柳家庄煤矿大采高综采沿空留巷围岩控制技术研究.pdf

江苏省高校优势学科建设工程资助项目PAPD 国家自然科学基金面上项目（51174195） 国家自然科学基金项目（51204166） 国家自然科学基金项目（51204167） 硕士学位论文 柳家庄煤矿大采高综采沿空留巷 围岩控制技术研究 Study on Surrounding Rock Control Technology of Gob-side Entry Retaining in Large Mining Height Face of Liujiazhuang Colliery 作 者李 萌 导 师王襄禹 副教授 中国矿业大学 二○一四年五月 万方数据 中图分类号 TD353 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 学术型硕士学位论文 柳家庄煤矿大采高综采沿空留巷 围岩控制技术研究 Study on Surrounding Rock Control Technology of Gob-side Entry Retaining inLarge Mining Height Coal Face of LiujiazhuangColliery 作 者 李萌 导 师 王襄禹 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 矿山压力及其控制 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一四年五月 万方数据 71 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文柳家庄煤矿大采高综采沿空留巷围岩控 制技术研究 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究 工作所取得的成果。据我所知，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。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、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 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权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；②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师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生______在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案的要求， 完成了研究生课程的学习， 成绩合格； 在我的指导下完成本学位论文, 经审阅，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， 同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 依稀记得入学时的懵懂无知，老师们在课堂上对我们的谆谆教导。在这里， 我所收获的不仅仅是课本上的知识，更有做人、做事的学问，感谢矿大，感谢提 供了这么好的学习环境。 本论文是在导师王襄禹老师悉心指导下完成的。师从王老师后，无论是在科 研探讨、会议研究还是现场实践方面，王老师都为我提供了大量的学习机会与资 源；在生活上，王老师也给予了我无微不至的关怀，使我能够专心致力于学术与 科研。 没有王老师在这三年来对我无私的关心与帮助， 我不会进步这么快， 在此， 谨向王老师表示衷心的感谢。 从课题的选择到论文的最终完成，课题组柏建彪老师、徐营老师、陈勇老师 都给予了我细心的指导和不懈的支持，提出了许多建设性意见，使我的论文最终 能够得以完成。从我对沿空留巷所知无几到目前所取得的成绩，都离不开几位老 师的指导与帮助，在此，一并向他们致以深深的谢意。 在于永政、赵涛、赵红超师兄的带领和帮助下，我逐渐学习科研项目中所承 担的工作，他们在学习、生活方面都给了我很多帮助，感谢他们对我的陪伴与呵 护。 感谢课题组所有成员，他们给了我很多帮助与鼓励；感谢课题组 11 级所有 兄弟和同宿舍的兄弟，正是因为他们的存在，我的三年学习生活才会如此愉快， 在他们身上，我感觉到了家人的温馨与亲情，感谢这段岁月里你们的陪伴。 感谢我的家人长久以来的无私奉献和万般呵护。 最后，感谢百忙之中评阅我的硕士论文和出席论文答辩的各位专家、教授。 正是有了大家的指导、关心、帮助、理解和支持，论文才得以顺利完成。在 此，深表谢意，愿大家身体康健、事事如意，谢谢大家 李萌 2014.05.20 万方数据 I 摘摘 要要 本文基于柳家庄煤矿大采高工作面 5211 回风巷沿空留巷工程实践，综合运 用理论分析、数值模拟以及现场实测等研究方法，深入分析探讨了大采高工作面 沿空留巷特点，以及沿空留巷围岩控制技术。主要取得如下研究成果 分析了采场侧向顶板破断规律 关键块体在留巷结构的稳定性中起着决定性 的作用，巷旁充填体作为一个承载点，抵抗老顶的旋转下沉，其支护作用在沿空 留巷支护中起主控作用，计算得到了大采高工作面巷旁支护体支护阻力。 利用数值模拟软件分析了沿空留巷巷道围岩应力应变分布演变规律和变形 规律，得到了巷旁支护体应具备高强度高塑性特性，巷帮支护强度应和顶底板力 学特性匹配的结论；模拟研究了大采高工作面沿空留巷的影响因素，分析得出了 大采高工作面顶板垮落层位高、采空影响时间长、采动应力峰值集中系数大、基 本顶给定变形量大和围岩塑性区扩展范围大等特点。 根据大采高工作面沿空留巷大变形的特点， 针对性地提出巷内基本支护采用 锚杆支护体系， 巷旁支护采用强度较高而且能适应顶板旋转下沉的高水材料充填 体， 并对留巷充填体上方顶板进行锚索超前支护和巷内顶板的单体液压支柱临时 支护，共同维护巷道围岩的稳定性。 上述研究成果在柳家庄煤矿 5211 工作面获得了成功应用，并创造了良好的 社会技术经济效益。 该论文共有图 47 幅，表 6 个，参考文献 99 篇。 关键词关键词沿空留巷；大采高；巷内支护；巷旁支护 万方数据 万方数据 II AbstractAbstract Based on the engineering background of gob-side entry retaining in the thin seam coal full mechanized face5211 of Liujiazhuang colliery, and by comprehensive using of theoretical analysis,numerical simulation, engineering analogy and the of industrial test, this thesis analyzed, the characteristics of gob-side entry retainingand control technology of surrounding rock of gob-side entry retaining. Research results are summarized as follows Analyzing lawof lateral roof broken, drawing conclusionsas followskey block plays an important role in gob-side entry retainingstability of overlying roof structure,packing body,as a support point ,resisting the movement of main roof ,determines the stability of surrounding rock of entry retaining. More detailed analysis was conducted on stress evolution law and deation regulation of surrounding rock during roadway drivage, mining influence and stationary phase. Then the characteristics of gob-side entry retaining with limestone roof of thin coal seam were analyzed, getting the conclusions of roadway side support should have high strength and high plasticity, and support strength of roadway side should match mechanical properties of roof and floor.More research are conducted by numerical simulation on influencing factors of surrounding rock stability in gob-side entry retaining of large mining height work face,drawing conclusions as followsroof carving height is higher,stress concentration factor is larger ,given deation of the main roof is larger,plastic area is bigger. According to large mining height work face gateway defomation characteristics, then this paper put forward control of surrounding rock pointedly bolting should be as the basic support and high-water rapid hardening materials should be the roadway side support for gob-side entry retaining,besides,roof above packing body should be reinforced with cable supporting and single hydraulic prop as temporary support in