云驾岭煤矿无煤柱开采技术应用研究.pdf

分类号盟 U D C ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 工学硕士学位论文 密 级公珏 单位代码 Q Q Z 鱼 云驾岭煤矿无煤柱开采技术应用研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 卢全督 高永格副教授 工学硕士 采矿工程 资源学院 河北工程大学 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e r o fE n g i n e e r i n g S t u d y o nA p p l i c a t i o no ft h eN o n - c o a l C o l u m nT e c h n o l o g yi nY u n J i a l i n gM i n e C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l t y C o l l e g e ／D e p a r t m e n t L uQ u a n d u A s s o c i a t eP r o f e s s o rG a oY o n g g e M a s t e ro f E n g i n e e r i n g M i n i n gE n g i n e e r i n g R e s o u r c eI n s t i t u t e H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g M a y ，2 0 14 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑兰堡王壁盘堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 靴敝储磁夕镭 辩醐训中年夕月沥 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰垦墨猩盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑多堡墨猩盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 ⋯一虢夕多智 料期训咿夕月汐日 导师签名 名渤 签字日期沙，v ，年岁月7 夕日 摘要 摘要 云驾岭煤矿主要采用留煤柱护巷方式保护回采巷道，浪费大量优质资源，因 此实现无煤柱开采，提高该矿的回采率，无论是对云驾岭矿安全生产，还是对增 加经济效益和社会效益，都具有十分重要的意义。 本文依据云驾岭1 2 8 0 2 工作面地质情况以及高水材料的特点，采用理论分析、 数值模拟分析的方法，研究充填体位置对巷道围岩系统的影响。根据巷旁充填体 上覆岩层结构特点和矿山压力显现规律， 及变形特点，得出了充填体的较佳位置 讨论分析2 种充填位置下的充填体受力 在1 2 8 0 2 运巷内，充填体紧靠下一区段 1 2 8 0 6 工作面 回风巷的巷帮充填。1 2 8 0 6 回风巷沿着构筑的充填体掘进 这里 充填体起N d , 煤柱的作用 ，现场工业性试验及矿压观测数据均表明，该技术应用 是成功的。 本文研究得出，充填体的位置对巷道围岩的稳定性有很大的影响。在进行沿 空留巷时，不仅要选择合适的充填材料，也要根据当地的地质情况及煤层深度选 择较合理的充填位置。充填体位置的合理性同样关系到无煤柱开采技术能否取得 成功，通过分析得到的充填体位置 用充填体取代小煤柱 ，是成功而有效的，可 实现厚煤层无煤柱开采，提高煤炭资源采出率，该成果已取得明显的经济效益。 关键词数值模拟沿空留巷；高水材料；巷旁充填；充填位置；沿空掘巷 A b s t r a c t A b s t r a c t T h er o a d w a yw a sp r o t e c t e db yt h er e m a i n i n gc o a l p i l l a ri nY u j i a l i n gC o a l M i n e ，w h i c hi sc a u s i n gal a r g en u m b e ro fc o a lr e s o u r c ew a s t e d ．T h er e s e a r c hc o n d u c t e d i n th i sP a p e rh a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o r r e d u c i n gt h el o s so fc o a la n dt h ec o s t s o fs u p p o r t i n ga n dm a i n t a i n i n go fr o a d w a y , p r o m o t i n gt h ee c o n o m i cb e n e f i ta n d e n s u r n g t h es a f ep r o d u c t i o n ． B a s e