柿花田煤矿“三软”不稳定煤层回采巷道支护技术研究.pdf

论文题目柿花田煤矿“三软”不稳定煤层回采巷道支护技术研究 工程领域矿业工程 硕 士 生杜 强 （签名） 校内导师贠东风 （签名） 校外导师刘孔智 （签名） 摘 要 贵州渝能矿业有限责任公司柿花田煤矿不稳定煤层回采巷道随着煤层倾角和厚度 的变化需要挑顶或（和）挖底，且受支承压力及掘进扰动、软岩膨胀等作用，支护更加 困难，严重制约煤矿生产和安全。 “三软”不稳定煤层回采巷道极易冒落片帮，掘进支 护难度极大，困扰矿井改扩建安全施工，导致矿井投产期持续延误。可见该矿的“三软” 不稳定煤层回采巷道支护难题亟待解决。该矿首个综采面的 11071 回采巷道处于典型的 “三软”不稳定煤层中，且发生多次煤与瓦斯突出。巷道掘进过程中，就经常遇到严重 冒顶、片帮、底鼓，支护难度大，维护困难。随着巷道掘进长度的加大，掘进时间的延 续，支护问题将更加突出。 本文综合运用现场调研、 室内实验、 数值模拟、 理论研究和现场观测相结合的方法， 对柿花田煤矿 11071“三软”不稳定煤层回采巷道围岩变形破坏机理和控制技术进行了 研究。通过现场调研，厘清了柿花田煤矿“三软”不稳定煤层回采巷道的支护现状及存 在的问题，对回采巷道顶底板及煤层进行了煤岩力学参数测定，结合现场“三软”不稳 定煤层回采巷道地质及掘出的巷道成形不规则的状况，总结了“三软”不稳定煤层回采 巷道围岩变形破坏和支护的技术难点。 采用 FLAC3D有限差分数值分析计算软件， 对 “三 软”不稳定煤层回采巷道模拟在 5 种支护形式下巷道围岩的位移、应力分布及围岩塑性 区大小等情况，初步确定出较为合理的支护方式；通过物理相似模拟实验，分析了巷道 围岩变形破坏特征，提出了基于不破顶的“三软”不稳定煤层回采巷道采用五边形断面 的“锚杆锚索金属网W 型钢带喷浆”支护以及压力大处的半圆拱断面补架可缩支架 的联合支护方案，对坡顶软煤采用超前管棚护顶，改善巷道成形，减少背顶量。综合研 究结果得出“锚杆锚索金属网W 型钢带喷浆” ，必要时架设可缩支架联合支护是此 类巷道支护的最佳方案。对研究所确定的“三软”不稳定煤层回采巷道支护方案进行现 场试验，结果表明优化后的支护方案技术优越经济合理。 本研究结果对于“三软”不稳定煤层回采巷道支护具有指导意义，也可供类似煤层 赋存条件的巷道支护借鉴。 关 键 词不稳定煤层；三软；回采巷道；锚喷；可缩支架 研究类型应用研究 I Subject The Research on Supporting Technology of Coal Roadway in Unstable Coal Seams with “Weak-Roof- Coal-Floor” of Shihuatian Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Du Qiang （（Signature）） Instructor Yun Dongfeng （（Signature）） Instructor Liu Kongzhi （（Signature）） ABSTRACT The recovery roadway in unstable coal seam of Shihuatian Coal Mine, Guizhou Yuneng Mining Industry Co.Ltd needs barringdown or floor dinting along with various trend angles and thicknesses of coal seams, the production and safety of the coal mine were limited by many fractors, such as the abutment pressures and tectonic stress, the expansion pressure which would result in more diffcult supporting there. Uunstable coal seam with weak-roof- -coal-floor would be easily roof falling and coal wall caving being nonbenefical for supporting in tunneling, which troubled construction safety of mining expansion and led to continued delays of mine production in beginning period. It follows that supporting problems in unstable coal seams with weak-roof-coal-floor would be resolved. The gateway headgate and tailgate with “weak-roof-coal-floor” used for the No. 11071 coal mining face which is the first fully-mechanized coal working face in unstable coal seams is studied comprehensively. Tunneling process, we often encounter serious roof fall, wall caving, heaving floor, support is difficult, and maintenance difficulties. With the gateway increasing length tunneling, tunneling extension of time, the problem of supporting will become more prominent.On investigating and analyzing the real supporting conditions of unstable coal seam in Shihuatian Coal Mine. Through researching into the surrounding rock’s fundamental mechanical properties of this roadway, this thesis put forward an conclusion, which is about the surrounding rock’s characteristic derived from coal and rock sample mechanics testing. This thesis also results the inherent technical difficulties points of roadway surrounding rock, which show that the supporting parameter of Shihuatian Coal Mine is influenced by the seam of coal and methane II outburst, friable property of “weak-roof-coal-floor”,excavation by drilling and blasting and er supporting , outburst prevention and control measures. Then five different supporting schemes are studied on according to the different geological characteristics and supporting reinforcement requirements. On utilizing the 3D loading physical simulation testing device, this thesis completes the analyses of displacement and destruction laws, the characteristics of internal distortion variations and surface dislocation changes. The displacement