face supporting top-coal roof mudstone with typical soft rock properties of roadway, the roof borehole TV detection found that 11301 working face supporting roadway roof strata appear in the mudstone part top-coal abscission, mudstone layers obviously. 2 Through building the coal roadway structure mechanics model, gives the help coal under the action of horizontal stress expression of coal bending moment, the moment weaken the effect of vertical stress on top-coal, shows that weak cementation of soft rock supporting caving roadway caving has a promoting effect on roof stability. 3 According to roof strata stress analysis, through theoretical analysis on coal beam and YanLiang elastic modulus ratio as the top-coal and nearly coal shale is the basis of abscission layer, obtained considering for coal under the action of the bending moment of the top-coal caving and nearly coal shale expression, the maximum tension stress as roof failure criterion. 4 The numerical simulation results show that the safety and 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT IV stability of the roof slab can be increased by adjusting roof coal seam thickness, 11301 return wind is suitable for roof coal thickness 1.5-1.75 m. For top-coal stable occurrence, and the roadway roof stability has a promoting effect on top, put forward suitable for weakly consolidated anchorage support of soft rock supporting caving roadway roof design of “shallow reinforcement beam model. 5 “Based on“ shallow reinforcement beam model analysis, weak cementation soft rock roadway roof bolt support top-coal main role is the anchoring of top-coal and nearly coal shale, making it the reinforced beam, equivalent increase anchor solid elastic modulus, increase the anchor solid strength, to provide a stable foundation for anchor cable. According to the model analysis, the optimization of the support scheme of 11301 working face is optimized, and the site application is good. Keywords weak cementation soft rock, top coal roadway, shallow reinforcement beam, anchoring control 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 目目 录录 1 绪论绪论 ..............................................................................................1 1.1 课题的提出及研究意义 ..................................................................................1 1.2 国内外研究现状 ..............................................................................................2 1.3 主要研究内容与技术路线 ..............................................................................8 2 托顶煤巷道顶板托顶煤巷道顶板钻孔探测及煤岩钻孔探测及煤岩力学性质力学性质研究研究......................... 11 2.1 托顶煤巷道基本形式 .................................................................................... 11 2.2 托顶煤巷道顶板钻孔探测 ............................................................................12 2.3 托顶煤巷道顶板煤岩力学特性测定 ............................................................15 2.4 托顶煤巷道顶板变形破坏特征分析 ............................................................25 2.5 本章小结 ........................................................................................................27 3 托顶煤巷道顶板托顶煤巷道顶板锚固机理分析锚固机理分析 ...................................................28 3.1 托顶煤巷道结构力学模型建立 ....................................................................28 3.2 托顶煤巷道顶煤稳定性分析 ........................................................................32 3.3 顶煤厚度对围岩稳定性影响数值模拟 ........................................................37 3.4 托顶煤巷道锚杆锚索作用机理分析 ............................................................44 3.5 本章小结 ........................................................................................................47 4 托顶煤巷道顶板托顶煤巷道顶板控制控制方案方案及及工程工程应用应用........................................49 4.1 弱胶结软岩托顶煤巷道顶板“浅层加固梁”支护模型 ............................49 4.2 托顶煤巷道顶板控制方案设计 ....................................................................52 4.3 11301 工作面顺槽顶板锚固支护参数优化..................................................54 4.4 现场应用效果 ................................................................................................67 4.5 本章小结 ........................................................................................................69 5 结论与展望结论与展望 .................................................................................70 5.1 主要结论 ........................................................................................................70 5.2 不足与展望 ....................................................................................................70 参考文献参考文献 ..........................................................................................72 致谢致谢 ..................................................................................................76 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ....................................................................77 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Content VI Content 1 Introduction ..................................................................................... 1 1.1 Background and Significance of the Research......................................................... 1 1.2 Research Status of Domestic and Overseas............................................................. 2 1.3 Main Research Contents and s ................................................................... 8 2 Study on Roof In-situ and Mechanics Properties of Top Coal Roadway ....11 2.1 The Basic of Roof Coal Roadway ............................................................... 11 2.2 Study on The in Situ Characteristics of Roof in Roof Coal Roadway ....................... 12 2.3 Determination of Mechanical Properties of Roof Rock in Roof Coal Roadway ......... 15 2.4 Analysis of Roof Deation and Failure Mechanism of Roof Coal Roadway ......... 25 2.5 Brief Summary of the Chapter ............................................................................ 27 3 Analysis Roadway Roof Caving.........................................................................28 3.1 Establishment of Mechanical Model of Roof Roof in Top Coal Roadway................. 28 3.2 Analysis Caving Roadway Roof Stability ............................................................. 32 3.3 Numerical Simulation Sudy on Impact of Top Coal Thickness on Surrounding Rock . 37 3.4 Analysis on Mechanism of Bolt and Anchor Cable in Top Coal Roadway................. 44 3.5 Brief Summary of the Chapter ........................................................................... 47 4 Control Scheme to Determine and the Analysis of Engineering Application Roadway Roof Top-coal ......................................................................................49 4.1 Put Forward “Shallow Reinforcement Beam ”Theory of Weakly Consolidated Soft Roadway Roof Top-coal ..................................................................................... 