do nt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o no fY u n j i a l i n gC o a lM i n ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c o f1 1 i g h w a t e rm a t e r i a l ，a n dc o m b i n i n gr e s e a r c hm e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ed i f f e r e n c e so ft h er o a d w a y - b e s i d ef i l l i n gb o d yp o s i t i o no f g o b s i d ee n t r ya r ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s ．T h r o u g ht h ea n y l y s i so ft h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c ks t r u c t u r ea n ds t r e s s ，d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff i l l i n gb o d yi nt h e t h r e ep o s i t i o n s ，t h eo p t i m u mp o s i t i o nc o u l db ed e t e r m i n e d ．T h ep o s i t i o ni sc o a lr e j e c t b a c k f i l l e dz o n es h o u l db ep r e - s e ta l o n gt h et r a n s p o r t a t i o ng a t e w a y 1 2 8 0 2S t o p eF a c e a tt h ec o a lw a l lo ft h ed o w ns e c t i o n a lt r a i lg a t e w a y 12 8 0 6S t o p eF a c e ．T h eg o b 。s i d e e n t r yo ft h e12 8 0 6c o a l f a c ei sd r i v e na l o n gt h ep a c k i n gb o d yw i t h o u tc o a lp o l l a r s ．T h e r e s u l t so fi n d u s t r i a lt e s ta n df i e l dm e a s u r e m e n ts h o wt h a t i ti Sa p p r o p r i a t et h a tt h e p o s i t i o n ，m a t e r i a lr a t i oa n ds i z ep a r a m e t e r so ft h ef i l l i n gb o d yw a ss e l e c t e d ． T h er e s u l to ft h i sp a p e rs t u d ys h o w st h a tt h ep o s i t i o no ff i l l i n gb o d yh a sag r e a t i n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo ft h er o a d w a y ．A c c o r d i n gt oc o n c r e t eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n a n dc o a ls e a md e p t h ，n o to n l yt os e l e c tt h ea p p r o p r i a t ef i l l i n gm a t e r i a l ，b u ta l s ot o c h o o s eam o r er e a s o n a b l ep o s i t i o no ff i l l i n gb o d yt h et e c h n i q u ei ss u c c e s s f u l ；a n di tc a n b ea p p l i e dt ot h i c kc o a ls e a mw i t hs i m i l a rc o n d i t i o n s ．