roadway. Research results above were applied successfully in Liujiazhuang colliery, and the social, technical and economic benefit was terrific. There are 47 figures, 6 tables and 99 references in the thesis. Key words gob-side entry retaining; large ming height; roadway in support; roadway side support 万方数据 万方数据 III 目目 录录 摘要摘要 ............................................................................................................................... I 目录目录 ............................................................................................................................ III 图清单图清单 ....................................................................................................................... VII 表清单表清单 .......................................................................................................................... X 变量注释表变量注释表 ................................................................................................................ XI 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 课题研究的意义..................................................................................................... 1 1.2 研究现状................................................................................................................. 2 1.3 研究内容和方法..................................................................................................... 9 2 大采高大采高沿空留巷沿空留巷覆岩运动特征及其对充填体作用分析覆岩运动特征及其对充填体作用分析 ..................................... 11 2.1 沿空留巷上覆岩层破断特征............................................................................... 11 2.2 巷旁支护体作用机理........................................................................................... 13 2.3 大采高沿空留巷巷旁支护阻力计算................................................................... 14 2.4 本章小结............................................................................................................... 18 3 大采高大采高沿空留巷围岩应力分布与变形规律沿空留巷围岩应力分布与变形规律 ......................................................... 19 3.1 沿空留巷数值模拟研究....................................................................................... 19 3.2 大采高沿空留巷围岩稳定性影响因素分析....................................................... 28 3.3 本章小结............................................................................................................... 36 4 大采高大采高沿空留巷围岩控制技术沿空留巷围岩控制技术 ............................................................................. 38 4.1 沿空留巷支护结构分析....................................................................................... 38 4.2 巷旁支护技术....................................................................................................... 39 4.3 顶板动载弱化技术............................................................................................... 47 4.4 本章小结............................................................................................................... 52 5 工业性试验工业性试验 ............................................................................................................. 53 5.1 试验巷道生产地质条件....................................................................................... 53 5.2 沿空留巷围岩控制效果分析............................................................................... 58 5.3 本章小结............................................................................................................... 62 6 主要结论主要结论 ................................................................................................................. 63 万方数据 IV 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 65 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 70 学位论文原创学位论文原创性声明性声明 ................................................................................................. 71 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 72 万方数据 V Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ....................................................................................................................... V List of Figures ........................................................................................................... VII List of Tables ................................................................................................................ X List of Variables......................................................................................................... XI 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Significance of Subject Researches ......................................................................... 1 1.2 Current Research States ........................................................................................... 2 1.3 Research Contents and Research Approaches ......................................................... 