双龙煤矿“三软”大巷采动损坏修复技术研究.pdf

论文题目双龙煤矿“三软”大巷采动损坏修复技术研究 专业矿业工程 硕 士 生王之宇 （签名） 校内导师贠东风 （签名） 校外导师张永保 （签名） 摘 要 陕西双龙煤业开发有限责任公司运输与回风大巷均出现严重破坏现象，影响正常 生产，安全隐患大，修复难，成本高。双龙公司与西安科技大学合作，列专项进行大 巷修复技术研究。 本论文以双龙煤业开发有限责任公司的大巷修复为工程背景，通过现场调研、煤 岩力学试验、理论分析、相似模拟实验和数值计算相结合的方法，研究了双龙煤矿大 巷软弱围岩变形破坏特征及破坏机理，对巷道围岩应力状态、变形特征进行了分析， 从定量角度分析巷道围岩产生严重变形以至破坏的根源。研究表明，大巷变形破坏是 由于煤层赋存条件、采掘布局、巷道层位和地形的特殊性以及采空区冒落厚层泥岩的 大采高效应等多种因素所致，其中采动压力是引起巷道变形破坏的主因。为从根本上 消除采动压力对大巷的影响，应延缓沿大巷轴向布置的 1304 工作面的生产，最后采 1304 工作面，且自里向外推进，以便维护大巷。为有的放矢地修复大巷，本文根据巷 道的变形破坏程度，将其分成三类第一类是已严重变形破坏且不能正常使用的巷道； 第二类是中度变形破坏但仍可正常或基本正常使用的巷道；第三类是轻微破坏的巷道。 针对这三类巷道的具体情况，提出了采取锚杆、锚索、金属网、混凝土喷层、W 型钢 带和可缩性支架等多种支护方式灵活组合的联合支护方案。 现场试验表明，该方案可以有效控制大巷变形，保证了矿井正常生产，技术可行、 经济合理。可为类似高应力“三软”大巷修复提供参考。 关 键 词高应力；三软；大巷；修复技术；可缩性支架 研究类型应用研究 Subject The Research on Repairing Technology for Three-soft Main Roadway with Mining Damage in Shuanglong Colliery Specialty Mining Engineering Name Wang Zhiyu （（Signature）） _________ Instructor Yun Dongfeng （（Signature）） _________ Instructor Zhang Yongbao （（Signature）） _________ ABSTRACT The main haulage entry and mainreturn-air entry in Shuanglong Colliery seriously damages, it creates the situation that the main roadway is hard to support, affects the regular production directly, causes great potential safety hazard, the repair is difficult and high cost, this situation is quite rare. This thesis takes the repair of main roadway in Shuanglong Coal Industry Co., Ltd. as a background. It studies the damage characteristics and damage mechanism of three-soft main roadway in Shuanglong Coal Mine through scene investigation, theoretical analysis, physical simulation and numerical simulation. According to the analysis it concluded that the roadway deation and failure due to occurrence condition of coal seams, mining district design, roadway horizon, terrain and large cutting height effect. Among them, the mining pressure is the primary reason of roadway deation or destruction. In order to fundamentally eliminate the influence of mining pressure on the main roadway, we should postpone the production of 1304 face which parallel to the axial direction of the main roadway, and mining it from inside to outside. According to the degree of main roadway damage, this thesis divides them into three kinds. The first category is the roadway that severe deation and cannot use normally. The second category is the roadway although deation and failure slightly but can normal use or essentially normal use. The third category is the slight damage roadway. According to the specific circumstances of the three categories roadway, it holds that the supporting scheme should consists mainly of bolting and shotcreting and wire mesh and W- type steel band with yieldable support, various support pattern joint with it. Field application and observation shows that the supporting scheme can effectively control the main roadway deation, guarantees the coal mine normal production, it is technical feasibility and economic. It can give reference for repairing of three-soft main roadway in high stress area. Key words high stress; three-soft; mine roadway; repair technology; yieldable support Thesis Application Research 目录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1研究背景、目的和意义 ................................................................................................... 1 1.1.1研究背景 .................................................................................................................... 1 1.1.2研究目的和意义 ........................................................................................................ 