五阳煤矿综放开采沿空留巷围岩控制技术研究.pdf

分类号T D 一3 2 5 U D C6 2 2 学校代码 10 14 7 密级公开 博士学位论文 五阳煤矿综放开采沿空留巷围岩控制技术研究 S t u d yo nS u r r o u n d i n gR o c kC o n t r o lT e c h n o l o g yf o r G o b s i d eE n t r yR e t a i n i n gi nT o p - - c o a lC a v i n g M i n i n gF a c eo fW u y a n g C o a lM i n e 作者姓名李军文 指导教师王继仁教授李胜教授 申请学位工学博士 学科专业采矿工程 研究方向矿山压力与岩层控制 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽室工程堇查太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意逞室工程堇苤太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名鹰罨良导师签名 主f 纪寥雌 弦』乡年占月侈日 。2 州广年衫月／扩日 万方数据 致谢 论文是在王继仁教授和李胜教授两位导师的悉心指导和严格要求下完成的，从论文的 选题直到最后成稿的每个环节都凝聚了导师的心血和智慧。王继仁教授渊博的学识、严谨 的治学态度、勇于创新的风范、坚持不懈的钻研精神、大公无私的高尚品格深深的影响了 我；王老师诲人不倦、事事关心他人的处世风格和平易近人的风范，给我留下了极其深刻 的印象。在论文写作过程中，得到了王老师高屋建瓴的指导，取得的每一点进步都凝聚着 恩师的心血。李胜教授不但是学业上的启蒙恩师，而且在日常生活中给予了无微不至的关 怀。李老师严谨的治学态度、深厚的学术造诣、朴素的生活作风和孜孜不倦的探索精神使 我深受感染。两位老师是我终生学习的楷模 在论文完成之际，谨向两位导师致以最崇高 的敬意和最衷心的感谢 感谢辽宁工程技术大学矿业学院和研究生院对我的培养 感谢地质动力区划研究所对 我的培养和教育 感谢矿业学院张宏伟教授、题正义教授、许振良教授、陈学华教授、霍 丙杰副教授、张宝安副教授、韩军副教授、宋卫华副教授、陈蓥博士、兰天伟博士在专业 知识方面给予的指导和帮助 感谢矿业技术学院张春华副教授在论文完成过程中给予的建 议和热心帮助 感谢朱志洁博士在数值模拟和日常学习交流中给予的热心帮忙和建议，感谢韩永亮博 士、罗明坤博士、范超军博士、荣海博士在相似材料模拟过程中给予的大力支持，感谢张 勋博士、崔铁军博士、杜亚志博士、付兴博士和朱峰博士在平时学习中的有益探讨和交流， 感谢周利峰硕士、祁晓鑫硕士、赵博硕士、邬珂瑞硕士、齐嘉义硕士、胡海永硕士、张帅 硕士、杜文璋硕士等师弟给予的帮助和支持 感谢潞安集团五阳煤矿李忠群副矿长、彭程芳副主任、王强工程师、连东东工程师、 钱鹏工程师、朱勇钢工程师等在现场工业性试验方面提供的大力支持 感谢父母的养育之恩，在二十多年的求学路上，你们～直是我最坚强的后盾 感谢两 位姐姐在生活中给我的关心和爱护，感谢所有支持我的亲人和朋友 感谢百忙之中评审论文和参加答辩的专家和评委们 万方数据 摘要 沿空留巷对提高煤炭采出率、减少巷道掘进量、防治瓦斯灾害具有重要意义。在厚煤 层综放开采工作面进行沿空留巷，应力集中程度高、动压影响强烈，巷道变形严重，维护 困难，导致沿空留巷达不到预定效果，实现综放开采沿空留巷的关键在于围岩的稳定性控 制，开展综放沿空留巷围岩控制技术研究具有重要的理论价值和实践意义。 论文采用理论分析、相似材料模拟、数值模拟和现场试验等方法，研究了综放沿空留 巷的覆岩结构破坏特点、巷旁支护阻力和围岩变形规律，提出了综放沿空留巷可行性分析 方法，取得的主要研究成果如下 分析了沿空留巷侧向顶板破断形式和侧向顶板关键块参数；揭示了沿空留巷围岩运动 变形特点，对影响围岩稳定性的因素进行了分析；以关键层理论为基础，建立了综放沿空 留巷围岩结构力学模型，确定了沿空留巷支护阻力理论公式。根据能量守恒和损伤力学理 论，建立了综放沿空留巷顶板下沉损伤力学模型，推导出顶板下沉量的理论公式，分析了 顶板下沉量的影响因素；基于板壳理论和最小总势能原理，建立了综放沿空留巷直接底和 老底的底鼓力学模型，确定了综放沿空留巷底鼓量的计算方法，分析了底鼓的影响因素。 提出了综放沿空留巷可行性分析指标，采用灰色．模糊理论和层次分析法建立了综放沿空留 巷可行性分析方法。通过相似材料模拟实验，采用数字散斑分析了综放沿空留巷岩层位移 特征，研究了侧向顶板垮落与巷旁支护体应力分布的关系；采用三维数值模拟手段，研究 了综放沿空留巷顶板应力演化规律和项板下沉规律，分析了留巷宽度、巷旁支护体强度和 宽度对沿空留巷围岩应力场和项板下沉的影响。提出五阳煤矿“锚网索 高强度墩柱 木垛 基本底注浆”联合支护变形控制对策，确定了巷内支护和巷旁支护设计参数，分析了支 护设计的可靠性。 研究成果在五阳煤矿7 6 0 2 综放工作面进行了工业试验，结果表明，采取的支护方案 较好地控制了围岩结构变形，为类似条件煤矿综放沿空留巷提供了成功的案例。 关键词综放开采；沿空留巷；巷旁支护阻力；变形规律；可行性分析；围岩控制 万方数据 A b s tr a c t G o b s i d ee n t r yr e t a i n i n gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v ec o a lr e c o v e r yr a t i o ， r e d u c er o a d w a yt u n n e l l i n g ，g a sd i s a s t e rp r e v e n t i o n ．B e c a u s eo f h i g hs t r e s sc o n c e n t r a t i o n a n ds t r o n gd y n a m i cp r e s s u r e ，t h er o a d w a yd e f o r m a t i o ni ss e v e r ea n dd i f f i c u l tt o m a i n t a i nw h e ng o b s i d ee n t r yr e t a i n i n gi sl a u n c h e di nt h i c kc o a ls e a mt o p - c o a lc a v i n g m i n i n gf a c e ．