枣泉煤矿回采巷道支护技术研究.pdf

论文题目枣泉煤矿回采巷道支护技术研究 专 业矿业工程 硕 士 生王 军 （签名） 指导导师张恩强 教授 （签名） 校外导师官 亮 高级工程师 （签名） 摘 要 受构造和多次动压影响的巷道支护问题一直是枣泉煤矿安全开采所面临的难题之 一。研究该类巷道的合理支护对策，并针对具体条件设计支护方案和确定相关参数无疑 具有一定的理论意义和实用价值。 本文以枣泉煤矿12208工作面辅运巷为主要研究对象，在对原支护方案进行分析评 价的基础上，采用数值模拟、理论分析、现场观测等方法对该巷道锚杆支护技术进行了 分析和研究，确定了适合枣泉煤矿巷道的锚杆支护方案和参数，并对新设计方案在实施 中进行了监测，监测数据表明新方案是可行的，远远优于原方案。论文研究较好地解决 了枣泉煤矿受构造和多次动压影响的巷道锚杆支护的技术难题， 其成果对类似巷道具有 参考价值。 关 键 词枣泉煤矿；回采巷道；锚杆支护 研究类型应用研究 Subject Research On Supporting Technology of Roadway in Zaoquan Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Wang Jun Signature Supervisor Zhang Enqiang Signature Off-campus tutorGuan Liang Signature ABSTRACT One of the difficult problems about safe mining of Zaoquan coal mine is the high stress roadway supporting which is made under the influence of the multiple dynamic pressure. Studying on the roadway supporting of that roadway, and ascertaining a reasonable countermeasure and relevant parameters according to the specific conditions has a certain theoretical significance and practical value. Auxiliary transportation roadway in 12208 working face of Zaoquan coal mine is treated as the main research object in this article. Based on the analysis and uation of primary support scheme, analysis and research on the bolt support technology of high ground stress roadway, using the s of numerical simulation, theoretical analysis, field observation, etc, is carried out. A suitable bolt supporting plan about the roadway of Zaoquan coal mine has been raised, and the design parameter has been optimized. The new design scheme has been monitored during its implementation. Analyzing about monitoring data demonstrate that the new design scheme is feasible,and it’s better the original one. The new design scheme has solved the technical problem about high stress roadway supporting which is made under the influence of the multiple dynamic pressure in Zaoquan coal mine. The conclusions obtained have a certain referential value to analogous roadway. Keywords Zaoquan coal mine; roadway support; Bolt supporting Thesis Applying Research 目录 I 目录 1 绪论.............................................................................................................. 1 1.1 问题的提出 ......................................................................................... 1 1.2 研究目的及意义 .................................................................................. 