49 4.2 Control Research of Roadway Roof Base on the “Shallow Reinforcement Beam ”Theory ................................................................................................... 52 4.3 Anchoring Support Parameters Optimization Design of 11301 Face Gateway Roof ... 54 4.4 The Control Effect Analysis and the Deation Field Testing Roadway Roof ........ 67 4.5 Brief summary of the chapter.............................................................................. 69 5 Conclusions and Outlooks ..................................................................................70 5.1 Main Conclusions ............................................................................................. 70 5.2 Inadequate and Outlooks.................................................................................... 70 References ................................................................................................................72 Acknowledges ..........................................................................................................76 Academic Achievements ...........................................................................................77 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 锚杆支护已成为我国煤矿巷道的主要支护方式， 自从上世纪 80 年代中后期 在几个矿区进行一些基础性的研究和试验以来，经过 20 余年的发展，目前我国 国有大中型煤矿煤巷锚杆支护应用的比例已经达到 90[1]。锚杆支护的广泛应 用改善了支护效果、降低了支护成本、加快了成巷速度、提高了巷道断面利用 率，已成为煤矿高产高效生产必不可少的配套技术[2]。然而由于留顶煤巷道地 质条件的复杂性与多变性，对该类巷道锚固支护机理还有待全面系统研究。 近年来，锚杆支护在我国东部地区托顶煤巷道支护过程中得到广泛应用， 锚杆支护在控制围岩变形、阻止顶板离层等方面效果显著[3]。但是我国东部地 区可采煤炭资源日趋枯竭，煤矿开采逐步向山西、新疆、内蒙古等以软岩分布 为主的中西部地区转移，软岩具有强度低、遇水泥化、易软化等特点，西部地 区托顶煤巷道软弱围岩强度一般与顶煤强度接近甚至更低，岩层自身承载能力 弱，煤层赋存较为完整，该类巷道顶板变形破坏规律有待深入研究，弱胶结软 岩托顶煤巷道顶板锚固支护机理及围岩控制问题急需得到解决。 室内试验结合工程现场研究表明， 11301 工作面赋存煤层变质程度低、 煤岩 层之间粘结性弱，煤层顶板为强度较低的泥岩。矿方通过现场试验表明留设 一定厚度顶煤对巷道稳定性具有促进作用，因此确定了托顶煤巷道布置方案， 巷道采用锚固支护，工程应用效果总体较好，但仍缺乏软弱围岩条件下托顶煤 巷道顶板破坏规律及锚固支护作用机理的研究，无法满足托顶煤巷道支护长期 稳定要求。 本论文的研究，通过参考前人文献对不同断面形式煤巷进行了总结，分析 托顶煤巷道与其他断面形式煤巷区别在于顶煤帮煤为一体化结构，通过室内试 验、理论分析、数值模拟相结合的方法研究了托顶煤巷道顶煤受帮煤弯矩作用 对巷道稳定产生的影响，以此为基础分析托顶煤巷道顶板变形破坏规律及托顶 煤巷道顶板锚固支护作用机理，并提出适合于弱胶结围岩托顶煤巷道顶板支护 设计理论及设计方法。本文的研究对 11301 工作面顺槽的安全合理支护提供了 理论依据，同时，研究弱胶结软岩托顶煤巷道顶板变形破坏机理及支护控制对 该类工程实践具有重要意义。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 煤巷顶板变形破坏机理研究现状煤巷顶板变形破坏机理研究现状 当前世界主要产煤国家包括美国、澳大利亚、俄罗斯、南非等国家，然而 在这些国家采矿时遇到厚层复合顶板的情况较少[4]。各个国家的煤炭资源的赋 存条件各不相同，但与我国相比，其露天开采比重较大且顶板条件更好[5]，这 些国家的学者仅对含软弱夹层的复合顶板进行了少量研究，例如，Gregory M.Molinda 通过对宾夕法尼亚州的匹兹堡矿床研究得出，其中含软弱塑性粘土 及煤层是导致直接顶弱化的主要原因，认为平行于滑移面的横向软弱夹层是复 合顶板破坏的主要原因， 并指出复合顶板容易发生冒顶[6]； C.DIDIER和K G Hurt 等指出软弱的、复合的顶板容易冒顶，甚至有时候是数米高的大面积冒顶[7-8]； Andrej Blazic 等认为在复合顶板承载能力差的巷道中应尽量构建顶板锚杆等主 动支护结构[9]； N.I.Aziz、 Junlu Luo 和 P.K. Mandal 等则认为控制与加固复合顶 板的首要任务是提高不同薄弱夹层间的凝聚力，使各分层组成坚固的复合梁式 结构，以显著提高其抗弯强度与刚度，并转移上部载荷[10-12]。 我国煤矿地质条件大多比较复杂，开采过程中遇到复合顶板的情况较多， 因此，国内学者对复合顶板的变形破坏机理和控制技术进行了一系列针对性研 究。国内学者大多是从以下两方面进行一是顶板岩体的受力情况，二是顶板 岩体各岩层间互相作用力的计算。 层状岩体中煤巷开挖后复合顶板下部反力消失，一部分上部荷载传向巷道 两帮，一部分直接作用于顶板岩层。上部荷载的作用使得煤巷顶板向开采侧发 生挠曲变形，再加上水平构造应力与其自身重力的作用，顶板挠曲变形加剧[13]。 潘生健[14]用数值模拟对五凤煤矿复合顶板巷道进行模拟计算，根据对模拟结果 的分析认为在巷道顶、底板处，将发生破坏，剪切破坏将在巷道角部应力集中 区域产生。复合顶板岩层中节理裂隙较为发育，在水平构造应力的作用下，裂 隙会发生贯通，也将导致顶板岩层破坏[15]。巷道开掘后，顶板上部岩层的压力 一部分由下层岩体承担，另一部分则转移至巷道两帮角处，角部由于应力集中 将产生塑性区，进而更容易产生剪切破坏。顶板下层岩体则发生挠曲变形。由 于顶板各岩层的物理力学性质的不同，挠曲变形量不同，导致顶板离层发生[16]。 由于煤巷复合顶板中软弱夹层的存在，使得其在刚开挖后高应力作用下软 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 弱夹层未破坏时各岩层协调变形，当软弱夹层由于其强度较小而破坏后顶板各 岩层就会出现应力重新分布现象[17-18]。复合顶板中的软弱夹层决定了复合顶板 的破坏形式及其后续发展，一般情况下复合顶板中的软弱夹层较薄，其自身抗 拉强度极弱， 荷载作用下软弱夹层自身及与上下岩层界面处均容易发生破坏[19]。 陈勇[20]认为工作面由于复合顶板中各层之间存在的强度差异，在顶板受到 采动影响后，软岩极易发生破坏垮落，下位岩层破坏后，上覆岩层由于原生裂 纹与次生裂纹的存在，导致岩层承载力下降，在没有支护的情况下将继续垮落。 刘少伟等[21]分析认