T h ek e yt og o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n gi nt o p c o a lc a v i n gm i n i n gf a c e G E R T C F i st h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c kc o n t r 0 1 ．I ti so fi m p o r t a n tt h e o r e t i c a l v a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o rc a r r y i n go u ts u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lt e c h n o l o g yi n G E R T C F ． T h r o u g ht h e o r ya n a l y s i s ，s i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d f i e l d t e s t ，t h i s d i s s e r t a t i o n s t u d y t h es t r a t as t r u c t u r e d a m a g ec h a r a c t e r i s t i c s ， r o a d w a y s i d es u p p o r t i n gr e s i s t a n c e ，d e f o r m a t i o n l a wo fs u r r o u n d i n gr o c ka b o u t G E R T C F ．T h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i sm e t h o do fG E R T C Fi sp r o p o s e d ．T h em a i nr e s e a r c h a c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s B r e a k a g ef o r m sa n dk e yb l o c kp a r a m e t e r so fl a t e r a lr o o fi ng o b s i d ee n t r yr e t a i n i n g a r ea n a l y e d ．T h ei n f l u e n c ef a c t o r so fs u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t ya r ea n a l y z e d ，a n dt h e s u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n gi sr e v e a l e d ．O n t h eb a s i so ft h ek e ys t r a t at h e o r y ，s u r r o u n d i n gr o c ks t r u c t u r em e c h a n i c a lm o d e lo f G E R T C Fi se s t a b l i s h e da n dt h et h e o r e t i c a lf o r m u l ao fs u p p o r t i n gr e s i s t a n c ei sc o n f i r m e d ． A c c o r d i n gt oe n e r g yc o n s e r v a t i o na n dd a m a g em e c h a n i c st h e o r y ，r o o fs u b s i d e n c e d a m a g em e c h a n i c sm o d e lo ft h eg o bs i d ee n t r yr e t a i n i n gi nf u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c e i sb u i l ta n dr o o fs u b s i d e n c ea n a l y t i cs o l u t i o ni sc a r r i e do u t ．I n f l u e n c ef a c t o r so fr o o f s u b s i d e n c ea r ea n a l y z e d ．O nt h eb a s i so fp l a t e s h e l lt h e o r ya n dm i n i m u mp o t e n t i a l e n e r g yp r i n c i p l e ，i m m e d i a t ef l o o ra n db a s i cf l o o rm e c h a n i c a lm o d e li ng o bs i d ee n t r y r e t a i n i n gi nf u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c ei se s t a b l i s h e d ．F l o o rh e a v ec a l c u l a t i o nm e t h o d i s p u to u ta n di n f l u e n c ef a c t o r so ff l o o rh e a v ea r ea n a l y z e d ．T h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i s i n d e xo fG E R T C Fi sp r o p o s e d ，a n dG E R T C Ff e a s i b i l i t ya n a l y s i sm e t h o di se s t a b l i s h e d b yu s i n gf u z z yt h e o r ya n dA H P ．