1 1.3 国内外研究现状 .................................................................................. 2 1.3.1 巷道支护理论 ............................................................................ 2 1.3.2 巷道支护形式 ............................................................................ 3 1.3.3 煤巷锚杆支护技术 .................................................................... 4 1.4 研究的内容、方法和技术路线 ............................................................ 4 1.4.1 研究内容 ................................................................................... 4 1.4.2 研究方法 ................................................................................... 5 1.4.3 技术路线图 ............................................................................... 5 2 原支护方案分析与评价 ................................................................................. 6 2.1 工程概况 ............................................................................................. 6 2.1.1 井田概况 ................................................................................... 6 2.1.2 12208 工作面回采巷道围岩条件 ................................................ 7 2.2 原支护方案分析 .................................................................................. 7 2.2.1 原支护方案 ............................................................................... 7 2.2.2 原支护方案分析 ........................................................................ 8 2.2.3 原支护方案评价 ........................................................................ 9 2.3 小结 ................................................................................................... 9 3 支护方案设计与优化 ................................................................................. 10 3.1 锚杆支护动态信息设计法概述 .......................................................... 10 3.1.1 设计原则 ................................................................................. 11 3.1.2 设计方法和步骤 ...................................................................... 11 3.2 锚杆支护参数计算 ............................................................................ 13 3.2.1 锚杆预应力 ............................................................................. 13 3.2.2 锚杆几何与力学参数 ............................................................... 14 3.2.3 钻孔与锚固参数 ...................................................................... 16 3.2.4 锚杆布置参数 .......................................................................... 18 3.2.5 组合构件与网的参数 ............................................................... 