M e a n t i m e ，i tc a r le n h a n c et h e r e c o v e r yr a t eo fc o a lr e s o u r c e sa n dt h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y ． K e y w o r d s g o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n g ；h i g h - w a t e r m a t e r i a l ；r o a d s i d ep a c k i n g ；f i l l i n g b o d yp o s i t o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；g o d - s i d eg a t e w a yd r i v i n g 1 1 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I 】[ 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 研究的目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．1 沿空巷道上覆岩层控制理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 ．2 无煤柱开采技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．4 研究内容及研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 ．2 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 第2 章沿空留巷巷旁支护理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1充填体的基本功能及位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．2 充填体的基本功能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 ．2 充填体的位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 沿空留巷上覆岩层运动规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．1基本顶的破断规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 2 ．2 ．2 工作面顶板垮落对留巷的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．3 沿空留巷技术难点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 顶板与充填体相互作用机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 ．1 顶板与充填体相互作用简化力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．2 顶板与充填体的变形与应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 ．3 顶板与充填体的刚度和强度匹配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 充填体位置与充填体支护阻力、巷道顶板下沉量关系研究⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．4 ．1 充填体位置与充填体支护阻力估算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 ．2 充填体位置与顶板下沉量估算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 第3 章沿空留巷巷旁充填支护方案数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．1 数值模拟软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．2 1 2 8 0 2 工作面地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 目录 3 ．3 沿空留巷数值计算模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．4 数值计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．4 。11 2 8 0 2 运输巷道开挖数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．2 一次采动至巷道稳定数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．