黄玉川煤矿回采巷道支护技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 黄玉川煤矿回采巷道支护技术研究 英文题目英文题目Research on roadway supporting in Huang yuchuan coal mining 学位类学位类别别工 程硕 士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名雷明学号学号201202461 学科学科领域领域名称名称矿 业 工 程 指导教指导教师师熊 崇 山职称职称高 工 协助指导教师协助指导教师职称职称 2014 年 6 月 6 日 分类号分类号TDTD353353密密级级公开公开 U D C 学校代码学校代码10127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 巷道的合理支护是保证矿井安全生产的必备条件，特别是随着开采加深， 围岩压 力显现严重，巷道维护越来越困难。针对松软煤岩回采巷道的支护，更是支护领域的 难题。目前，锚网索复合支护在生产实践和理论方面均是一种先进的支护方式。在软 岩巷道中把这种支护方式能够应用好的话，必定可以获得相当大的价值。 本论文采用实验室实验、理论分析、工程实践和现场监测相结合的方法，对软岩 巷道锚网索复合支护技术进行了系统研究。通过现场取样， 在内蒙古科技大学矿业工 程学院实验室对围岩的物理力学参数进行测定，为设计提供基础数据； 根据黄玉川煤 矿 6上煤层回采巷道出现的具体问题，结合巷道围岩破坏类型与机理、锚杆锚索支 护理论、影响锚杆支护质量因素分析，以此为依据进行巷道支护理论研究；根据松动 圈的物理状态和测试机理，比较各类测试方法，运用超声波探测法，选取 PDH-2 型声 波检测仪器的单孔探测法对现场进行实测， 6上煤-540m 水平回风巷道松动圈的范围为 1.34m～1.60m，依照围岩松动圈分类依据，此围岩属于中松动圈，是软岩。参考软弱 围岩的支护原则和形式，选择了“锚杆＋锚索＋金属网＋W 钢带”的支护方式；基于 松动圈支护理论分析，采取组合拱理论、悬吊理论对锚杆的参数进行计算；根据参数 的计算结果，初选四种支护方案，采用 FLAC 3D数值软件模拟各个设计方案不同方向的 应力云图、 位移云图和塑性区分布等， 绘制巷道围岩位移折线图和径向应力 （压应力） 折线图对模拟结果进行进行详细的定性与定量对比分析，确定最终支护方案。 之后采 用后处理软件 Tecplot，选取具有代表性的位移云图和最大主应力图对最终支护方案 进行确认；在回采巷道的掘进期和回采期，采用“十”字布点法对巷道顶底板、两帮 位移观测，运用双高度顶板离层指示仪对深基点和浅基点变形监测， 锚杆拉力仪对杆 体受力等数据的观测和汇总，绘制折线图进行分析，验证黄玉川煤矿 6 上煤层回采巷 道实用有效的支护形式，为控制围岩变形，优化锚杆参数提供理论依据。 关键词关键词软岩；回采巷道；支护技术；数值模拟 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Reasonable roadway supporting is the essential condition of coal mine safety in production, especially with the mining getting deeper, the surrounding rock stress apparently appeares serious,and the roadway maintenance is getting more and more difficult.Roadway support in soft rock coal mining is also a big problem in the field of support.At present, the anchor wire rope composite support in production practice and theory is an advanced way of support.If this support theory in soft rock roadways can be used well, there must considerable values can be obtained. The of the combination of network and cable in soft rock tunnel excavation compound supporting technology has been carried on for system research,based on the combination of the laboratory experiment, theoretical analysis and engineering practice and field monitoring. In Inner Mongolia University of Science and Technology institute of mining engineering laboratory,the physical and mechanical parameters of surrounding rock from the field are measured,and they can provide basic datas for the research;According to Huang Yuchuan on six specific problems in the coal seam mining in coal mine, in this paper the research of the roadways support theory focuses on the combination of the following factors such as surrounding rock of roadway destruction type and mechanism, the bolt anchor theory, analysis of factors influencing the quality of the bolt support, on this basis for roadway support theory research;According to the physical state and the testing mechanism of the loose circle, comparing various types of testing s,and then with the ultrasonic detection ,the paper gets the field loose circle datas of the level 6 on coal-540m horizontal return wind tunnel using PDH-2 type acoustic detection equipment with the Single hole detection . Finally the range of the loose circle is from 1.34m to 1.60m. And according to the classification of the based rock loose circle,the surrounding rock is soft rock,belonged to middle loose circle. Reference to the supporting principle and of the soft weak rock, this paper uses a way of support named “Bolt Anchor Metal MeshW strip“ ;Based on the theory of the loose circle of supporting analysis,in the paper the calculation of the anchor parameters uses the of the combination arch theory and the suspension theory to calculate the parameters of the 内蒙古科技大学硕士学位论文 III anchor rod;According to the