9 2 Law of Roof Strata Movement in Gob-side Entry Retaining in Gob-side Entry Retaining With Large Mining Height and The Influnce on Packing Body ........ 11 2.1 Characteristics of Roof Strata Destruction in Gob-side Entry Retaining .............. 11 2.2 Mechanism of Roadside Packing Body ................................................................. 13 2.3 The Calculation of Support Resistance beside Gob-side Entry Retaining With Large Mining Height .................................................................................................... 14 2.4 Brief Summary ....................................................................................................... 18 3 Gob-side Entry Remaining Surroundings Distortion And The Change of Stress FieldWith Large Mining Height ............................................................................... 19 3.1 Research on Numerical Simulation forGob-side Entry Retaining ......................... 19 3.2 InfluencingFactors of Surrounding Rock Stability in Gob-side Entry Retaining of Large Mining Height Coal Face ................................................................................ 28 3.3 Brief Summary ....................................................................................................... 36 4 Control Technology of Surrounding Rock of Gob-side Entry RetainingWith Large Mining Height ................................................................................................. 38 4.1 Analysis of Supporting Structure for Gob-side Entry Retaining ........................... 38 4.2 Study on Roadside Support Technology ................................................................ 39 4.3 Study on Roof Dynamic Weakening Support Technology .................................... 47 4.4 Brief Summary ....................................................................................................... 51 5 Engineering Practice ............................................................................................... 53 万方数据 VI 5.1 Support Parameter of Experiment Roadway .......................................................... 53 5.2 Analysis of Control Result about Surrounding Rock ............................................. 58 5.3 Brief Summary ....................................................................................................... 62 6 Conclusions .............................................................................................................. 63 References ................................................................................................................... 65 Author’s Resume ........................................................................................................ 70 Declaration of Thesis Originality ............................................................................. 71 Thesis Data Collection ............................................................................................... 72 万方数据 VII 图清单图清单 List of Figures 图序号 图名称 页码 图 1-1 沿空留巷示意图 2 Figure 1-1 Schematic diagram ofgob-side entry retaining 2 图 2-1 沿空留巷上覆岩层结构示意图 12 Figure 2-1 Schematic diagram of overlying ation structure of gob-side entry retaining 12 图 2-2 巷旁支护阻力力学模型 15 Figure 2-2 Mechanical model of roadside support resistance 15 图 2-3 支护阻力与采高关系曲线 17 Figure 2-3 The curve betweenmining height andsupport resistance 17 图 3-1 FLAC3D数值模拟模型图 19 Figure 3-1 FLAC3D model of numerical simulation 19 图 3-2 掘进期间围岩应力分布图 20 Figure 3-2 Stress distributing map during tunneling period 20 图 3-3 掘进期间围岩位移曲线 21 Figure 3-3 Original support parameters of roadway 21 图 3-4 工作面前方顶板垂直应力分布 22 Figure 3-4 Stress distribution in advance 22 图 3-5 回采期间超前工作面顶板下沉量 22 Figure 3-5 Roof subsidence in advanceduring mining influence period 22 图 3-6 工作面后方顶板垂直应力分布 24 Figure 3-6 Surrounding rock stress distribution behind working face 24 图 3-7 工作面开采 100 m 时顶板垂直应力分布状况 25 Figure 3-7 Vertical stress distribution of roof while workface mine d 100m 25 图 3-8 回采期间工作面顶板下沉量 25 Figure 3-8 Roof subsidencebehind working face during mining influence period 25 图 3-9 实煤体帮表面位移 26 Figure 3-9 Deation of solid coal rib and the distance 26 图 3-10 沿空留巷不同位置处围岩塑性区分布 26 Figure 3-10 Distribution law of plastic zone in the different distances of gob-side entry retaining 26 图 3-11 不同采高条件下顶板下沉量 28 Figure 3-11 Roof subsidencebehind working face during mining influence period under condition of different mining height 28 图 3-12 不同采高条件下围岩变形量 29 Figure 3-12 Surrounding rockdeation under condition of different mining height 29 图 3-13 不同采高条件下沿空留巷围岩塑性区分布 30 万方数据 VIII Figure 3-13 Distribution law of plastic zone of gob-side entry retaining under condition of different