3二次采动至留巷稳定数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 第4 章沿空留巷巷旁支护体参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．1 充填材料的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．2 高水材料力学性能实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 ．1 实验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 充填体位置确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．4 充填体形状的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 6 4 ．5 充填体成形设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．5 ．1活动充填框架结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．5 ．2 充填袋⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．5 ．3混合器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．6 充填体锚栓加固⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．7 充填体合理宽度优化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 4 ．7 ．1模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．7 ．2 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．7 ．3 充填体宽度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 第5 章沿空掘巷稳定性控制效果现场观测及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．1 工程概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．1 ．1 巷内充填设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．2 巷旁充填后的围岩应力分布规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．2 ．1 测试方法及测站布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 。2 ．2 充填墙体应力变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 沿空掘巷滞后时间确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．4 沿空掘巷巷道支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．5 预充填沿空掘巷矿压观测与支护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．5 ．1 巷道位移监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．5 。2 巷道顶板离层观测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．5 ．3 试验后巷道变形情况及支护效果评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 目录 5 ．6 预充填沿空掘巷技术经济效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．6 ．1 经济效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．6 ．2 社会效益分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 ．3 本论文存在不足之处⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 攻读硕士期间发表的论文和科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 4 I I I 第1 章绪论 第1 章绪论 1 ．1 研究背景 纵观能源结构图可以看出煤炭在我国一次能源结构中占7 0 ％左右。在以后 较长的时期内，中国的能源结构仍将以煤炭为主l l J 。煤炭是属于不可再生性的自 然资源，最大限度地提高回收率，实现煤炭的安全高效开采是我国能源保障体系 建设和持续发展战略实施的一个重要组成部分【2 】。