19 3.2.6 新支护设计方案 ...................................................................... 21 目录 II 3.3 巷道围岩应力分布与变形规律模拟分析 ................................................................. 22 3.3.1 计算模型 .......................................................................................................... 22 3.3.2 模拟方案 .......................................................................................................... 22 3.3.3 岩体力学参数的选取 ...................................................................................... 22 3.3.4 巷道支护断面初始设计数值模拟 .................................................................. 22 3.3.5 巷道断面支护新设计数值模拟分析与优化 .................................................. 24 3.4 小结 ............................................................................................................................. 34 4 现场监测与支护效果分析 ................................................................................................... 35 4.1 监测方案 ..................................................................................................................... 35 4.1.1 综合监测 .......................................................................................................... 35 4.1.2 日常监测 .......................................................................................................... 36 4.2 矿压监测监测结果分析 ............................................................................................. 37 4.2.1 巷道表面位移监测 .......................................................................................... 37 4.2.2 顶板离层监测 .................................................................................................. 38 4.2.3 锚杆受力监测 .................................................................................................. 40 4.3 支护效果比较 ............................................................................................................. 43 4.4 小结 ............................................................................................................................. 44 5 结论 ....................................................................................................................................... 45 5.1 结论 ............................................................................................................................. 45 5.2 展望 ............................................................................................................................. 