山东省岱庄生建煤矿综掘巷道布置及支护技术研究.pdf

分类号分类号TD2TD2密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 山东省岱庄生建煤矿山东省岱庄生建煤矿山东省岱庄生建煤矿 山东省岱庄生建煤矿 综掘巷道布置及支护技术研究综掘巷道布置及支护技术研究综掘巷道布置及支护技术研究 综掘巷道布置及支护技术研究 刘刘军军 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名许许 东东 来来职职称称副副 教教 授授 副指导教师姓名副指导教师姓名马马 同同 福福职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零六年十月二零零六年十月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 山东省岱庄生建煤矿山东省岱庄生建煤矿山东省岱庄生建煤矿 山东省岱庄生建煤矿 综掘巷道布置及支护技术研究综掘巷道布置及支护技术研究综掘巷道布置及支护技术研究 综掘巷道布置及支护技术研究 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 刘刘军军入学时间入学时间入学时间 入学时间 200420042004 2004 年年 3 3 3 3 月月 专业名称专业名称专业名称 专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向研究方向 研究方向 煤矿开采理论与技术煤矿开采理论与技术 指导教师指导教师指导教师 指导教师 许许 东东 来来职职职 职 称称称 称 副副教教授授 副副副 副 指导教师指导教师指导教师 指导教师 马马 同同 福福职职职 职 称称称 称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 200620062006 2006 年年 101010 10 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 200620062006 2006 年年 111111 11 月月 181818 18 日日 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 STUDYSTUDYSTUDY STUDY OFOFOF OF SYNTHESISSYNTHESISSYNTHESIS SYNTHESIS DIGGINGDIGGINGDIGGING DIGGING TUNTUNTUN TUN N N N N ELELEL EL ARRANGEMENTARRANGEMENTARRANGEMENT ARRANGEMENT ANDANDAND AND SUPPOTSUPPOTSUPPOT SUPPOT TECHNOLOGYTECHNOLOGYTECHNOLOGY TECHNOLOGY INININ IN THETHETHE THE PRODUCTIONPRODUCTIONPRODUCTION PRODUCTION ANDANDAND AND CONSTRUCTIONCONSTRUCTIONCONSTRUCTION CONSTRUCTION COALCOALCOAL COAL MINEMINEMINE MINE OFOFOF OF DAZHUANGDAZHUANGDAZHUANG DAZHUANG A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY PHILOSOPHY fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology b b b b y y y y LiuJunLiuJunLiuJun LiuJun SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor AssociateAssociateAssociate Associate ProfessorProfessorProfessor Professor XuXuXu Xu DonglaiDonglaiDonglai Donglai CollegeCollegeCollege College ofofof of NaturalNaturalNatural Natural ResourcesResourcesResources Resources andandand and EnvironmentalEnvironmentalEnvironmental Environmental EngineeringEngineeringEngineering Engineering OctoberOctoberOctober October 200620062006 2006 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文文 献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机机 关作鉴定。关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasterMasterMaster Master ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy ininin in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been tedtedted ted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. SignatureSignatureSignature Signature DateDateDate Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 岱庄生建煤矿为提高装备水平，提高巷道的掘进效率，于 2004 年引进了 EBZ-90 型 煤巷掘进机。为了适应综掘机快速掘进的要求，有必要对其支护方式及综掘断面形状进 行研究，以获得有利于围岩稳定和满足使用要求的断面形状，使支护方式既能适应综掘 机的快速掘进，又能经受住后期动压的影响。 本论文进行了巷道围岩工程类别及稳定性分析。依据地质报告资料和井下煤层巷道 的实际观测，通过对煤体强度、煤巷围岩的完整程度、地下水、地应力主要影响因素进 行分析，得出巷道属Ⅳ类围岩，煤岩体质量属软质层状结构。 地应力分析表明自重应力是影响巷道的主要因素。根据于学馥教授的轴比论理论并 采用基于岩体力学的基本观点零应力轴比理论确定了巷道断面形状并进行尺寸优化。 根据巷道所处地质条件，采用岩石破裂过程分析软件 RFPA 系统进行数值模拟计算。 数值模拟结果表明，折角处应是加强支护的重点部位，另外获得了应力集中系数，为煤 巷围岩塑性区的理论计算提供重要的参考数据。模拟结果为巷道支护参数设计和危险部 位的控制提供依据。 