B yu s i n gt h es i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n d d i g i t a ls p e c k l e ，r o c kd i s p l a c e m e n tf e a t u r e so fG E R T C Fa r ea n a l y z e d ，a n dr e l a t i o n s h i p b e t w e e nl a t e r a lr o o fc a v i n ga n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fr o a d s i d es u p p o r tb o d yi ss t u d i e d ． 万方数据 B yu s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h er o o fs t r e s se v o l u t i o nr u l ea n dr u l e o fr o o fc o n v e r g e n c eo fG E R T C Fa r es t u d i e d ，a n di n f l u e n c eo nt h es t r e s sf i e l da n dr o o f s u b s i d e n c ec a u s e db yg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n gw i d t h ，t h er o a d s i d es u p p o r tb o d ys t r e n g t h a n dw i d t hi sa n a l y z e d ．T h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dt h ec o n t r o lc o u n t e r m e a s u r e so f s u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o ni nW u y a n gc o a lm i n e ，w h i c hi s ”b o l t - m e s h - a n c h o r h i g h s t r e n g t hp i e r t i m b e rc r i b b a s i cb o t t o mg r o u t i n g ”．E n t r y i ns u p p o r td e s i g na n d r o a d s i d es u p p o r tp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d ，a n dt h es u p p o r td e s i g nr e l i a b i l i t yi sa l s o a n a l y z e d ． T h er e s e a r c hr e s u l t sa r ea p p l i e ds u c c e s s f u l l yi n7 6 0 2f u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gf a c e o fW u y a n gc o a lm i n e ．R e s u l t ss h o wt h a ts e l e c t e ds u p p o r ts c h e m ec a nf a i r l yw e l ls o l v e t h es u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o n ，w h i c hp r o v i d e sas u c c e s s f u lG E R T C Fc a s ef o rs i m i l a r c o n d i t i o nc o a lm i n e ． K e yW o r d s F u l l m e c h a n i z e dc a v i n gm i n i n g ；G o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n g ；R o a d s i d e s u p p o r tr e s i s t a n c e ；D e f o r m a t i o nl a w ；F e a s i b i l i t ya n a l y s i s ；S u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o l I I I 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．1综放覆岩结构运动及沿空留巷变形规律研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2沿空留巷支护研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．1研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．3 ．2研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．3 ．3技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2综放沿空留巷覆岩结构理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1综放沿空留巷覆岩结构特征．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2综放沿空留巷顶板破断的基本规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 ．