parameters of the calculation results, this paper selects four primary supporting plans,then uses the FLAC3Dsoftware numerical to simulate the various different directions stress nephogram, displacement contours and the plastic zone distribution etc of each primary support plan,and draws the radial displacement and the stress line chart of surrounding rock ,and finally the simulation results are detailed qualitative and quantitative analysis, then the support plan is determined.After using post-processing software Tecplot, selecting the typical displacement nephogram and the maximum principal stress diagram,the final support scheme is confirmed;In the excavation and recovery period of the roadway,the paper gets some datas from the below measurments the displacement observation to the roadway roof, floor and the two sides using the “cross“ distribution ,the deation monitoring to the deep and shallow points using the double height roof separation indicator,and observations to the rod force with the bolt tension instrument.Then the paper collects the datas together,such as bolt drawing line chart analysis, and this support theory is a practical and effective support to Huang Yuchuan six coal mine coal seam mining. It can provide the theory basis for controlling the deation of the surrounding rock and the optimization of anchor parameters. KeyKey WordsWordsSoft rock;Extraction roadway;Supporting technology; The numerical simulation 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目录录 摘要.................................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................................II 1 绪论................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义.....................................................................................................1 1.2 国内外软岩巷道工程研究现状.............................................................................1 1.2.1 软岩巷道工程支护理论的国外研究现状..................................................1 1.2.2 软岩巷道工程支护理论的国内研究现状..................................................3 1.2.3 软岩回采巷道支护技术进展情况..............................................................4 1.3 论文研究主要内容及方法.....................................................................................5 1.3.1 研究内容......................................................................................................5 1.3.2 研究方法......................................................................................................5 2 黄玉川煤矿回采巷道软岩物理力学性质分析................................................................7 2.1 工程概况.................................................................................................................7 2.1.1 煤层概况......................................................................................................7 2.1.2 围岩地质构造..............................................................................................7 2.2 软岩介绍.................................................................................................................8 2.2.1 软岩的概念..................................................................................................8 2.2.2 软岩的分类..................................................................................................8 2.2.3 软岩的特性..................................................................................................9 2. 