通过对棚式支护和锚杆支护进行比较分析，确定采用锚带网联合支护作为巷道的主 要支护形式，在遇到较严重的断层破碎带时，可辅以棚式支护。确定了锚带网联合支护 参数、巷道布置、煤柱尺寸和掘进施工工艺。 综掘巷道经济技术效果评价表明巷道采用锚带网支护，在技术和经济方面都优越 于棚式支护。 关键词关键词综掘巷道巷道布置支护形式支护参数施工工艺 山东科技大学硕士学位论文摘要 ABSTRACTABSTRACTABSTRACT ABSTRACT For the enhancement of equipment level and the tunneling efficiency ,the production and construction coal mine of DaiZhuang has introduced the EBZ-90 coal lane tunneling machine in 2004. In order to adapt the synthesis digging machine high-speed driving request, it is necessary digs the of section to its supportway and the synthesis to conduct the research, obtains is advantageous stabilizes and satisfies the operation requirements to the adjacent ation the of section, enables support the way both to adapt the synthesis digging machine high-speed driving, and can undergo the influence which the later period moves presses. The present paper has carried on the tunnel adjacent ation project category and the stable analysis. Based on the geologic report material and the mine shaft coal bed tunnel actual observation, through to the coal body intensity, the coal lane adjacent ation complete degree, the ground water, the crustal stress major effect factor carries on the analysis, obtains the tunnel to be IV kind of adjacent ation, the coal crag body quality is the soft nature laminated structure. The crustal stress analysis indicated the dead weight stress is affects the tunnel the primary factor. Axis-proportion the logic discussed according to ProfessorYuXuefu and uses had determined basedonthe rock mechanics basic concept zero stress axis-proportion theory the tunnel of section and carriedonthe size optimization. Locates the geological condition according to the tunnel, uses the rock breaking process analysis software RFPA system to carryonthe value analog computation. The value analogue result indicated that the crook should be strengthens support the key spot, moreover has obtained the stress concentration factor, provides the important reference data for the coal lane adjacent ation plastic area theoretical calculation. The analogue result provides the basis for the tunnel support parameter design and the dangerous spot control. Through support and the anchor rod support carriesonthe comparative analysis to the awning type, determined uses the anchor belt net union support to take the tunnel the main support , when meets the more serious fault crushed zone, but auxiliary by awning type support. Has determined the anchor belt net union support parameter, the tunnel arrangement, the coal column size and the tunneling construction craft. The synthesis digs the tunnel economical technology effect appraisal to indicate that, The tunnel uses the anchor belt net support,intechnology and economical aspect all superior to Pengshi support. KeywordsKeywordsKeywords Keywords The synthesis digs the tunnel，Tunnel arrangement，Support ，Support parameter，Construction craft. 