45 致 谢 ...................................................................................................................................... 46 参考文献 .................................................................................................................................. 47 附 录 ...................................................................................................................................... 50 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出 神华宁夏煤业集团宁东矿区是我国 13 个重要的煤炭生产基地之一，也是宁夏回族 自治区重点建设的能源与化工基地。 未来几年， 宁夏将全力打造被喻为宁夏 “一号工程” 的宁东煤炭基地，预计到 2020 年，宁东基地煤炭生产能力将达到 1.3 亿吨。枣泉煤矿是 神华宁煤集团宁东矿区的新建的特大型现代化矿井，计划 3 年内建成千万吨级矿井。该 矿井的正常生产对宁东矿区的建设与发展具有重要的示范作用。 枣泉煤矿工作面平巷采用双巷掘进， 本工作面的运输平巷与下一个工作面的回风平 巷同时掘出，下一个工作面的回风平巷在本工作面生产时作为辅助运输巷使用。该巷道 在经历相邻两个工作面回采动压影响后，巷道出现顶板下沉、局部冒顶、两帮收缩、底 鼓等剧烈变形。在使用中，进行了多次起底、扩帮，先后采用架设矿工钢棚、单体支柱 “Π”型钢梁密集棚，局部支设木垛和补打锚索桁架等手段，进行了多次全面维修。这说 明该巷道的原支护方案不能满足巷道使用的要求。 初步分析认为，导致这一现象的原因主要是锚杆支护方案与现场条件不完全适应， 锚杆预应力小，预应力扩散效应差，支护刚度低，锚杆没有充分发挥主动支护的作用， 从而不能有效控制围岩早期离层与破坏，围岩强度与完整性丧失过大。 针对上述情况，枣泉煤矿提出对回采巷道支护技术进行研究，本论文正是以此项目 为依托完成的。 1.2 研究目的及意义 枣泉煤矿地质条件复杂，在构造应力和工作面周围支承压力影响下，工作面平巷变 形破坏剧烈，维修频繁、工作量达，不仅支护成本很高，而且带来很多安全隐患，严重 制约采煤工作面的快速推进及矿井产量和效益的提高。因此，对该巷道支护技术研究无 疑对枣泉矿以及神华宁煤集团宁东矿区类似矿井实现安全、 高产高效生产具有重要的参 考价值。 目前类似巷道支护问题在全国也普遍存在， 本论文所做工作是对相关支护技术应用 和研究的一点探索。 西安科技大学工程硕士学位论文 2 1.3 国内外研究现状 1.3.1 巷道支护理论 支护理论的研究一直是巷道支护的一个重要方面。弄清巷道围岩变形和破坏规律， 围岩与支护体相互作用关系，对认识支护对象，合理进行巷道支护设计具有重要意义 [1-2]。我国学者针对我国矿山巷道地质条件，在支护理论方面做了大量工作，提出多种 巷道支护理论，并在生产实践中起到积极的指导作用。 1 新奥法支护理论 新奥法在 70 年代未传入我国，在煤炭、铁路、水电等工程领域进行推广应用。特 别是煤炭行业，结合自身的特点，完善和发展了新奥法，形成以下支护原则如采用光 面爆破；采用早强喷射混凝土及时封闭巷道周边，实施密贴支护；采用锚喷支护，主动 加固围岩，提高其自承能力，在围岩内形成承载圈；实施二次支护；对破碎围岩实施注 浆加固；实施动态设计和动态施工等[3]。 2 联合支护理论 联合支护理论认为对深部软岩巷道，只追求提高支护体刚度难以有效控制围岩变 形，要先柔后刚，先让后抗，柔让适度，稳定支护。相应的支护型式有锚喷网支护、锚 喷网支架、锚梁网支架等联合支护技术。联合支护理论在困难条件巷道中得到比较广 泛的应用，但随着巷道条件越来越差，该理论受到了挑战，有些巷道采用联合支护并不 有效，需要多次维修和翻修，围岩变形一直不能稳定，需要寻求更合理的支护理论[4]。 3 松动圈支护理论 松动圈支护理论认为当围岩应力超过围岩强度时，围岩将产生弧形破裂带，称为 围岩松动圈。支护的最大载荷是围岩松动圈形成过程中的碎胀力。根据松动圈对巷道围 岩进行分类，并提出相应的支护机理和方法。松动圈支护理论比较简单、直观，但存在 两方面的问题一是井下很难准确测定松动圈的范围；二是巷道支护对松动圈是否有影 响及影响程度不清楚，需要进一步深入研究。 4 锚杆支护的扩容稳定理论 该理论针对锚杆支护提出，其实质是锚杆支护主要作用在于控制锚固区围岩的离 层、滑动、张开裂隙等扩容变形与破坏，在锚固区内形成次生承载层，最大限度地保持 锚固区围岩的完整性，避免围岩有害变形的出现，提高锚固区围岩的整体强度和稳定性 [5]。为此，应采用高强度、高刚度锚杆组合支护系统。高强度要求锚杆具有较大的破断 力，高刚度要求锚杆具有较大的预紧力并实施加长或全长锚固，组合支护要求采用强度 和刚度大的组合构件。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形与破坏，避免二 次支护和巷道维修。该理论在井下应用中已经得到证实，但是还有很多具体的工作需要 1 绪论 3 进一步研究。 