1沿空留巷上覆岩层破坏基本形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．2 ．2沿空留巷侧向顶板关键块参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3综放沿空留巷围岩稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．1沿空留巷围岩运动特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．3 ．2围岩稳定性主要影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4综放沿空留巷支护阻力理论推导⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．4 ．1沿空留巷力学模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．4 ．2巷旁支护体支护阻力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3综放沿空留巷围岩变形规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1综放沿空留巷顶板下沉分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ．1顶板下沉特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 万方数据 3 ．1 ．2项板下沉量力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 3 3 ．1 ．3 顶板下沉量理论计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 3 3 ．1 ．4项板下沉影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．2综放沿空留巷底板变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．2 ．1底板的破坏机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．2 ．2 底鼓量理论计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 3 ．2 ．3 底鼓影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4五阳煤矿综放沿空留巷可行性分析及支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．1 五阳煤矿概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．2综放沿空留巷的可行性分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 ．1综放沿空留巷可行性分析的必要性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 ．2综放沿空留巷可行性影响因素及其隶属函数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．2 ．3影响因素权重求解及一致性检验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．4综放沿空留巷可行性分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．2 ．5综放沿空留巷可行性主要影响因素与支护对策⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．3 五阳煤矿综放沿空留巷可行性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．4综放沿空留巷支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．4 ．1 巷内支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．4 ．2 巷旁支护方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．5 综放沿空留巷支护的可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．5 ．1综放沿空留巷结构的可靠度指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．5 ．2 可靠性分析极限状态方程的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．5 ．3综放沿空留巷支护的可靠度计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 五阳煤矿综放沿空留巷模拟实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．1综放沿空留巷相似材料模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．1 ．1 模型方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．1 ．2 模拟实验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 万方数据 5 ．2 综放沿空留巷数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．2 ．1 三维数值模型的建立⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．2 ．2综放沿空留巷围岩应力分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．