依据相关专家的分析预测，即 使考虑国家出台有关调整国家能源结构的政策，到2 0 5 0 年，我国的煤炭消耗量在 整个能源消耗结构图中的比重依旧能达到4 0 ％“ - 4 5 ％。因此，在今后二三十年内， 其他能源依旧取代不了煤炭在国民经济和社会发展中的重要地位。煤矿安全工作 是全国工业安全工作的重中之重【3 5 1 ，是中国的社会生产和经济发展的能源基础。 目前，中国9 4 ％以上的煤矿采取井工开采，一般采用留煤柱护巷的方式来保 护受采动影响的巷道。但随着井工开采深度不断地增加，巷道围岩的原岩应力也 在升高，留设护巷煤柱的宽度也越来越大。留设煤柱不仅导致了煤炭资源的大量 浪费，而且残留的煤柱在煤层中，还会引发一系列地质灾害【6 ’r l 。因此，推行无 煤柱开采以及对无煤柱开采技术的创新，不仅对生产矿井提高煤炭资源采出率、 降低劳动强度以及实现可持续发展都具有重要的意义。 随着国内外学者研究的不断深入和煤炭企业的持续发展，采用区段无煤柱护 巷技术对于厚煤层的合理开采和巷道的维护都发挥了较好的作用【8 9 】。 无煤柱护巷的原理是把回采巷布置在采空区边缘，使其避开或降低受上一采 场侧向支承压力对巷道的影响，实现窄煤柱或者无煤柱开采，从而改善巷道维护 条件，减少煤炭损失，提高经济效益。 国内外研究人员对无煤柱开采方法进行了许多研究，但就无煤柱开采技术而 言，主要有沿空掘巷和沿空留巷两种。沿空留巷巷旁支护是将上区段要报废的回 采巷道保留下来的一种支护技术。沿空留巷无煤柱开采技术的优点是回采巷道掘 进率低、煤炭回收率高同时也可以缓解采掘接替紧张等问题。该技术适用于煤层 地质条件较好的采区使用，如果地质条件复杂、围岩应力较大时，把上区段的巷 道保留下来就比较困难，有时保留下的巷道围岩不稳定，变形较大，无法满足生 产，需要为一下区段重新开掘一条巷道，此时，沿空留巷的优势就无法表现出来。 沿空掘巷就是利用采空区边缘压力较小的规律，在已垮落稳定的采空区边缘区域 内新开挖一条回采巷道，因为该巷道处于应力降低区，所以巷道便于掘进和维护。 河北工程大学硕士学位论文 通常掘巷方法是在两个采面之间保留约为1 0 ～4 0 m 宽的煤柱 不过因留煤柱造成 煤炭的损失多达1 0 “ - - 3 0 ％ ，采取留煤柱的方法会对通风、运输、安全有好处，也 便于现场施工管理；但由于煤炭在上一采面采空区的侧向支承压力影响下，可能 己破碎，新开挖的巷道由于在新采面采动的作用下，应力比较集中导致该巷道变 形较大，难以维护。 近些年来，巷旁充填材料的强度有了很大的提高，充填工艺也得到了较大的 改进，以及对无煤柱开采矿压显现规律、 支护系统的支护阻力等规律的深入研究， 到了成功的应用。 沿空巷道围岩控制技术、沿空留巷巷旁 巷旁充填无煤柱开采技术在一些矿井得 1 ．2 研究的目的及意义 目前我国很多矿区还在采用传统的沿空掘巷方法，即在两个采面之间留设 3 “ - 5 m 或l O ～2 0 m 的煤柱【9 1 ，然后掘进新的巷道。留下的煤柱功能是为了防止生 产 或准备 阶段上区段采空区与生产工作面之间因封闭不严导致漏风，引起煤 自然发火或瓦斯爆炸。在区段间留下的煤柱无法采出，因留煤柱造成的损失量居 煤矿煤炭损失的首位【1o 】 一般要占到矿井煤损失总量的4 0 ％ 。近几年由于煤矿 开采强度普遍增大，进而加剧了老矿井煤炭资源紧张的局面。因此，对于华北地 区大部分矿井，尤其是老矿井来说如何最大限度的回采区段保护煤柱提高采出率， 使采、掘在时间和空间上更好的衔接成为了亟待解决的问题。 无煤柱开采技术是煤炭资源的合理开采，提升煤炭回采率，巷道围岩稳定性 能够得以改善，有利于煤矿安全生产，提高煤炭企业经济效益的先进地下开采技 术。随着高水材料的力学性能和工艺系统整体都有所提高，目前高水材料是巷旁 支护体的较理想材料。采用高水充填材料能够实现机械化作用，降低工人的劳动 强度，能较好地实现无煤柱护巷，比留煤柱护巷具有很好的技术经济优势，因此 有较好的应用前景。 云驾岭煤矿位于太行山东麓山前丘陵地带，武安盆地的西部，该煤矿为冀中 能源邯郸矿业集团一座大型煤矿。云驾岭矿主要采用留设煤柱保护回采巷道，保 留煤柱的宽度为l O “ - - 2 0 m ，因而导致大量优质煤炭资源的损失。因此，进行无煤 柱开采技术研究，在云驾岭矿实现无煤柱开采，具有挑战性、紧迫性，可以提高 煤炭回采率，改善巷道维护状况，提高该矿的经济效益，也为该矿提供一种解决 类似问题的新的尝试。 本文在国内外研究者所取得的成果基础上，结合云驾岭煤矿1 2 8 0 2 运巷高水 材料巷旁充填工程实践，从沿空留巷上覆岩层运动规律着手，构建沿空留巷围岩 2 第1 章绪论 结构力学模型，分析沿空留巷围岩稳定性机理。本文的研究结果对充填体位置不 当导致巷道变形较大，支护难度和支护成本增加等问题的解决具有一定的指导意 义，可以实现工作面的高效率、高效益、高安全系数的目标。 1 ．3 国内外研究现状 从上世纪5 0 年代起，世界主要产煤国家发展、完善了沿空留巷的巷内支护技 术、巷旁支护技术。根据论文研究内容包含了沿空留巷上覆岩层运动规律、巷巷 内支护技术及沿巷巷旁支护技术等相关内容，对沿空巷道上覆岩层活动规律、无 煤柱开采技术研究现状分别进行综述。 1 ．3 ．