1.3.2 巷道支护形式 目前，用于高应力巷道的支护形式主要有以下几种 1 锚杆、锚喷支护 喷射混凝土可及时封闭巷道周边，实施密贴支护，减少水、风对围岩强度的影响[6]。 锚杆可及时支护围岩，起到主动加固作用，充分发挥围岩的自承能力。锚杆、锚喷支护 是一种性能优越、比较适合深部软岩巷道的支护形式。但是，必须选择合理的支护形式 与参数，才能取得较好效果，否则，容易出现冒顶事故。 2 U 型钢可缩性支架支护 U 型钢可缩性支架在我国煤矿和一些其它矿山得到比较广泛的应用。U 型钢具有良 好的断面形状和几何参数，使型钢搭接后易于收缩，只要支架设计合理，使用正确，连 接件选择适当，就能获得较好的支架力学性能[7]。我国可缩性支架所用的 U 型钢主要有 U25、U29 和 U36 三种。支架型式结构主要有不封闭和封闭两大系列。不封闭的有拱型 直腿、拱型曲腿等形式，封闭的有圆形、方环形、马蹄形、直腿底拱形等类型。但是， U 型钢可缩性支架毕竟是一种被动支护形式，而且支护费用高，施工比较困难，不是首 选的支护形式。 3 注浆加固 围岩注浆加固是利用浆液充填围岩内的裂隙，将破碎的岩体固结起来，改善围岩结 构，提高围岩的强度，改善其力学性能，从而增加围岩自身承载能力，保持围岩的稳定 性[8]。目前国内外用于岩体加固的材料共有两大类型一类是水泥─水玻璃材料；另一 类是高分子材料，如不饱和聚酯、环氧树脂、聚氨酯树脂，其中聚氨酯树脂使用比较广 泛。注浆加固一般适用于比较破碎的围岩条件，并且与其它支护方法联合使用，用于局 部地段加固。 4 复合支护 复合支护是采用两种或两种以上的支护方式联合支护巷道。 如果能充分发挥每种支 护方式的支护性能， 做到优势互补， 复合支护会有更好的支护效果和更广泛的适用范围。 复合支护有多种类型，如锚喷注浆加固，锚喷U 型钢可缩性支架，锚喷弧板支架， U 型钢支架注浆加固，以及锚喷注浆U 型钢支架等型式。复合支护虽然适用范围广， 但支护费用高，支护形式选择不匹配时，往往造成各个击破的情况。 5 卸压技术 将巷道布置在应力降低区， 或采取人工卸压措施， 使巷道周边的高应力向深部转移， 是深部巷道围岩变形控制的另一个途径。在应力降低区布置巷道是首选的方法，而人工 卸压法由于种种原因，目前还没有推广，仅局部采用。 西安科技大学工程硕士学位论文 4 1.3.3 煤巷锚杆支护技术 随着矿井产量和效率不断提高，要求的巷道断面越来越大，成巷速度越来越快，传 统的棚式支护越来越不能满足生产需要。近年来，煤巷锚杆支护技术发展极为迅速[9]。 与棚式支护相比，锚杆支护显著提高了支护效果，降低了巷道支护成本，减轻了工人劳 动强度。更重要的是锚杆支护为采煤工作面的快速推进创造了良好条件。目前，锚杆支 护技术已在国内外得到普遍应用，是煤矿实现高产高效生产必不可少的关键技术之一。 在国外，美国、澳大利亚等国家的锚杆支护技术比较先进。美国最先重视高预应力 锚杆支护技术。 1992 年美国 A.Wahab Khair 观测了高水平地应力对巷道顶板产生的离层 及剪切破坏，并提出了采用预应力桁架控制巷道顶板的措施[10]。美国 J. Stankus（1994、 1997）和 Song Guo（郭颂，1997、1998）系统地研究了水平地应力对巷道稳定性的影响， 认为水平地应力是造成巷道顶板离层跨落、底板鼓起的主要原因，并在锚杆支护设计中 考虑锚杆预应力的影响，认为预应力是决定锚杆支护效果的关键因素。美国锚杆消耗量 很大，锚杆种类也比较多，有涨壳式锚杆、树脂锚杆、复合锚杆[11]。组合件有钢带和桁 架。具体应用时，根据岩层条件选择不同的支护方式和参数。 澳大利亚锚杆支护技术也已经形成比较完整的体系。 澳大利亚的煤矿巷道几乎全部 采用 W 钢带树脂全长锚固组合锚杆支护技术，尽管其巷道断面比较大，但支护效果非 常好[12]。英国的锚杆支护技术是从澳大利亚引进的，在近十年实践的基础上又作了改进 和提高。到目前为止，锚杆支护巷道的长度占 90以上。 我国煤巷锚杆支护技术近年来也取得长足发展。特别是 1996-1997 年我国引进了澳 大利亚锚杆支护技术，并完成了与锚杆支护技术有关的十五个项目，使我国的煤巷锚杆 支护技术上了有较大提高。全煤巷道、冲击地压巷道、复合、破碎顶板等困难条件下锚 杆锚索支护技术得到了应用，并取得较好的支护效果和经济效益[13]。 在巷道支护方面，对锚杆、锚索控制巷道围岩变形的原理进行了研究，并应用于软 岩巷道、构造破碎带、动压巷道、大断面开切眼等困难条件，取得一定的支护效果[14]。 尽管如此，高地应力巷道支护难题还没有完全解决，无论从理论还是技术方面都需要进 行更深入、细致的研究与试验[15]。 1.4 研究的内容、方法和技术路线 1.4.1 研究内容 本论文针对枣泉煤矿回采巷道存在的问题，采用现场观测、数值模拟、理论分析相 结合的方法，进行高应力巷道高预应力锚杆支护技术研究。主要研究内容为 1 对已破坏巷道围岩变形与破坏机理及巷道锚杆支护的作用进行分析，为方案设 1 绪论 5 计提供依据。 2 对高预应力锚杆支护设计方法进行研究，并根据现场实际情况，正确运用锚杆 支护参数设计方法，对影响锚杆支护巷道的参数进行合理的设计。 3 用数值模拟方法分析不同支护参数下巷道围岩应力分布与变形规律，进行方案 优化。 4 通过现场监测，掌握巷道顶板离层情况，并据此对设计方案进行调整。 1.4.2 研究方法 1 现场调研。 2 数值模拟，使用 FLAC3D进行数值模拟仿真计算。 3 现场监测 4 理论分析 1.4.3 技术路线图 图 1.1 技术路线图 西安科技大学工程硕士学位论文 6 2 原支护方案分析与评价 2.1 工程概况 2.1.1 井田概况 枣泉煤矿位于宁夏灵武市东南 62km 的毛乌素沙漠的边缘，行政区划属灵武市马家 滩乡管辖。