2 ．3综放沿空留巷项板下沉变形规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．2 ．4不同因素对综放沿空留巷的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 6 工业性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 3 6 ．1五阳煤矿沿空留巷关键支护技术及控制对策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 6 ．1 ．1沿空留巷支护难点及关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 6 ．1 ．2 围岩变形控制对策⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯．．8 3 6 ．2综放沿空留巷支护参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 4 6 ．2 ．1 巷旁支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 6 ．2 ．2 巷内支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 6 ．2 ．3支护设计的可靠度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 8 6 ．3综放沿空留巷监测方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 6 ．4综放沿空留巷现场监测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 0 6 ．4 ．1沿空留巷矿压监测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 0 6 ．4 ．2沿空留巷瓦斯监测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 4 6 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 6 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 7 7 ．1主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．O Q．．．．．．．00 ．．．．．．9 7 7 ．2创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 7 ．3展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 9 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．10 6 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 8 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 9 万方数据 辽宁工程技术大学博士学位论文 1绪论 1 ．1选题背景及意义 煤炭是世界能源结构的重要组成部分，从全球范围的储采比看，截至2 0 11 年底，石 油储采比为5 4 。2 年，天然气储采比为6 3 ，6 年，而煤炭储采比是111 ．9 年，煤炭对保障世界 能源安全具有重要意义【1 1 。在我国石化能源储量中，煤炭占9 4 ％，其它石化能源储量为6 ％t 引。 中国煤炭生产总量和消费总量为世界第一。2 0 1 4 年世界煤炭总产量是7 9 亿吨，中国煤炭 总产量为3 8 ．7 亿吨，接近世界煤炭总产量的一半。2 0 1 4 年，全国能源消费中煤炭资源消 耗4 2 ．6 亿t ，占6 6 ．0 ％。2 0 1 4 世界能源统计年鉴表明，2 0 1 3 年中国能源一次消费比中煤炭 为6 7 ．5 ％，2 0 1 2 年煤炭消费比为6 7 ．9 ％1 3 ] 。2 0 0 3 年- 2 0 11 年，中国能源消费比中煤炭消费 比平均值为7 0 ．1 ％。从煤炭资源利用角度看，我国煤炭资源丰富，相比其他化石能源具有 廉价的优势，另外，随着煤炭清洁利用技术的发展，煤炭能成为清洁、环保的资源。国务 院能源发展战略行动计划 2 0 1 4 2 0 2 0 年 中，“到2 0 2 0 年，一次能源消费总量控制 在4 8 亿吨标准煤左右，煤炭消费总量控制在4 2 亿吨左右”、“煤炭消费比重控制在6 2 ％ 以内’’【4 J 。可以看出，在未来较长时期内，煤炭在保障国家能源战略安全方面仍将发挥重 要作用，煤炭作为我国主体能源的地位不可改变。 我国厚煤层储量丰富，厚煤层生产矿井总数占全国生产矿井总数的4 0 ．6 ％，厚煤层矿 井生产产量占总产量的4 0 ％一5 0 ％1 5 - 6 ] 。我国厚煤层开采技术主要有分层开采、综采放顶煤 开采和一次采全高开采三种。目前，分层开采主要应用在特厚煤层开采中。一次采全高主 要适用于煤层厚度为3 ．5 ～6 m 、煤层赋存稳定、地质构造简单、顶板条件好、煤层倾角较小 的煤层，其适用性有较大的局限性。综采放项煤作为一种先进的开采方法，自2 0 世纪5 0 年代问世以来，曾经是法国、匈牙利和前南斯拉夫等国厚煤层开采的主要方法之一。1 9 9 2 年，国外最后一个综放工作面在俄罗斯停采，综放开采工艺在国外没有得到进一步的发展。 1 9 8 4 年，我国第一个综放工作面在蒲河矿试产并取得成功，随后，综放技术在我的快速发 展，取得了良好的技术经济效果。经过3 0 多年的发展，综采放顶煤开采工艺和装备技术 方面取得了长足进步，我国综放开采技术整体实力处于世界领先地位【7 1 。综采放顶煤技术 不仅在中国取得新的生命，并且在2 0 0 6 年1 0 月，兖矿集团安装的澳洲第一个综放工作面 开始试生产，取得巨大成功，将中国的综放开采技术向世界进行推广。目前，综放工作面 月产量已经突破1M t ，在条件适宜的矿区和矿井完全能够达到1 0M t ／a 的生产能力【7 1 。 