2 1.2国内外研究动态及发展趋势 ........................................................................................... 2 1.3本课题研究内容及技术路线 ........................................................................................... 6 1.3.1研究内容 .................................................................................................................... 6 1.3.2技术路线 .................................................................................................................... 6 1.4本章小结 ........................................................................................................................... 7 2 煤岩力学试验 ......................................................................................................................... 8 2.1试验设备 ........................................................................................................................... 8 2.2试验过程 ........................................................................................................................... 8 2.3试验数据及结果 ............................................................................................................. 10 2.4试验结论 ......................................................................................................................... 13 2.5本章小结 ......................................................................................................................... 13 3 大巷破坏原因分析 ............................................................................................................... 14 3.1影响大巷稳定性的主要因素 ......................................................................................... 14 3.2大巷围岩控制原理 ......................................................................................................... 18 3.3大巷变形原因分析 ......................................................................................................... 18 3.4本章小结 ......................................................................................................................... 22 4 相似材料模拟实验研究 ....................................................................................................... 23 4.1概述 ................................................................................................................................. 23 4.2工程概况 ......................................................................................................................... 23 4.3 5m 架 1100相似模拟实验 ........................................................................................... 23 4.3.1 实验过程 .................................................................................................................. 23 4.3.2上覆岩层压力变化特征 .......................................................................................... 27 4.3.3巷道围岩压力变化特征 .......................................................................................... 28 4.4 2m 架 15可加载相似模拟实验 ................................................................................... 30 目录 II 4.4.1 实验过程 .................................................................................................................. 30 4.4.2上覆岩层压力变化特征 .......................................................................................... 38 4.4.3位移变化规律 .......................................................................................................... 39 4.5相似材料模拟实验结论 ................................................................................................. 41 4.6本章小结 ......................................................................................................................... 