1 沿空巷道上覆岩层控制理论研究现状 国内外学者对采场上覆岩层破断特征和活动规律进行了大量的研究l l 卜憎J ，具 有代表性的有德国学者K ．S t o k e 提出的悬臂梁假说，德国学者W ．H a c k 和G G i u i t z e r 提出的压力拱假说，比利时学者提出的预成裂隙假说，前苏联学者库兹涅佐夫提 出了铰接岩块假说。中国矿业大学的钱鸣高院士提出了上覆岩层的“砌体梁”力 学模型、关键层理论、关键块的“S ．R ”稳定原理，宋振骐院士提出了“传递岩 梁”力学模型。这些学说对我国煤矿采场矿压理论的研究和指导生产实践起到了 重要作用。 采空区上覆岩层从下往上依次划分“三带”，分别为为垮落带、裂隙带和弯曲 下沉带。上覆岩层活动规律直接影响到煤矿安全生产【2 们。国内外学者对采空区岩 层运动规律研究主要的内容有采区岩层的变形、破坏、移动还有地表沉陷等。 沿空巷道和采场两者之间既有共性，也有差异。相同之处是二者都有一侧处 在采空区的边缘地段，另一侧是煤体，老顶断裂后岩体形成的大结构也相似【2 l 】。 二者差异在于回采工作面顶板随工作面推进，采场老顶在初次失稳后处在周期性 失稳的运动状态1 2 2 J ，而沿空巷道的顶板经过活动后，趋于稳定状态。 老顶在第一次破断时就形成了“O ．X ”型破断形式，并在周期来压期间老顶 在采场端头形成了弧形三角块体的结构，沿空留巷位于该三角块的下方，三角块 的断裂在那破断、稳定状态和该块体是否还会破断，这些都对沿空巷道围岩系统 的稳定状态影响很大，沿空留巷位于基本顶破断后形成的大结构下面，处于应力 降低区。 根据沿空留巷围岩力学环境和维护特点，国内外学者对沿空留巷上覆岩层活 动规律及稳定状态开展了大量的研究。文献‘7 】【2 3 - 2 7 ] 通过对沿空巷道围岩进行矿压 监测分析和相似模拟试验研究认为沿空巷道顶板在实煤体上面断裂后向采空区 3 河北工程大学硕士学位论文 侧发生旋转，这将导致巷道顶板下沉较剧烈；沿空留巷顶板断裂后发生的旋转下 沉属于“给定变形”，在工作面后方6 0 m 范围内留巷顶板发生剧烈沉降，在这个 6 0 m 之后顶板趋于稳定；顶板下沉量与采高成正比关系，一般为采高的1 0 0 ／o , ．- 2 0 ％； 沿空留巷顶板活动前期以旋转下沉为主，采用性能好的巷旁支护可以实现较好的 切顶效果，很好地控制顶板下沉；顶板活动后期以平行下沉为主。文献【28 ’2 9 J 提出 长壁回采工作面端头顶板可能形成“三角形悬板”结构的观点，并预测了该结构 在沿空留巷中破断的位置及其时间。文献【3 0 3 2 J 分析了沿空掘巷前、后及回采工作 面采动影响时弧形三角块结构的稳定性，揭示基本顶弧形三角块结构稳定性原理 及其对沿空掘巷的影响。文献【2 6 ，” 3 。7 】通过现场实测和理论分析表明基本顶断裂 深度随围岩级类的提高而加大，基本顶破断位置随直接顶厚度的减小由采空侧向 充填体不断靠近；基本顶回转角、顶板垮落角随直接顶厚度的减小而增大上覆 岩层运动剧烈程度随直接项厚度增大而降低。文献【3 8 】提出了沿空巷道基本顶四种 断裂结构形式，认为断裂结构形式对充填体应力影响较大。文献【3 9 4 2 】采用数值模 拟分析了综放沿空留巷基本顶断裂位置、端头不放顶煤长度、原有巷道支护、充 填体参数对沿空留巷围岩稳定性影响规律。结果表明，在保证顶煤及顶板稳定的 前提下，确定合理的充填方式和充填体强度，能达到较好的留巷效果。 1 ．3 ．2 无煤柱开采技术研究现状 世界主要产煤国的煤炭企业在日常生产管理中追求的目标是在保障煤矿连续 性生产的基础上，努力降低回采巷道掘进率、采取措施不断地降低煤炭的损失、 提升煤矿的经济效益。针对沿空留巷无煤柱开采技术，国内外研究者对留巷适应 条件、围岩变形破坏机理、巷旁及巷内支护形式还有支护材料的开发做了大量工 作。沿空巷道上覆岩层破断特征与活动规律与上区段工作面和本区段工作面回采 时上覆岩层的断裂结构特征及活动规律紧密相关，但又有自身的特点和规律1 4 引。 1 无煤柱开采沿空掘巷研究现状 国内外还有许多高校和科研院所都做了很多的研究工作，针对沿空掘巷提出 了很多新手段新方法，在很大程度上推动了沿空掘港技术的完善和发展。 美国在6 0 年代初引用长壁式开采，非常注重煤柱尺寸的合理性，为了提高最 大的回收率，指出煤柱的强度受煤柱尺寸、围岩压力、结构以及动态载荷的控制。 英国采用A ．H 威尔逊煤柱设计公式留设煤柱支承采空区处理的方法，此方法 提出了煤柱两区约束 渐进破坏 理论，通过实验方法确定了煤柱屈服区宽度，得 出了三向应力状态下煤体的极限强度简化计算公式，并在此基础上推导出煤柱承 载能力的计算公式。 4 第1 章绪论 澳大利亚主要采用条带开采中留设煤柱，研究了煤柱和采宽之间的煤柱宽度 的比例关系问题。 李学华等人【4 3 】建立了上覆岩体大结构的力学模型及其稳定性，分析探讨了巷 道围岩变形的机制和变形基本规律；提出了综放沿空掘巷围岩大小结构的观点。 柏建彪等人m 】建立了综放沿空掘巷老顶三角块结构力学模型，并研究了三角 块结构在巷不同阶段的稳定系数，对综放沿空掘巷围岩稳定性问题进行较为深入 研究。 孟金锁【4 5 】提出了综放“原位”沿空掘巷的新概念，也可以实现厚煤层无煤柱 开采，但在国内还未见到成功的现场工业应用报道。 在我国煤矿中较常用的是留小煤墙的沿空掘巷。