and destruction laws, which are under the environment of dynamic loading, are about the overburden stratum and about the surrounding rock’s damage and evolution. After analyzing the validity of supporting schemes with FLAC3D, this thesis draws a natural conclusion that the combination supporting technology of grouting bolt and wire mesh with steel strip additional big bolting washer and framed roadway support is the most effective way to support the roadway in unstable coal seam with “weak-roof-coal-floor” of Shihuatian Coal Mine, and has been successful practiced the engineering application. This thesis will play an important role in controlling the coal roadway in unstable coal seam with “weak-roof-coal-floor”, and have referential significance of surrounding rock controlling and entry supporting with similar geological characteristics. Key wordsUnstable Coal Seam Weak-Roof-Coal-Floor Roadway Anchoring and Shotcreting Flexible Support Thesis Application Research 目 录 I 目 录 1 绪论 ....................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义................................................................................................1 1.1.1 本课题研究背景..............................................................................................1 1.1.2 课题研究目的和意义......................................................................................2 1.2 本课题研究领域国内外的研究动态及发展趋势 .....................................................3 1.2.1 软岩巷道支护理论的发展 ..............................................................................3 1.2.2 软岩巷道支护技术的发展 ..............................................................................5 1.2.3“三软”不稳定煤层回采巷道支护研究现状.................................................5 1.2.4 锚杆支护机理与技术发展现状.......................................................................8 1.2.5 巷道支架发展现状........................................................................................10 1.3 本课题研究内容及技术路线..................................................................................10 1.3.1 研究内容 .......................................................................................................10 1.3.2 技术路线 .......................................................................................................11 1.4 本章小结.................................................................................................................11 2 巷道围岩稳定性及煤岩力学实验分析 ............................................................................13 2.1 巷道围岩稳定性分析..............................................................................................13 2.1.1 巷道围岩稳定性影响因素 ............................................................................13 2.1.2 巷道围岩破坏分布........................................................................................15 2.2 煤岩力学试验.........................................................................................................16 2.2.1 实验仪器 .......................................................................................................17 2.2.2 试验过程 .......................................................................................................17 2.2.3 实验数据及处理............................................................................................18 2.2.4 实验结论 .......................................................................................................20 2.3 本章小结.................................................................................................................20 3“三软”不稳定煤层回采巷道支护相似模拟实验..........................................................21 3.1 概述.........................................................................................................................21 