其地理坐标为东经 10630′～10635′，北纬 3752′～3802′。井田东北边界以 赵儿塔向斜轴为界，与羊场湾井田相邻；正北以 29 勘探线为界与英子梁井田相接；东、 南、西三面均以 1 层煤600m 水平煤层底板等高线在地面的投影线为界。井田南北长 13km，东西宽平均约 4km，井田面积为 52km2。 井田位于鄂尔多斯盆地西缘，地层区划属华北地层区、陕甘宁盆缘地层分区、马家 滩地层小区，主要为下奥陶统至第四系的沉积，中间缺失下石炭统、志留系、泥盆系和 上奥陶统的沉积。区域地层详见表 2.1。 表 2.1 区域地层简表 年代、岩石地层单位 分布及厚度变化 第四系（Q） 全新统、上更新统、 下更新统 区内广布，主要于河谷阶地，总厚 146～343m，其中风积层 一般厚 3～5m，局部可达 25m 第三系（R） 中～上新统甘肃群 （Ngn） 、渐新统清水营组（E3g） 分布局限。零星，厚度自北往南减薄，北部最大厚度 420m， 南部一般 30-130m 白垩系（K） 下统志丹群（Klzd） 分布于碎石井、陈家大梁以东。环河、华池组厚度北部1200m，南 部减薄为800m；洛河、宜君组厚度北部130～160m，南部加大至 520m。 侏罗系（J） 详见井田地层叙述 三叠系（T） 上统永坪组（T3Y 即 T3y4）中、下统各组 零星出露，主要分布于西沟台、陈家大梁、石沟驿、甜水堡 一带，总厚1461～2127m。 二叠系（P） 上二叠统石千峰组 （P22S） 、上石盒子（P12S） ，下二 叠统下石盒子组（P21S） 、山西组 （Pl1S ） 零星出露，主要分布于韦州太阳山一带，各组岩性、岩相稳 定，厚度变化小。石千峰组 350m，上石盒子组270-340m， 下石盒子组；自北往南加厚，100～150m，山西组自北往 南加厚，40-95m。 石炭系 （C） 上石炭统太原群 （C3t） 、 中石炭统本溪组（C2b） 零星出露，主要分布于韦州太阳山地区及韦州以南地区，厚 度变化大。太原群北部 77～150m，南部 500～600m。本 溪组北部 10～35m，南部 250～300m。 2 原支护方案分析与评价 7 矿区位于鄂尔多斯高原西南之一隅，多为低丘台地地貌景观，个别为低山。井田位 于走向呈南北的两山之间，东侧为四耳山，山势南高北低，主峰杨家窑位于南部，标高 1652.1m，北部标高1500m 左右。西侧是狭长条带状山，自南向北为猪头岭、六道梁 和面子山，其最高点分别为1436.5m、1435.4m 和1451.9m。 井田内广布有相对高差为 20m 左右的沙丘，由南向北渐低。南部碱水梁标高 1390m，北部标高1330m；井田内最高点为1435m 左右，最低点为1300m 左右（东 部边界处） 。 在井田北部发现落差大于 20～30m 的断层有 3 条。 2.1.2 12208 工作面回采巷道围岩条件 12208工作面位于12采区， 设计走向长度1999m， 倾斜长度175m， 工作面倾角24.5～ 31。 西侧为正在回采的 12206 工作面， 中间为 30.5m 宽的区段煤柱； 东侧为设计的 12210 工作面。上部为设计的 12106 工作面辅运巷，沿 2煤层底板布置，净煤柱 30.5m，巷道 长 2412m。巷道底板标高为＋1066.916～＋1113.114m，地面标高为1347～1365m，埋 深约为 103m。在顶板地应力测试孔打钻过程中所见岩层由下而上依次为煤（0～3.3m） 、 泥岩 （3.3～4.2m） 、 炭质泥岩 （4.2～4.9m） 、 粉砂岩 （4.9～6.9m） 、 砂质泥岩 （6.9～9.7m） 、 泥岩（9.7～12.8m） ， 细砂岩（12.8～16.4m） 、砂质泥岩 （16.4～20.3m） 。顶部煤体较 为破碎，其平均抗压强度为 13.83MPa；泥岩的平均抗压强度为 27MPa；炭质泥岩的抗 压强度为 15.5MPa；粉砂岩的平均抗压强度为 39.7MPa；砂质泥岩的平均抗压强度为 30.4MPa；细砂岩的抗压强度为 55MPa。 2.2 原支护方案分析 2.2.1 原支护方案 12208 工作面辅运巷断面为矩形断面， 掘进宽 3.9m， 高 3.25m， 掘进断面积 12.68m2。 顶板采用φ20 螺纹钢树脂端头锚固锚杆支护，锚杆长度 2.5m，间、排距均为 800mm， 帮部选用φ16 圆钢锚杆，锚杆长度 1.6m，快硬水泥锚固剂，锚固长度 1.0m。锚索直径 15.5mm，长度 7.0m，间、排距 2.0m3.2m。金属网采用 6.5mm 焊接钢筋网，网孔尺寸 150mm150mm，托板规格 120mm120mm8mm。 西安科技大学工程硕士学位论文 8 图 2.1 12208 工作面辅运巷锚杆支护布置图 2.2.2 原支护方案分析 1 巷道支护效果较差，说明锚杆支护设计与现场条件不完全相符[16-18]。 2 锚杆预应力小，预应力扩散效应差，致使锚杆主动支护作用不能发挥，不能有 效控制围岩早期离层与破坏，围岩强度与完整性丧失过大，导致顶板下沉、两帮鼓出 [19-21]。 3 在巷道中多处出现锚杆、锚索被拉断、剪断和弯曲断裂的现象（如图 2.2、图 2.3） ，表明锚杆强度偏低，锚杆、锚索受力状态不佳，锚杆材质和结构有待进一步改进。 图 2.2 原支护段断锚杆处 图 2.3 断裂锚杆头特写 2 原支护方案分析与评价 9 4 对组合构件（钢筋托梁、钢带）在锚杆支护系统中的重要作用认识不足。组合 构件的强度、刚度、护表面积不够。在巷道压力大的地段经常出现组合构件被剪断、压 穿等现象，支护效果受到严重影响（如图 2.4、图 2.5） 。 图