3 黄玉川煤矿 6上煤层回采巷道岩石物理与力学参数测定................................10 2.3.1 概述............................................................................................................10 2.3.2 采集煤岩样................................................................................................11 2.3.3 实验室参数测试........................................................................................12 2.3.4 实验成果汇总............................................................................................12 2.4 本章小结...............................................................................................................13 3 煤巷围岩破坏机理及锚杆支护理论分析......................................................................14 3.1 巷道围岩破坏类型与机理...................................................................................14 3.2 影响巷道围岩稳定性因素分析...........................................................................15 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.2.1 分析的目的和意义....................................................................................15 3.2.2 巷道围岩稳定性分类方法的阐述............................................................15 3.2.3 分类指标的原则........................................................................................17 3.3 分析回采巷道破坏的原因...................................................................................18 3.4 影响巷道锚杆支护质量的因素分析...................................................................18 3.4.1 锚杆对围岩控制效果分析........................................................................18 3.4.2 影响锚杆支护质量的因素分析................................................................20 3.5 预应力锚杆支护技术...........................................................................................21 3.5.1 预应力锚杆支护的力学机理....................................................................21 3.5.2 预应力支护理论主要内容........................................................................22 46上煤软岩回采巷道支护设计.......................................................................................23 4.1 软弱围岩支护原则及形式...................................................................................23 4.1.1 支护形式选择的主要原则........................................................................23 4.1.2 支护的主要形式........................................................................................23 4.2 围岩松动圈的测定...............................................................................................24 4.2.1 松动圈的概念............................................................................................24 4.2.2 松动圈的测试原理....................................................................................24 4.2.3 松动圈的测试结果....................................................................................26 4.3 回采巷道支护设计...............................................................................................26 4.3.1 支护参数的确定........................................................................................27 4.3.2 煤岩体物理力学参数计算........................................................................29 4.3.3 计算过程....................................................................................................30 4.3.5 支护方案对比............................................................................................32 4.3.6 支护方案确定............................................................................................40 4.3.7 后处理优化................................................................................................41 5 巷道矿压观测与结果分析..............................................................................................44 5.1 现场观测分析的目的...........................................................................................44 5.2 现场观测的内容...................................................................................................44 5.3 观测的日期和频度...............................................................................................45 5.4 现场观测的测站测点布置...................................................................................45 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 5.4.1 锚杆受力状态观测....................................................................................46 