倾斜煤层高强轻质砌块沿空留巷技术研究.pdf

分类号分类号TD322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 倾倾斜斜煤煤层层高高强强轻轻质质砌砌块块沿沿空空留留巷巷 技技术术研研究究 张振扬张振扬 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矿业矿业工程工程 指指导导教教师师姓姓名名李李 洪洪职职称称教教 授授 副副指指导导教教师师姓姓名名周思友周思友职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二零零一七一七年年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 倾斜煤层高强轻质砌块沿空留巷倾斜煤层高强轻质砌块沿空留巷 技术研究技术研究 作者姓名作者姓名 张张 振振 扬扬入学时间入学时间2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 矿业工程矿业工程研究方向研究方向矿矿山山压压力力及及岩岩层层控控制制 指导教师指导教师李李 洪洪职职称称教教授授 副副指导教师指导教师 周思友周思友职职称称高级工程师高级工程师 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 STUDY ON TECHNOLOGY OF GOB-SIDE ENTRY RETATNING WITH HIGH-STRENGTHLIGHT WEIGHT CONCRETE BLOCK ON DIPSEAM ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhang Zhen Yang Supervisor Professor Li Hong 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本人呈交给山东科技大学的这篇硕硕士学位论文，除所列参考文献和世所公士学位论文，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，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，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 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。 硕士硕士生签名生签名 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、使用学位论文的规定，同意本人所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 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，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其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，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，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纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫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；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆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、图书馆等场所或在校园网上供校内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。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） 硕士硕士生签名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 研究生研究生张振扬张振扬在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，完成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，论文了课程学习，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规定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。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 沿空留巷是我国无煤柱护巷技术研究的重要组成部分。 沿空留巷技术能够实 现煤炭采出率的提高、巷道掘进量的降低、解决采掘接替的矛盾、增加煤矿的服 务年限，避免煤炭资源的大量损失，其技术优势和经济效益显著。但是，随着沿 空留巷技术在我国近水平煤层的广泛应用，成本高、巷旁支护强度低、巷道变形 大、效果差等问题成为制约沿空留巷技术研究的瓶颈，因此，倾斜煤层高强轻质 砌块沿空留巷技术研究的研究有着重要的理论研究意义与工程实践价值。 本文以金刚煤矿-4111 工作面为工程背景，综合采用理论分析、数值模拟及工 程实践等方法对倾斜煤层高强轻质砌块沿空留巷技术进行了研究。首先，通过沿 空留巷顶板结构、顶板破断特征及围岩稳定性分析，建立了倾斜煤层沿空留巷相 关力学结构模型，确定了巷旁支护体不发生下滑翻转的煤层倾角范围，推导出倾 斜煤层沿空留巷巷旁支护阻力计算公式；其次，通过高强轻质混凝土设计及性能 试验，确定 LC50 高强轻质混凝土的最优配比方案。再次，运用 FLAC 数值模拟 软件建立了 0.5m、0.75m、1m 和 1.5m 四种支护体宽度模型，对不同宽度支护体 对围岩变性特征的影响进行分析，确定了留巷合理支护体宽度；建立支护体材料 分别为 C40、C50、C60、LC50 的四种模型，分析不同支护体材料对留巷围岩的 变形影响规律，确定了支护体材料的强度的合理值。最后，根据工作面现场情况 对高强轻质混凝土砌块尺寸、墙体砌筑方式进行设计；根据沿空留巷围岩应力分 布， 沿空巷道采取超前加强支护、 滞后加强支护及下出口支护三种加强支护方式； 通过现场观测分析了-4111 工作面机巷的稳定性效果，验证了倾斜煤层高强轻质 砌块沿空留巷的支护设计的合理性和科学性。 关键词关键词沿空留巷；巷旁支护；倾斜煤层；高强轻质砌块；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract II Abstract Gob-side entry retaining is our country without coal pillar mining is an important part of research. Gob-side entry retaining can improving the coal recovery ratio, decreasing roadway drivage ratio, loosing mining replacement tension, prolonging mine service-life, avoid the loss of hundreds of coal resources, technical advantages and economic benefit is remarkable. But, as the technology for nearly horizontal coal seam is widely used in our country. High cost, low intensity, large deation of roadway and poor effect problem become the bottleneck of gob-side entry retaining technology research. In this paper, with Jingang coal mine -4111 working face as the engineering background, using the s of combining theoretical analysis, numerical calculation analysis and the engineering practicet s for technology of gob-side entry retaining with high-strength light weight concrete block on dip seam were studied. For first of all, through the roof structure, roof breakage characteristics and stability analysis of surrounding rock, set up the related mechanical structure model for gob-side entry retaining, determine the roadside support body does not occur in flip of a coal seam dip angle range, derive the beside the roadway supportresistanceulaforgob-sideentry retaining; Secondly, based on high strength lightweight concrete design and perancetest,theoptimalproportionofLC50high-strength lightweight concrete was determined; Once more, Set up by using the software FLAC numerical simulation of 0.5m, 0.75m, 1m and 1.5m width of four supporting body model, analyzed the different width of the supporting body influence on surrounding rock characteristics of degeneration, to determine the reasonable support for body width. Establish C40, C50, C60, LC50 four supporting material model, analysis the different supporting material influence on the deation of surrounding rock for rule, to determine the reasonable value of the strength of