小煤墙对挡矸和防止采空区 积水进入巷道能起一定作用；巷道在煤体内掘进，两侧为煤壁，有利于提高掘进 速度。但小煤墙很难隔离火区、防止漏风和隔绝采空区有害气体渗漏。因此，需 要留设小煤墙时，其宽度不宜超过1 ～3 m 。 从理论研究来讲，沿空掘巷布置以小煤柱的合理宽度和回风巷道断面宽度之 和小于塑性变形区的宽度，也就是在应力降低区，就能保证下区段上顺槽的安全 性。 煤柱宽度大小与很多因素有关，关系复染。虽然现在有很多煤柱尺寸宽度的 计算方法，但所有计算方法都不能淮确地反映全部因素对煤柱宽度大小的影响。 所以，必须针对具体现场条件下，进行理论计算、实际观测合理确定采区煤柱宽 度大小。 2 无煤柱开采沿空留巷研究现状 自2 0 世纪6 0 年代以来，世界主要产煤国家都对沿空留巷进行了深入的研究， 其目的是减少少掘巷道，提高煤炭资源回收率，提升煤矿企业的经济效益和竞争 力。前苏联、德国、英国、波兰等国家对沿空留巷的矿压显现、适用条件、合理 支护形式及新型支护材料等都进行了大量研究。 2 0 世纪7 0 年代末英国首先发展了高水巷旁充填技术，迄今仍居国际领先地 位。采用高水充填材料 水灰比大于或等于1 ．8 5 ，净浆时水体积比超过8 5 ％以上 在巷旁构筑护巷充填带的技术能够实现机械化作业，减轻劳动强度，该技术代表 了目前巷旁充填无煤柱开采技术的世界先进水平【4 6 4 9 1 。 无煤柱开采技术在中国也得到了广泛的应用。上世纪5 0 年代，在煤厚不足 1 ．5 m 的煤层中实现了无煤柱开采，用矸石作巷旁支护材料，使一条巷道成功地应 用2 次。6 0 年代、7 0 年代沿空留巷无煤柱开采通常使用密集支柱、金属支柱、木 垛和矸石砌块等用作巷旁的支护体材料，并取得了一定成果。 2 0 世纪8 0 年代初，为了提高我国沿空留巷技术，推动我国煤炭工业的发展， 5 河北工程大学硕士学位论文 煤炭工业部先后从英国、德国引进了充填材料和充填设备，在阳泉、开滦、平顶 山等矿区进行了工业性试验，获得了良好的效果；2 0 世纪9 0 年代初，充填材料 和充填设备就已经实现了国产化，但与世界最先进水平还有一定距离。目前，我 国高水材料巷旁充填技术整体己达到国际先进水平，高水充填材料在全国范围内 得到了广泛的应用研究。 陆士良教授L 7 】提出沿空留巷顶板下沉量取决于裂隙带岩层取得平衡之前的急 剧沉降，沿空留巷的顶板下沉量属“给定变形”，与采厚呈正比例关系，一般为采 厚的1 0 0 ／o , - - 2 0 ％。 张东升【50 ’5 l J 等提出并实施了综放巷内充填原位沿空留巷技术，能够在厚煤层 实现无煤柱开采，且运输平巷内原有支护对充填带起到一定的保护作用。 马立科5 2 ’5 3 j 提出了厚煤层巷内预置充填带无煤柱开次技术，该技术不完全等 同于完全沿空掘巷及沿空留巷技术，因为该技术综合了沿空掘巷和沿空留巷技术 一些共同特点，是一种新型的无煤柱开采技术。如果能够验证该技术的优越性并 得到推广，那么不仅能起到提高单产、回采率以及经济效益的作用，而且也能扩 大无煤柱开采技术应用的范围。 漆泰岳教授【2 6 ’”】对不同围岩条件下基本顶断裂引起的整体浇注充填的支护 强度和变形能力进行了深入的研究，提出了使沿空留巷巷道保持稳定的整体浇注 充填体支护强度与变形的理论计算方法，并对沿空留巷的整体浇注充填体的适应 性进行了分析。 1 ．4 研究内容及研究方法 1 ．4 ．1 主要研究内容 本论文以云驾岭煤矿1 2 8 0 2 工作面运巷作为研究对象，在前人理论研究的基 础上，从上覆岩层活动规律着手，建立沿空留巷上覆岩层围岩稳定性结构力学模 型，进行沿空留巷围岩运动稳定机理及控制技术研究。综合运用理论分析、计算 机数值模拟分析、现场试验等方法，开展如下研究 1 理论分析沿空巷道上覆岩层结构及矿压显现规律，研究充填体与围岩共 同承载机理以及充填体与顶板相互作用机理及其控制，对充填体可缩量与留巷围 岩稳定性控制之间关系进行进一步深入研究，通过充填体的可缩性来适应留巷围 岩大结构旋转下沉对留巷围岩稳定性影响 尤其是对留巷顶板岩层和填充体的破 坏 ，从而提高留巷成功率的目的； 2 通过理论研究和数值计算分析，研究充填体的位置对围岩应力影响，以 6 第1 章绪论 及充填体受力情况。针对充填体不同位置下的巷道围岩变形规律研究及矿压显现 特征，得出沿空巷道充填体最佳位置。 3 为了实现充填体力学性能与留巷围岩变形破坏之间的协同控制效果，提 高沿空留巷施工的成功率，需要研究高水材料的初凝时间、强度随养护时间变化 特点及破坏特征等特性，为沿空巷道的相关参数设计及巷道的稳定性提供基础数 据。 4 研究巷旁充填体留设时间及1 2 8 0 6 风巷的掘进时间，减少充填体受掘进 的影响。在沿空巷道中进行现场监测，并通过巷道变形量、锚杆位移等数据，对 巷道支护效果进行监测和评价。 1 ．4 ．2 研究方法 理论分析方面根据砌体梁、关键层等理论分析顶板破坏规律，老顶结构与 沿空巷道围岩稳定的关系，充填体顶板活动规律及充填体应力分布情况，研究充 填体的位置对围岩应力影响，以及充填体受力情况。 数值模拟方面在充填体各种参数均相同的情况下，分别模拟充填体不同位 置下的巷道围岩变形规律研究及矿压显现特征，分析两种充填位置下的巷道位移 量、塑性区大小以及充填体受力大小，对沿空巷道充填体最佳位置的确定； 工业性试验对巷旁充填带应力及巷道变形