5.4.2 顶板离层观测............................................................................................46 5.4.3 巷道收敛观测............................................................................................46 5.4.4 锚杆的锚固力监测....................................................................................46 5.5 现场观测数据的整理与分析...............................................................................46 5.5.1 观测数据整理............................................................................................46 5.5.2 数据分析....................................................................................................49 结论..............................................................................................................................51 参考文献..............................................................................................................................52 在学研究成果......................................................................................................................55 致谢..............................................................................................................................56 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪绪论论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 神东煤炭基地准格尔地区是内蒙古自治区重点能源化工基地， 也是我国众多大型 开产煤炭的煤田之一。 黄玉川煤矿的开采井田处于鄂尔多斯市准格尔旗的中西部的位 置，井田南北长约 5.4km，东西宽 8.9km，约为 42.6894 km2的面积范围，1507.31106 吨的煤炭贮存量，可采数量为 926.39106吨。其内部具有较为发育的断层、裂隙带。 根据三维地震测试，存在两个岩溶性的陷落柱，如果奥灰水位比煤层底板高时，则有 可能导致奥灰水沿裂隙带、陷落柱等进入工作面的隐患。井田地层主要为碎屑岩， 岩 体各向异性，层状结构，强度变化很大。按照岩石的力学试验结果，大部分可采煤层 的岩性以砂质泥岩、泥岩为主，其抗压强度均不超过 30MPa。井田主采的 4、6 号煤 层的顶底板都是砂质泥岩、泥岩等，在 0.29～0.61 的软化值范围内，是较软弱岩层的 代表，遇水后很容易软化、松散，是典型的软岩工程地质特性。 目前，矿井开采深度已经超过 500m，来压过程中巷道形变速度比较快和移近量 相对较大，而且具有明显的时间效应。因此，神华亿利能源有限责任公司黄玉川煤矿 软岩巷道支护问题已经成为影响矿井安全建设与生产的关键问题之一。 对该问题进行 深入详细的探究，对促进煤矿深部开采的需要、 高应力软岩巷道围岩控制理论的形成 具有重要的实用价值。 1.2 国内外软岩巷道工程研究现状国内外软岩巷道工程研究现状 1.2.1 软岩巷道工程支护理论的国外研究现状软岩巷道工程支护理论的国外研究现状 二十世纪四十年代， 在巷道支护工程中一些采矿技能相对较先进的国家首次使用 金属支架，而且一直到八十年代欧洲大部分国家还在继续使用。 根据围岩类型选择适 合的支架，这些金属构架是结合各类岩体特征独特制造的，统一由制造商加工而成。 这类支架的安装程序简单、支护强度大以及支护效果相对比较好。 上世纪 50 年代锚杆支护技术迅速应用于回采巷道，得到了良好的支护效益。比 如苏联、美国等这些采矿技术较先进的国家，其锚杆加固技术处于全球之首，这些国 家煤巷的锚固支护比率达到 97。 在较为稳定的巷道支护中， 主要用常规的锚杆加固， 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 通常当遇到深部巷道围岩需要选择高强度超长锚杆网联合支护或者联合锚杆网支护 等多种联合支护方式。 上世纪 60 年代，出现了刚性试验机，它解释了岩体发生形变破坏的特征和弹塑 性的破坏原理。L. V Rabcewi cz 根据前辈的经验总结出了全新的隧道施工方式，后来 定义为新奥法。新奥法为当前地下岩土工程的主要施工方式， 其机理是利用围岩的自 承能力来支护隧道，让支护结构和工程围岩共同成为一个坚固的支撑环。 新奥法有效 的调动与发挥其本身的支承能力， 它是依据巷道围岩与支护结构相互作用的机理以及 岩石力学来全新定义的一个岩体工程施工、监测、设计、支护的专业术语。新奥法注 重现场支护中的监测工作，有效地把施工与监测统一结合起来，此乃新奥法的精髓。 到了上世纪 80 年代的后期，由于一些煤矿的开采的逐步深入，埋深上千米的深 部巷道逐渐使用，许多深部软岩问题随之影响着矿山的开采， 而以锚喷支护方式为主 的支护方法逐渐应用于深部软岩巷道，其效果不是很好。比如，澳大利亚的一些深井 煤矿，当巷道使用了锚喷支护后，围岩发生了形变、片帮以及底臌等现象。因此， 经 过多年的实验研究，把喷锚支护替换为钢架的形式支护，得到很好的预期效果，但是 这种方式费用比较高。 国外大约有以下几种类型钢支架支护软岩巷道，如下表 1.1 表表 1.1九种类型的钢支架九种类型的钢支架 序 号支架类型 1 2 3 4 5 6 7 8 9 th44 反拱型钢支架 Olw 圆形钢支架与底部喷混凝土 钢拱架与封闭性支架 喷网加圆钢支架组合支护 U29 可缩性支架 th44 封闭性钢支架 钢筋混凝土封闭性钢支架 锚网钢支架而且底部设置拱 钢筋混凝土和封闭性钢拱支架 上世纪 90 年代，盖尔教授首次提出了最大主应力理论。其表述为整个世界范围 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 内，通过原岩应力的实测数据表明，最大主应力通常情况下位于水平方向。如果最大 主应力方向与开挖巷道的走向平行，该巷道的稳定性就相对较好;如果两者互相垂直， 该巷道的稳定性就很差。 但是采矿挖掘中的巷道的轴向受到矿体所处实际地理位置限 制，很难掌握，如果在各个条件允许的前提下，尽最大可能地和最大水平主应力方向 一致。 随着研究的逐步加大，软岩支护技术逐渐依靠弹塑性力学、 神经网络和其他力学 理论，并且取得了相当大的进步。同时也出现了一部分数值计算软件，这些逐渐成为 研究软岩巷道的主要方法。例如Examine3D边界单元法、 （ANSYS有限单元法、 UDEC离散单元法、FLAC3D有限差分法等。从 1970 年一直完善到现在，有限差 分法变得相当有效，是至今较为普遍的数值方法。在深部软岩支护工程中，能够有效 地解决弹塑性、粘塑性等难题[14]。 1.2.2 软岩巷道工程支护理论的国内研究现状软岩巷道工程支护理论的国内研究现状 1950 年左右，国内才开始对支护技术进行系统的研究。发展至今，全国举行了 关于软岩支护技术的会议多达几十次， 这些全方位的交流互动使我国技术的得到良性 发展，并逐步跻身到支护技术比较先进的水平。详细理论如下 （1）关键部位的耦合联合支护 2002 年，何满潮教授介绍了支护体发生破坏的核心原因是围岩与支护体在结构、 刚度、强度等的不耦合，提出了关键部位耦合支护的理论。因此必须使用合理有效的 支护形式， 保证围岩能够与支护结构互相耦合。 深部软岩巷道的支护通常是二次支护， 第一次柔性面支护，二次支护得找准关键部位进行点支护。 （2）应力控制 李庶林教授介绍了应力控制理论，为卸