the supporting material.Finally, according to the working site condition in the of high-strength lightweight concrete block size and wall masonry design; For according to the stress distribution of surroundingrock,adoptingadvancedreinforcement,lagging reinforcement and export under the support of three s for reinforcement.Analysis -4111 face machine lane stability effect, verified the seam of high strength lightweight block along the empty left lane of the supporting design of rationality and scientific nature, verified 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Abstract III the gob-side entry retaining with high-strength light weight concrete block on dip seam of the supporting design of rationality and scientific nature. Keywords gob-side entry retaining; roadside support; dip seam; high-strength light weight concrete block;numerical analysis 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ⅠⅠ 目目 录录ⅣⅣ 1绪论绪论........................................................................................................1 1.1课题的提出及研究的意义...................................................................................1 1.2国内外研究现状...................................................................................................1 1.3课题研究的主要内容和技术路线.......................................................................4 2倾斜煤层沿空留巷围岩活动规律倾斜煤层沿空留巷围岩活动规律.......................................................6 2.1工程概况...............................................................................................................6 2.2沿空留巷围岩活动规律.......................................................................................7 2.3煤层倾角对巷旁支护体稳定性的影响.............................................................12 2.4沿空留巷支护结构稳定性的关键因素分析.....................................................15 2.5本章小结.............................................................................................................16 3高强轻质混凝土砌体沿空留巷技术研究高强轻质混凝土砌体沿空留巷技术研究........................................ 17 3.1倾斜煤层沿空留巷巷旁支护阻力研究.............................................................17 3.2倾斜煤层沿空留巷巷旁支护体可缩量分析.....................................................23 3.3沿空留巷巷旁支护体宽度及宽高比.................................................................24 3.4高强轻质混凝土设计及性能试验.....................................................................25 3.5本章小结.............................................................................................................34 4数值模拟分析数值模拟分析.....................................................................................34 4.1模拟软件及其适应性分析.................................................................................34 4.2模型建立.............................................................................................................34 4.3支护体宽度对沿空留巷围岩变性特征的影响.................................................35 4.4不同支护体材料对沿空留巷围岩变形特征的影响.........................................41 4.5本章小结.............................................................................................................46 5倾斜煤层高强轻质砌块沿空留巷工程实践倾斜煤层高强轻质砌块沿空留巷工程实践.................................... 47 5.1高强轻质混凝土砌块设计.................................................................................47 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 5.2巷道支护方案.....................................................................................................48 5.3巷旁支护体稳定性设计.....................................................................................52 5.4支护效果评价.....................................................................................................52 5.5本章小结.............................................................................................................58 6结论与展望结论与展望......................................................................................... 59 6.1主要结论.............................................................................................................59 6.2主要创新点与展望.............................................................................................59 致谢致谢............................................................................................................62 参考文献参考文献....................................................................................................62 攻读硕士学位期间的研究成果攻读硕士学位期间的研究成果...............................................................65 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents VI Contents 1Introduction............................................................................................................1 1.1Topic and the significance of the research........................................................................1 1.2Research status at home and abroad.................................................................................1 1.3The main content and technical route of the research......................................................4 2The surrounding rock movement regularity of gob-side entry retaining on dip seam...............................................................................................................................6 2.1Project profile....................................................................................................................6 2.2The surrounding rock movement regularity of gob-side entry retaining.......................... 