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 1 1.1 国内外煤巷支护的研究现状1 1.2 项目研究的必要性与要求2 2 2 2 2 综掘煤巷所在综掘煤巷所在综掘煤巷所在 综掘煤巷所在 313313313 313 采区的地质概况采区的地质概况采区的地质概况 采区的地质概况 4 2.1 煤巷相对位置4 2.2煤层及顶底板特征4 上 3 2.3 采区地质构造6 2.4 水文地质特征6 2.5 瓦斯、煤尘和自然性6 3 3 3 3 综掘煤巷围岩工程类别及稳定性分析综掘煤巷围岩工程类别及稳定性分析综掘煤巷围岩工程类别及稳定性分析 综掘煤巷围岩工程类别及稳定性分析 7 3.1 煤巷围岩结构稳定性的影响因素7 3.2 煤巷围岩结构工程类别10 3.3 煤巷围岩基本质量分级10 3.4 结论10 4 4 4 4 综掘煤巷地应力分析及断面形状和尺寸优化综掘煤巷地应力分析及断面形状和尺寸优化综掘煤巷地应力分析及断面形状和尺寸优化 综掘煤巷地应力分析及断面形状和尺寸优化 11 4.1 煤巷地应力分析11 4.2 煤巷断面最佳形状和尺寸优化12 4.3 结论13 5 5 5 5 综掘煤巷数值模拟研究综掘煤巷数值模拟研究综掘煤巷数值模拟研究 综掘煤巷数值模拟研究 15 5.1 计算条件15 5.2 模型建立及计算结果15 5.3 煤巷围岩应力及变形分析17 5.4 结论22 6 6 6 6 综掘煤巷支护形式及参数设计综掘煤巷支护形式及参数设计综掘煤巷支护形式及参数设计 综掘煤巷支护形式及参数设计 23 6.1 煤巷支护形式23 山东科技大学硕士学位论文目录 6.2 煤巷锚杆支护参数设计24 6.3 煤巷布置及煤柱尺寸29 6.4 煤巷断面锚杆布置31 6.5 煤巷掘进及锚杆施工工艺34 6.6 结论35 7 7 7 7 综掘煤巷锚网支护技术经济效果评价综掘煤巷锚网支护技术经济效果评价综掘煤巷锚网支护技术经济效果评价 综掘煤巷锚网支护技术经济效果评价 37 7.1 技术效果评价37 7.2 经济效果评价37 8 8 8 8 主要结论主要结论主要结论 主要结论 39 致谢致谢致谢 致谢 43 参考文献参考文献参考文献 参考文献 44 山东科技大学硕士学位论文目录 CONTENTSCONTENTSCONTENTS CONTENTS 1 1 1 1 IntroductionIntroductionIntroduction Introduction 1 1.1Domestic and foreign coal lane supports and protections research present situatio1 1.2The project research necessity with requests2 2 2 2 2 TheTheThe The geologicalgeologicalgeological geological surveysurveysurvey survey ofofof of thethethe the NO.313NO.313NO.313 NO.313 areaareaarea area 4 2.1Coal lane relative position4 2.2The coal bed and goes against ledger wall characteristic4 2.3Picks area geologic structure6 2.4Hydrology geological feature6 2.5Gas, coal dust and spontaneous combustibility6 3 3 3 3 TheTheThe The synthesissynthesissynthesis synthesis digsdigsdigs digs ofofof of thethethe the coalcoalcoal coal lanelanelane lane adjacentadjacentadjacent adjacent ationationation ation projectprojectproject project categorycategorycategory category andandand and thethethe the stabilitystabilitystability stability analyzesanalyzesanalyzes analyzes 7 3.1Coal lane adjacent ation structural stability influence factor7 3.2Coal lane adjacent ation structural engineering category10 3.3The coal lane adjacent ation basic quality grades10 3.4Conclusion10 4 4 4 4 The synthesis digs the coal lane crustal stress analysis and the of section and the size optimization11 4.1The coal lane crustal stress analyzes11 4.2The coal lane cross section best shape and the size optimiz12 4.3Conclusion13 5 5 5 5 TheTheThe The synthesissynthesissynthesis synthesis digsdigsdigs digs coalcoalcoal coal lanelanelane lane valuuue value simulatorsimulatorsimulator simulator studystudystudy study 15 5.1Computation condition15 5.2Model establishment and computed result15 5.3The coal lane adjacent ation stress and the distortion analyzes17 5.4Conclusion22 山东科技大学硕士学位论文目录 6 6 6 6 TheTheThe The synthesissynthesissynthesis synthesis digsdigsdigs digs thethethe the coalcoalcoal coal lanelanelane lane supportssupportssupports supports andandand and protectionsprotectionsprotections protections andandand and thethethe the parameterparameterparameter parameter designsdesignsdesigns designs 23 6.1Coal lane supports and protections 23 6.2The coal lane anchor rod supports and protections parameter designs24 6.3Coal lane arrangement and coal column size29 6.4The coal lane