41 5 数值模拟研究 ....................................................................................................................... 42 5.1研究内容 ......................................................................................................................... 42 5.2 数值计算参数 ................................................................................................................. 42 5.3 数值计算模型 ................................................................................................................. 43 5.4 数值计算结果分析 ......................................................................................................... 44 5.4.1 大巷锚网喷锚索支护大巷稳定性分析 ................................................................ 44 5.4.2 工作面回采对大巷稳定性影响分析 ...................................................................... 46 5.4.3 架棚支护后大巷稳定性分析 .................................................................................. 48 5.5数值计算结论 ................................................................................................................. 50 5.6本章小结 ......................................................................................................................... 50 6 工程实例 ............................................................................................................................... 51 6.1概述 ................................................................................................................................. 51 6.2 矿压观测 ......................................................................................................................... 51 6.2.1观测方案 .................................................................................................................. 51 6.2.2矿压观测结果与分析 .............................................................................................. 52 6.3大巷修复方案设计 ......................................................................................................... 53 6.3.1原修复方案存在问题 .............................................................................................. 53 6.3.2巷道修复方案 .......................................................................................................... 53 6.3.3支护参数 .................................................................................................................. 54 6.4修复效果 ......................................................................................................................... 58 6.5经济效益分析 ................................................................................................................. 58 6.6本章小结 ......................................................................................................................... 59 7 结论 ....................................................................................................................................... 60 致 谢 ........................................................................................................................................ 61 参考文献 .................................................................................................................................. 62 附 录 ........................................................................................................................................ 65 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景、目的和意义 1.1.1 研究背景 陕西双龙煤业开发有限责任公司位于陕西黄陵县，隶属于陕西煤炭建设公司，地 质储量 1008 万吨，矿井采用斜井单水平开拓。850 回风大巷位于煤层中， 855 运输大 巷位于顶板中，均为半圆拱形，采用锚网喷支护。在 1304 工作面推进 120m 后，两条 大巷出现长距离、大范围变形破坏，底鼓量大，断面缩小，顶、帮开裂或脱落（如图 1.1、图 1.2 所示） 。经多次维修，效果不理想。这种情况直接影响了正常生产，安全隐 患大，严重制约矿井发展。 （a）855运输大巷（顶板中） （b）850回风大巷（煤层中） 图 1.1 大巷整体破坏 （a）855 运输大巷 （b）850回风大巷 图 1.2 大巷顶部破坏 1 绪论 2 （a）855运输大巷 （b）850回风大巷 图 1.3 大巷帮部（拱角处）破坏 1.1.2 研究目的和意义 本课题针对双龙煤矿回风大巷和运输大巷变形破坏情况，通过综合分析和研究， 找出造成大巷严重变形以至破坏的根源，并在此基础上确定技术可行、经济合理、效 果良好的修复方案。对于保障该矿井正常生产，缓和采掘接续和提高经济效益都具有 重要意义。对类似“三软”大巷修复具有一定借鉴意义。 1.2 国内外研究动态及发展趋势 长期以来国内外学者对复杂软岩巷道进行了大量研究。国内对软岩分类和性质做 了研究，把具有松散、软、弱、高地应力、遇水膨胀、等特征的围岩统称为软岩。并 依据其特点，分成下面五类[1] （1）低强度的软岩结构松散软弱的岩体。 （2）膨胀性的软岩含有伊利石、高岭石、蒙脱石等矿物成分，遇水时会产生明 显的膨胀变形。 （3）高地应力的软岩会在高应力情况下产生明显塑性变形的岩体。 （4）节理化的软岩岩石的节理和裂隙发育不连续，在应力作用下会产生显著扩 容和剪胀。 （5）复合型的软岩指的是上述 4类中某两种或两种以上的组合岩体。 根据双龙煤矿大巷的围岩特征，属于膨胀性和高地应力的复合型软岩。受工作面 采动影响较大，巷道变形还在持续，属于动压巷道。大巷破坏段围岩松散，松动范围 非常大，修复和支护存在较大难度，加固围岩困难很大。针对软岩巷道不同条件，国 内外学者提出了很多支护理论。比较典型的软岩支护理论有 （1）软岩巷道优化支护理论中国矿大的何满朝教授等人指出，对于大流变型和 膨胀型的软岩，要合理控制和释放其塑性变形的能量，允许岩体进入塑性状态，控制 1 绪论 3 岩体使其达极限承载力，即“软岩巷道优化支护理论” [2]，何满潮教授据此提出了最 佳支护时间的方法和概念，提出了过程原则和对证原则等。 （2）U 型钢支架支护针对大变形软岩巷道，中国矿大的陆世良教授等人提出了 使用 U 型钢可缩性支架支护的理论[3]，陆士良教授提出了 U 型钢支架壁后充填的方法 和原理，软岩巷道支架和围岩的关系也得到了建立。 （3）围岩松动圈理论对于采动压力的软岩巷道，董方庭教授等人提出围岩松动 圈支护理论[4]，指出支护主要的对象是松动圈发展的过程中产生的碎胀力。根据这个理 论，可使用锚杆替代 U 型钢支架支护软岩巷道。这个理论在巷道支护中应用较为广泛， 尤其是在围岩松软而且断面小的回采巷道应用较多。 （4）软岩巷道维护理论针对断面较大的软岩巷道，北京科技大学的方祖烈教授， 提出“防止巷道的表面出现张拉域，要充分利用和发挥挤压域承载力”的巷道围岩支 护和加固原则[5]。 （5）郑雨天教授提出了软岩巷道支护理论中的若干关键问题[6]一是巷道的围岩加 固圈厚度要合理，二是让压要先柔后刚，三是要保障预紧力，这样才可以形成主动支 护。 （6）针对软岩巷道围岩的流变，范秋雁教授在新奥法的基础上提出巷道围岩控制 关键是要将弹性区的围岩控制在稳定蠕变内，同时要设计可以控制和适应进入稳定蠕 变围岩的支护方式 [7]。 （7）针对围岩软弱破碎巷道的支护，中国矿大的侯朝炯教授提出了注浆加固的技 术，同时提出加固巷道帮脚处以控制其围岩发生变形这一理论[8]。 以上成果在软岩巷道支护多个方面都有着较强代表性，但其中大部分针对的是刚 掘成的巷道。破碎带围岩巷道掘进与支护具有复杂性，应该根据巷道围岩具体情况来 分析解决。 针对巷道的修复技术，国内外学者针对巷道不同的围岩以及支护状况，提出并且 应用了很多不同的施工方法和技术。 （1）锚网支护 [9]碱场煤矿和黑龙江矿业学院对碱场煤矿的三段付井做了菱形金 属网加膨胀水泥锚杆支护的研究，并进行了工业性试验。经过 5 个月的观测，100m 长 的试验巷道得到了有效支护。该段巷道距离地表垂直距离约 610m，在煤层顶板（粉砂 岩互层）中掘进，经数次较大返修，巷道顶板下沉 80～100cm。经观测，围岩松动圈 范围达 130cm140cm。依照悬吊理论，采用长度 180cm、直径 14mm 的锚杆。间排距 80cm。金属网为菱形，采用 12 号镀锌铁丝编织，规格 70100cm，网孔大小 45 45mm。依据巷道围岩的赋存条件、松动圈的形状、返修施工难度以及巷道围岩的受力 特点，巷道采用矩形断面。这样可以发挥巷道围岩的自身承载能力，并保持其顶板岩 层的完整性。 1 绪论 4 （2）锚网喷注联合支护 [10]连云港市白集煤矿对软岩破坏段井筒进行了修复，该 段围岩主要为粉砂质岩、砂岩、杂色页岩及页岩，中间有一正断层，落差约 20m。修 复时，首先全断面刷帮挑顶，并进行初喷，厚度约 30～50mm。然后用锚杆和金属网 进行支护。锚杆的规格为φ 201800mm，用左旋螺纹钢制作而成。用树脂药卷做锚固 剂，型号为 Z2335，其锚固力不低于 100kN。锚杆矩形排列，间排距为 7070cm。金 属网使用 10 号铁丝。托板为半球形，用 8mm 钢板制作。在完成初喷以及锚网支护后， 打注浆锚杆，注浆锚杆的间排距为 140140cm，是普通锚杆的两倍，用树脂端锚。安 装注浆锚杆完成以后再次喷浆，本次喷浆要完全覆盖金属网和螺纹钢锚杆，同时要使 注浆锚杆孔外露约 40mm，以便注浆。喷浆完成后对注浆锚杆进行注浆并安装托板。 最后进行复喷。 （3）锚索、注浆联合支护[11]淮南矿业公司的张集煤矿，修复大巷时，先局部喷 浆，再进行注浆，最后打锚索。张集煤矿大巷布置在底板中，使用锚网喷联合支护， 断面为半圆拱形，岩性主要为粉砂岩和砂质泥岩，部分为泥岩，裂隙较发育，因受采 动压力等因素影响，大巷局部尤其是拱角处变形破坏严重。维修大巷时，先喷浆 10cm， 强度为 C20，配比 1∶2∶2。顶板每排布置 5 个注浆孔，孔眼深度 2.0m，间排距为 1.5m；帮部每排布置 4 个注浆孔，孔眼深度 1.5m，巷道两旁底孔与底板的交角应大于 60。锚索直径为 152.4cm，所使用的钢绞线强度为 1860，锚索长度 6m，间排距为 2m，五花形布置，沿着巷道中部或着两旁 1m 处打孔。经观测，四个月后，巷道整体 完好，围岩稳定，移近量小，未出现明显变形破坏。 （4）锚注支护[12]注浆锚杆主要支护机理有两个方面，一是通过向岩体注浆改变 其力学性能，二是注浆可以为锚杆创造可靠的着力点，增强其锚固效果。锚注支护的 支护机理有以下六个方面[13]①通过向围岩注浆，可以填补围岩的裂隙，并隔绝空气， 阻止围岩发生风化，还可以防止围岩浸水，以保证围岩自身强度；②浆液可以将已破 碎松散围岩凝结成为整体，从而增强了围岩强度，这样可以充分利用围岩的自身承载 能力，保持巷道稳定；③注浆可以使壁后充填更加密实，能保证荷载均匀作用于支护 结构，防止应力集中区首先发生破坏；④注浆以后，原本作用于拱顶处的压力可以有 效传递于帮，通过加固帮部，载荷传至底板。由于巷道围岩强度增加，围岩整体性增 强，可以降低作用于底板载荷的集中度，减小巷道底板应力，缓解塑性 变形。底板稳 定，有助于两帮稳定，进而保证顶板的稳定。⑤注浆可以实现全长锚固，这样增强了 锚杆的锚固距离，提高锚固力。全长锚固锚杆可以多个组合共连为一体，实现共同承 载，提高支护效果；⑥注浆可使支护结构断面加大，围岩作用于支护材料的载荷产生 的弯矩减小，支护结构的压应力和拉应力会降低，因此可以承受较大载荷，提高承载 能力。 这样围岩作用在支护结构上的荷载所产生的弯矩变小，降低了支护结构中产生 的拉应力和压应力，因此能承受更大的荷载，从而提高了支护结构的承载能力。1997 1 绪论 5 年 5 月，祁南煤矿中央风井车场绕道段使用锚注支护修复以后，巷道很稳定。经观测， 巷道无明显变形，节约大量人工费和材料费，经济效益显著 [14]。 （5）锚喷支护新汶矿业华丰煤矿的巷道埋深为 1150m，巷道的围岩属于典型高 应力软岩，加之采动影响和构造应力作用，巷道围岩从浅部弹塑性变形，变成深部塑 性流变变形[15]。巷道变形破坏形态主要分为以下几种[16]①剪切破坏剪切破坏发生 在巷道的拱基，主要为喷层脱落等；②拉伸破坏拉伸破坏发生在巷道的直墙正顶以 及下帮肩窝，现象为喷层断裂和脱落等；③受压破坏该种破坏发生在直墙上部，主 要现象为喷层脱落或者压碎；④收缩变形破坏收缩变形发生于巷道弱面位置；⑤其 它锚杆失去锚固能力，拉断以及底鼓等。巷道修复时采用初喷作临时支护，锚网喷 作永久支护。华丰煤矿使用锚喷支护修复巷道累计 7910m，取得了较好经济效益。对 于断面大、跨度大的交叉点，其围岩松动圈相对增大，由于受到锚杆锚固范围的限制， 若只采用锚喷支护无法有效控制巷