7 2.3Coal seam dip angle of the effect on the stability of the roadway supporting body.......12 2.4Analysis on key factors of stability of support structure.................................................15 2.5Summary.......................................................................................................................... 16 3Study on technology of gob-side entry retaining with high-strength light weight concrete block.................................................................................................17 3.1Study on roadside support resistance for roadway gob-side entry retaining................. 17 3.2Analysis on roadside packing for roadway gob-side entry retaining.............................23 3.3The supporting body width and aspect ratio...................................................................24 3.4High-strength lightweight concrete design and perance test..................................25 3.5Summary.........................................................................................................................34 4Numerical analysis............................................................................................... 34 4.1Simulation software and its adaptability analysis.......................................................... 34 4.2The establishment of model............................................................................................34 4.3 The width the supporting body influence on surrounding rock characteristics of degeneration.............................................................................................................................35 4.4The different supporting material influence on the deation of surrounding rock for rule............................................................................................................................................41 4.5Summary........................................................................................................46 5 Engineering practice of gob-side entry retaining with high-strength light weight concrete block.................................................................................................47 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents VII 5.1High-strength lightweight concrete block design...........................................................47 5.2Support scheme of roadway............................................................................................48 5.3The Design of Gateside Pack’s Stability........................................................................ 52 5.4Support effect uation................................................................................................52 5.5Summary.........................................................................................................................58 6 Conclusion and prospect.........................................................................................59 6.1Main conclusion..............................................................................................................59 6.2Key innovations and prospects.......................................................................................59 Thanks.........................................................................................................................62 References................................................................................................................... 62 Major outcomes during the masters degree............................................................62 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课题的提出及研究的意义课题的提出及研究的意义 在我国，留煤柱护巷一直都是矿井的传统护巷方法，然而矿井巷道总长度的 60以上均为回采巷道，采用传统的留煤柱护巷造成 1030的煤柱损失，不 仅会造成煤炭资源的浪费，也不符合国家生态文明建设要求；除此之外，回采巷 道容易受到二次采动的影响，使得回采巷道的维护难度及支护费用增加，同时， 煤柱的支撑压力也会向巷道底板传递， 从而影响煤层底板的稳定性和临近煤层的 回采[1]。 沿空留巷作为无煤柱护巷技术的代表，是我国采煤方法研究的一项重大突 破。沿空留巷技术的应用可以实现煤炭采出率的提高、巷道掘进量的降低、解决 采掘接替矛盾、消除孤岛工作面、增加矿井的服务年限，对矿井生产具有良好的 经济效益[2]。因此，沿空留巷技术研究对矿井的生产和建设都有重要意义。近年 来， 沿空留巷技术在我国正得到广泛的应用，但沿空留巷技术的研究和实践中还 存在很多问题。例如，先进的模板高水材料或混凝土充填墙沿空留巷技术，存在 成本较高、施工复杂、故障较多等问题；传统的密集支柱、矸石墙或木垛沿空留 巷，也存在巷旁支护强度低、巷道变形大、效果差等问题；这些问题阻碍了沿空 留巷技术在矿井在应用和发展。 针对现阶段沿空留巷技术存在的诸多问题，本文以金刚煤矿-4111 工作面机 巷沿空留巷为研究背景，结合工作面煤层结构复杂、倾角大等现场实际情况，提 出了倾斜煤层高强轻质砌块沿空留巷技术。该技术技术具有承载能力高、加工简 单、成本低、墙体施工简单等优点，对沿空留巷技术研究具有一定意义。本文通 过理论研究和数值模拟，分析了沿空留巷围岩活动规律、建立倾斜煤层沿空留巷 巷旁支护阻力力学模型，并将进行了高强轻质混凝土设计。论文可为金刚煤矿的 安全生产提供一定的借鉴， 且对倾斜煤层高强轻质砌块沿空留巷技术的发展研究 具有一定启示。 1.2国内国内外外研究现状研究现状 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 1.2.1沿空留巷研究现状分析沿空留巷研究现状分析 随着沿空留巷技术在我国矿井生产的广泛应用，国内专家、学者在沿空留巷 方面的理论研究也取得了丰硕的成果， 并在沿空留巷覆岩运动规律以及支护体稳 定性的研究方面做了大量的工作。 郭育光教授[3]等认为巷旁支护体具有早期强度高，增阻速度快的力学特性； 巷旁