cross section anchor rod arranges31 6.5Coal lane tunneling and anchor rod construction craft34 6.6Conclusion35 7 7 7 7 TheTheThe The synthesissynthesissynthesis synthesis digsdigsdigs digs thethethe the coalcoalcoal coal lanelanelane lane anchoranchoranchor anchor cablecablecable cable tototo to supportsupportsupport support andandand and protectprotectprotect protect 37 7.1The technical effect appraises37 7.2The economic effect appraises37 8 8 8 8 MainMainMain Main conclusionconclusionconclusion conclusion 39 ExpressesExpressesExpresses Expresses thanksthanksthanks thanks 43 ReferenceReferenceReference Reference 44 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪绪绪 绪 论论论 论 1.11.11.1 1.1 国内外煤岩巷道锚杆支护的发展状况国内外煤岩巷道锚杆支护的发展状况国内外煤岩巷道锚杆支护的发展状况 国内外煤岩巷道锚杆支护的发展状况 自 1964 年奥地利隧道施工法（简称“新奥法”）诞生以来，国内外煤矿巷道 支护发生了深刻的变化，以锚杆为主的支护方式已逐步取代了传统的棚式支护形 式。实践证明，在煤矿这样的特殊地压环境中，锚杆支护不仅能承受各种静载和 动载作用，而且能有效的控制围岩变形和充分发挥围岩的自承载能力，使得巷道 支护和后期维护费用大大降低，加快了掘进速度，有利地促进了煤炭企业的快速 发展。 1.1.11.1.11.1.1 1.1.1 国外发展现状国外发展现状国外发展现状 国外发展现状 国外锚杆支护比我国早一个多世纪，据文献记载，英国在 1872 年首次使用金 属锚杆，到 1900 年第一次世界大战期间，英国各种矿山均采用了全长锚固的木锚 杆支护，自那时起，锚杆支护得到了迅速推广，单从 1945 年1957 年英国每年锚 杆使用量就达到 50 万根。 日本于 1950 年引进锚杆支护技术，在地质条件比较复杂和围岩破碎的环境中 对锚杆支护进行了试验，由此积累了大量的科学数据和经验做法，为后来的沿空 留巷和掘巷及破碎围岩中的锚杆支护提供了有利支持。 前苏联于 1966 年开发了一种螺纹锚杆，由于支护效果优异，而获得了广泛应 用，仅在库荷巴斯矿区的回准巷道就用于支护的巷道达 713km。 另外，还有澳大利亚、波兰、德国、西班牙等国，在煤矿回准巷道中大量的 使用了锚杆支护技术，均取得了良好的技术及经济效果。 1.1.21.1.21.1.2 1.1.2 国内发展现状国内发展现状国内发展现状 国内发展现状 我国煤矿回准巷道的锚杆支护技术与国外相比起步较晚，但发展较快。回顾 回准巷道支护的发展历程大致可分为以下几个阶段 第一阶段是在 50 年60 年之间，回准巷道以煤柱护巷和刚性支护为主，尤其 是回采巷道因受回采工作面的动压影响，造成巷道破坏严重，维护困难，直接影 响了矿井的安全及生产的顺利进行，在此情况下，迫切需要加强对支护技术的创 新，但由于条件限制及科学技术弱后，回准巷道的支护并没有发生大的变化。 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 第二阶段是在 60 年70 年之间，回准巷道以金属支架支护为主，期间较深入 地研究了因开采引起的矿山压力重新分布的客观规律，将巷道布置在低应力区， 使护巷煤柱损失和巷道维护费用都大幅度降低。另一方面，以矿用工字钢为主的 刚性支护及 U 型钢可缩性支架迅速发展，支架的承载能力和支护强度都得到了明 显改善，采准巷道的维护状况发生显著变化。 第三阶段是从 80 年代以后，随着岩石力学及围岩压力理论的深入发展，人们 已充分认识到了围岩的自承载能力，形成了围岩与支护共同作用原理，使得巷道 维护再度改善，支护成本大幅度降低。如采准巷道采用锚杆支护，使我国煤矿采 准巷道围岩控制技术上了一个新的台阶。另外，在软岩巷道矿压中研究试验了壁 后充填技术、注浆锚固技术，进行了沿空留巷的高水材料巷旁充填技术的攻关， 使我国煤矿采准巷道的围岩控制技术得到迅速发展。 截止到目前为止，锚杆支护已成为主要支护形式之一，根据统计数据表明， 我国锚杆支护从 1979 年的 542km（占全部巷道的 36.3） ，增加到 2003 年的 1000.18km（占全部巷道的 63. 4） 。其中，岩巷从36.4提高到 70.4；半煤岩巷 道从 10.3提高到 40.87；煤巷从 2.6提高到 30.68。采用锚杆支护的范围仍在 继续扩大，增长很快，这必将进一步促进锚杆支护技术的应用范围。 1.21.21.2 1.2 项目研究的必要性与内容项目研究的必要性与内容项目研究的必要性与内容 项目研究的必要性与内容 1.2.11.2.11.2.1 1.2.1 项目研究的必要性项目研究的必要性项目研究的必要性 项目研究的必要性 岱庄生建煤矿已在岩巷及受动压影响较小的煤巷中大量使用了锚喷支护技 术，积累了丰富的实践经验，取得了巨大的技术经济效益。但在综掘煤巷中如何 适应综掘机快速掘进的要求，有必要对其支护方式及综掘断面形状进行研究，以 获得有利于围岩稳定和满足使用要求的断面形状，而且支护方式即能适应综掘机 的快速掘进，又能经受住后期动压的影响。所以有必要对该课题进行研究。 1.2.21.2.21.2.2 1.2.2 项目研究内容项目研究内容项目研究内容 项目研究内容 主要研究如下内容 （1）煤巷的矿压显现特征及破坏机理； （2）通过数值模拟研究，确定煤巷可能的破坏形态及危险部位的控制； （3）煤巷支护的理论分析和工程类比，确定煤巷支护方案； （4）煤巷断面尺寸和锚杆支护参数的优化分析； 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 （5）煤巷支护的可靠性分析； （6）煤巷锚杆支护与棚式支护的技术经济比较。 山东科技大学硕士学位论文综掘煤巷所在 313 采区的地质概况 4 2 2 2 2 综掘煤巷所在综掘煤巷所在综掘煤巷所在 综掘煤巷所在 313313313 313 采区的地质概况采区的地质概况采区的地质概况 采区的地质概况 依据 31302 工作面掘进地质说明书 ， 煤巷所在位置的地质概况有如下特征 2.12.12.1 2.1 煤巷相对位置煤巷相对位置煤巷相对位置 煤巷相对位置 根据 313 采区的巷道布置及工作面的采动状况，综掘煤巷将布置在 313 采区 中部，预计东西长约 670ｍ，南侧为未采区，北侧邻近 31302 工作面。 2.2