3.2 巷道加载实验模型构建..........................................................................................21 3.2.1 工程原型与地质条件及地应力特征.............................................................21 3.2.2 主要参数确定................................................................................................22 3.2.3 主要测试手段................................................................................................23 3.3 模型材料制备与结构预制......................................................................................25 3.3.1 模型材料制备................................................................................................25 目 录 II 3.3.2 测试系统布局................................................................................................26 3.4 巷道加载相似模拟分析..........................................................................................27 3.4.1 巷道收敛变化................................................................................................27 3.4.2 顶板压力变化................................................................................................28 3.4.3 巷道支架受力变化........................................................................................29 3.5 平立交互相似模拟实验..........................................................................................30 3.6 2m 架相似模拟实验................................................................................................33 3.7 实验结果.................................................................................................................38 3.8 本章小结.................................................................................................................38 4“三软”不稳定煤层回采巷道支护数值模拟..................................................................39 4.1 FLAC3D软件...........................................................................................................39 4.2 数值计算模型.........................................................................................................40 4.2.1 计算参数 .......................................................................................................40 4.2.2 计算模型建立................................................................................................40 4.2.3 计算过程 .......................................................................................................42 4.3 数值模拟结果分析..................................................................................................42 4.3.1 无支护条件下不同断面巷道围岩力学特征..................................................42 4.3.2 巷道不同断面优化支护实验方案围岩力学特征..........................................44 4.4 数值模拟实验结果..................................................................................................50 4.5 本章小结.................................................................................................................52 5 工程实例...........................................................................................................................53 5.1 工程概况.................................................................................................................53 5.2 煤层赋存地质条件..................................................................................................54 5.3“三软”不稳定煤层回采巷道支护难点分析与方案设计.....................................54 5.3.1“三软”不稳定煤层回采巷道支护难点分析...............................................54 5.3.2 原支护方案存在问题....................................................................................55 5.3.3 巷道支护方案设计........................................................................................55 5.3.4 坡顶煤超前支护方案设计 ............................................................................58 5.4 