万方数据 五阳煤矿综放开采沿空留巷围岩控制技术研究 因其其安全、高产、高效、适应性强、工艺简单等特点，综采放顶煤技术己成为厚、特厚 煤层开采的主要方法之一。 我国大部分矿井为瓦斯矿井，目前，制约高瓦斯综放工作面单产提高的主要因素是回 风巷及工作面上隅角瓦斯超限，为解决瓦斯超限问题，国内外学者开展了大量的研究，主 要有如何提高瓦斯抽放率以及增加工作面风量、改变风流方向【8 1 。相关经验表明，在无法 加大瓦斯抽采力度的工作面，采取改变工作面通风方式的方法治理工作面瓦斯积聚和上隅 角瓦斯超限是一种很好的途径。沿空留巷是在上区段工作面开采过程中，利用巷旁充填或 支护技术，将上区段运输巷保留作为下区段回采工作面的回风巷，从而实现无煤柱开采， 形成“Y ”型通风，采用“Y ”型通风方式具有从根本上杜绝上隅角瓦斯积聚的可能性。 综放开采时，区段煤柱一般采用宽煤柱护巷，这种宽煤柱的留设方法，煤柱损失率高， 煤炭开采率低，造成厚煤层煤炭资源的浪费。资料统计显示，区段保护煤柱损失是厚煤层 综放开采煤炭损失的主要形式【9 】。采用沿空留巷后，能够大大减少工作面区段煤柱损失， 提高煤炭资源采出率。 目前，国内对于沿空留巷技术的应用主要集中在薄及中厚煤层，在厚煤层综放 工作面进行的工程实践活动较少。煤层开采厚度的增加和放项煤特殊的开采方式， 使得综放沿空留巷矿压显现规律不同于薄及中厚煤层沿空留巷，沿空留巷覆岩结构 破坏规律和围岩变形规律变的更为复杂，综放沿空留巷的围岩控制理论和技术不能 很好地满足工程实践活动的发展需要。 综放沿空留巷成功的关键在于围岩的稳定性控制，其核心是明确作用在留巷上 方的力源和控制端部覆岩结构运动造成巷道围岩的变形。沿空留巷围岩结构的力源 是基本顶及其上覆载荷岩层所组成的“大结构“ ，要求巷旁支护体能够承担“大结 构”载荷，成功实施沿空留巷首先要确定巷旁支护体支护阻力，巷旁支护体不仅要 有足够的支护阻力，同时要有一定的变形适应能力。沿空留巷“小结构”由顶板、 底板、巷旁支护体和煤帮组成，控制“小结构’’的变形是综放沿空留巷稳定的根本。 综放沿空留巷底板受采动影响很大，巷道底鼓量变形较大，综放沿空留巷底鼓变形 机理方面的研究还很少。此外，对于不同煤层厚度的综放开采工作面，不同的煤体 强度、不同的顶底板条件是否都可以采用沿空留巷，目前还没有相应的评价方法。 研究综放沿空留巷覆岩运动规律、顶底板变形规律、围岩控制技术、沿空留巷的可行 性分析方法，对完善综放开采沿空留巷围岩理论和控制技术体系、提高煤炭回收率、减少 巷道掘进量、防治瓦斯灾害具有重要意义。 万方数据 辽宁工程技术大学博士学位论文 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1综放覆岩结构运动及沿空留巷变形规律研究现状 国内外学者对采场上覆岩层的破断特征和运动规律做了大量深入的研究。自1 9 世纪 末，国外学者便开始采场覆岩运动及结构特征进行了研究。上世纪5 0 年代，德国的施托 克 K ．S t o k e 提出的“悬臂梁假说”，阐述了工作面接近煤壁处顶板下沉量小，支架承受 的载荷也小，该假说解释了支承压力以及周期性来压的现象；前苏联库兹内佐夫提出了“铰 接岩块假说”，准确的解释工作面上覆岩层的分带情况；比利时学者A ．拉巴斯提出的“预 成裂隙假说”认为，由于采动的影响，工作面回采的同时上覆岩层的连续性遭到破坏，从 而形成非连续体。 宋振骐院士【1 0 - 1 6 J 提出了“传递岩梁’’力学模型；钱鸣高院士【1 7 ∞1 提出了“砌体梁“ 力 学模型、关键层理论、关键块体的“稳定理论”，这些研究对综放工作面采场中部沿工作 面推进方向的上覆岩层矿压显现规律有了比较明确的认识。 缪协兴【2 8 。3 3 1 等利用相似模拟实验和现场观测技术，得出综放采场关键层破裂块度随着 工作面长度的增加而减小，采场来压均匀利于顶煤破碎，有利于项煤的放出，但当主关键 层来压时需对顶板采取措施，防治顶板事故发生。 张顶立【3 4 - 3 6 ] 等通过对综放采场顶板结构研究，提出了“砌体梁”与“半拱”式结构， 认为综放面矿压复杂的主要因素是项板破碎和覆岩结构，并分析了矿压特征提出了相应的 顶板控制措施。 赵士昌【3 7 - 3 8 ] 等通过研究发现，综放采场覆岩中众多断裂岩块组成了自稳梁式结构，其 破断长度远小于周期来压步距，破断岩梁虽然无法抵抗拉应力但在轴向的相互挤压作用使 其具有一定的承载能力。 靳钟铭[ 3 9 4 明通过现场实测，得到在超前支承压力的影响下，工作面前方项煤分为显著 变形、压裂、松动、放落四个区域，工作面后方直接顶随顶煤放出垮落，垮落角约8 0 。， 部分基本顶随之垮落。 以上对综放开采岩层运移规律、顶煤破坏规律⋯- 4 9 ] ，尤其是直接顶厚度及力学特征、 覆岩垮落高度，取得了丰硕的成果，丰富了采矿学科，完善了放顶煤理论，有效指导了综 放采场顶板控制，促进了放顶煤技术的推广和应用，随着沿空留巷在放顶煤工作面的应用， 很多学者对端部覆岩运动特征、留巷变形机理开展研究。 综放沿空留巷开采具有留设巷道断面大、项板为煤层等特点【5 0 巧4 】，这些特点致使综放 沿空留巷围岩变形量大，因此对留巷的稳定性及围岩的应力应变规律开展研究很有必要。 万方数据 五阳煤矿综放开采沿空留巷围岩控制技术研究 针对综放沿空留巷围岩受力环境，国内外很多学者对沿空留巷围岩应力、变形分布规律开 展了大量的研究，巷道围岩支护日益完善，围岩得到了有效的控制。 张东升、马裴【5 5 - 6 0 l 等运用覆岩关键层理论建立了综放沿空留巷围岩的结构力学模型。 利用数值分析方法，考虑材料蠕变特性，以潞安矿业集团常村煤矿综放工作面沿空留巷工 业性试验为背景，综合考虑充填体强度、接顶时间、充填体长时受力变形多因素影响，实 测分析了不同尺寸和不同侧压下沿空留巷围岩变形特征的差异，确立了控制围岩稳定的充 填体材料所必须具备的力学性能参数，为综放沿空留巷合理设计提供了理论基础，在保证 充填体稳定的前提下，使留巷达到最佳效果。 陈书宏【6 1 】对通过实验对充填体宽度和充填体特征、充填体参数对留巷围岩控制效果进 行了研究，阐述了不同充填宽度不同材料充填体抗变形的能力。 谢文兵【6 2 捌】结合工程实践，建立了综放沿空留巷模型，利用数值模拟软件U D E C 分析 了巷道煤岩应力分布、位移变化规律，通过改变端部未放煤宽度、充填体参数对沿空留巷 的稳定性进行了分析，确定不同变量时端部顶板断裂位置，阐述了覆岩破断运移与顶煤体 变形位移