支护参数计算.........................................................................................................59 5.4.1 巷道断面形状和尺寸优化 ............................................................................59 5.4.2 锚网支护基本参数确定................................................................................59 5.5 矿压实测分析与支护效果......................................................................................62 5.5.1 观测方案 .......................................................................................................62 5.5.2 监测数据 .......................................................................................................62 目 录 III 5.5.3 支护效果 .......................................................................................................63 5.5.4 经济指标 .......................................................................................................64 5.6 本章小结.................................................................................................................65 6 结 论 ................................................................................................................................66 致 谢 .................................................................................................................................67 参考文献 .............................................................................................................................68 附 录 .................................................................................................................................72 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 本课题研究背景 贵州渝能煤炭开发有限责任公司柿花田煤矿是重庆南桐煤业公司在贵州遵义经过 资源整合的一个矿井。柿花田煤矿位于贵州省遵义县枫香镇境内西北面，行政隶属枫香 镇管辖。井田中心距枫香镇约 10km，距拟建鸭溪电厂约 29km，交通较为方便。柿花田 煤矿井田位于长岗向斜南东翼，地层走向北东东，倾向一般 320350，倾角浅部陡， 深部缓，西部陡，东部缓，浅部一般为 2045，向深部变为 510，煤层沿走向稍有起 伏，总体为一单斜构造。7煤层是柿花田煤矿的主要可采煤层。煤层结构简单，厚度 0.82m2.27m，平均 1.57m，倾角 23全区可采。由于地质条件复杂，褶皱断层构造十分 发育；煤层分叉、尖灭、无煤带、薄煤带、厚煤区错综出现，给煤矿生产、安全、管理 带来很多难题。主采 7煤层，顶底板条件复杂，煤层厚度变化大，煤质松软，属复合顶 底板三软煤层。煤层厚度不稳定、倾角变化大、顶底板起伏变化大，条件复杂又无明显 规律性，对工作面的采掘布置、安全生产影响极大。 该矿为了尽量开掘煤巷，加快掘进速度，降低掘进费用，尽快形成 11071 首个综采 工作面采煤，扭转矿井生产的被动局面，经协商决定，分别重新试掘 11071 运输机巷和 回风巷。在掘进期间，特别是掘出不久，两条巷道均出现压力很大，两巷还发生过多次 煤与瓦斯突出，造成掘进间断，巷道难以支护，直接影响了正常掘进，导致安全隐患大， 成本高。 在不稳定煤层巷道支护中，对采掘影响因素众多。煤层倾角是影响巷道稳定性的重 要因素之一，大倾角煤层是倾角处于急倾斜和倾斜过渡阶段（一般认为 3555）的煤 层，其综采工作面风机巷沿煤层底板布置，底板死角三角煤量大，资源回收率低。而对 于软岩巷道，由于巷道岩石经历了漫长的地质变化，结构极为复杂，综采工作面风机巷 受掘进扰动的影响剧烈[1]，而对煤层顶底板均为软岩的回采巷道变化更是极为明显，容 易造成巷道顶板三角煤的冒落， 顶板会出现离层， 受采动影响也会出现顶板的破碎冒落， 其顶板的支护比较麻烦。对于突出煤层，煤层和围岩具有较高的地应力，并在工作面附 近的煤层应力状态会发生突然变化，如果顶底板属软岩的突出煤层，掘进巷道周围煤体 承受的矿山压力较大，就会为煤与瓦斯突出增加更大的动力[2]。 国内外对于不稳定煤层，特别是煤层倾角、厚度等因素变化大的突出煤层软岩回采 巷道的掘进与支护的系统研究很少，相关的文献资料也非常有限。因此此类条件下存在 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 的问题也颇多， 诸如工作面风机巷顶、 底板三角煤不易支护、 异形高帮易片帮不易支护、 顶板为软岩离层支护困难、破断顶板的空间非均衡运动、综采工作面风机巷的卧底、底 板的破坏滑移、采动影响等复杂问题。这一系列问题的存在使得对不稳定煤层软顶软底 走向长壁综采工作面风机巷支护技术的研究迫在眉睫。 1.1.2 课题研究目的和意义 20 世纪 60 年代以来软岩问题就被作为世界性共同关注的难题提了出来，先后被我 国“六五” 、 “七五” 、 “八五”列入国家科技重点攻关科研项目，全国约有 70的矿区存 有软岩问题，尤其是在“九五”期间，我国建设的 10 个能源基地中有 8 个陆续出现软 岩问题[35]。随着煤矿开采条件不断复杂变化以及开采深度不断增加，很多矿区开始显 现出软岩特性，主要表现为巷道围岩体承受高应力出现明显的大变形，其次是长时间的 持续积累易发生流变，不但直接对煤矿安全生产有影响，而且还对人身安全产生威胁， 处理不当的一些矿井甚至停产停建。 因此， 软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出。 我国软岩的分布范围也很广，一般煤矿中的回采巷道大都处在煤层中，而我国属于 软岩的煤层围岩大约占三分之一以上。由于软岩的种类、岩性存在着很大的差异，而且 岩体的软弱程度也不一样，巷道所处的地应力和构造应力差别也很大。对软岩的研究还 缺乏系统的、定量的分类，以致于在软岩巷道支护中，仍然根据具体的围岩条件，采用 工程类比法来确定其支护方式和支护参数，这就影响了软岩巷道锚杆支护应用的推广。 对于“三软”回采巷道，频繁地经受采动影响，其支护参数还没有统一的标准，随着软 岩强度不同，采深的增加，支护参数也要随之改变。为了有效地支护“三软”巷道，对 不同的软岩根据其具体条件，需要有适应其围岩变形特征的相应支护方式和支护参数。 在“三软”煤层回采巷道中，两帮煤体强度一般比较低，随着采掘向深部延伸，巷道所 受的应力加大，两帮松软的煤体会发生鼓起，甚至发生大面积的片帮现象，使支架变形 加剧，致使支护失效。长期以来，由于我国煤巷主要使用工字钢和U型钢等棚式支护， 很难适应深部“三软”回采巷道对支护的要求。而现行的锚杆联合支护，仍然采用工程 类比法。对“三软”回采巷道的支护参数还需要进一步研究，这是我国煤矿“三软”巷 道支护面临的重要的研究课题，