云驾岭煤矿12305工作面沿空留巷围岩及充填体稳定性研究.pdf

分类号TD325密级公开 UDC单位代码 10076 工程硕士学位论文 云驾岭煤矿 12305 工作面沿空留巷围岩 及充填体稳定性研究 作者姓名 牛 矗 指导教师 高永格 教授 企业导师 魏永军 教授级高工 申 请 学 位 级 别 工程硕士 学科专业 矿业工程 所在单位 矿业与测绘工程学院 授 予 学 位 单 位 河北工程大学 ADissertation ted to Hebei University of Engineering For the Degree of Master of Engineering Study on Stability of Surrounding Rock and Filling Body of Gob-side Retaining Roadway in 12305 Working Face of Yunjialing Mine CandidateNiuChu SupervisorProf.GaoYongge Pluralistic SupervisorProf.WeiYongjun AcademicDegreeAppliedforMasterofEngineering SpecialtyMiningEngineering College/DepartmentCollege ofMiningandGeomatics Hebei University of Engineering December, 2019 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 或集体已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得河北工程大学河北工程大学或其他教 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， 均已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。 学位论文作者签名签字日期年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北工程大学河北工程大学有关保留、使用学位论文的 规定。 特授权河北工程大学河北工程大学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） 学位论文作者签名签字日期年月日 导师签名签字日期年月日 摘要 I 摘要 因井下留设煤柱而产生了一系列的井下灾害，严重威胁了井下的安全生产。 沿空留巷技术真正实现了井下不留煤柱，具有采区回采率高，工作面连续开采等 一系列优点。但是，沿空巷道要经历多次采动影响，应力集中、围岩变形量大， 巷道维护工作困难。因此，本文以 12305 运巷留巷为研究背景，采用理论计算与 分析、 数值模拟结合工业性实践的研究方法，对留巷阶段的高水材料巷旁充填体 及其周围围岩的应力应变演化进行数值模拟计算与分析； 对留巷阶段的高水材料 巷旁充填体应力变形监测分析；对一次采动影响阶段、留巷阶段以及二次采动影 响阶段的巷道顶板岩层的裂隙发育监测分析、巷道围岩应力变形监测分析。主要 得出如下结论 （1）高水巷旁充填体在留巷阶段有着良好的承载性能，能够有效的降低巷 道围岩的变形破坏程度，满足巷道断面的需求。 （2）充填体对其上下部的岩层提供了良好的支承力，采取补强锚索进行加 固，充填体与顶板冒落岩层、巷道侧点柱共同作用，保证了其良好的三轴应力状 态，极大的提高了充填体自身的稳定性，对顶板的支护效果良好。 （3）受一次采动影响，上覆顶板浅部 0-2 m 之间岩层为主要影响区域，巷 内支护设计应当保证锚杆（索）长度不小于 2.0 m；在留巷阶段，巷道上覆顶板 浅部岩层破碎程度加剧，横向与纵向裂隙交错贯通；在二次采动影响阶段，原有 裂隙进一步发育，顶板下沉量持续增长，影响范围在 0-5 m，巷道围岩变形破坏 严重。 关键词沿空留巷；巷旁充填；数值模拟；裂隙发育；围岩稳定性 Abstract II Abstract Series of underground disasters caused by coal pillar discharging have seriously threatened the safety of underground production. The technology of retaining roadway along goaf realizes a series of advantages, such as high recovery rate of mining area and continuous mining of working face. However, gob-side roadways have to undergo multiple mining effects, stress concentration, large deation of surrounding rock, and roadway maintenance is difficult. Therefore, based on the research background of 12305 transport roadway retaining, the stress-strain evolution of filling body and surrounding rock around high water roadway during retaining roadway stage is numerically simulated and analyzed by using the s of theoretical calculation and analysis, numerical simulation and industrial practice; and the stress-strain of filling body near high water roadway during retaining roadway stage is calculated and analyzed by numerical simulation. Monitoring and analysis; monitoring and analysis of the development of cracks in roof strata of roadway in the first mining influence stage, retaining roadway stage and the second mining influence stage, monitoring and analysis of stress and strain in roadway surrounding rock. The main conclusions are as follows 1 Filling body beside high water roadway has good bearing capacity in retaining roadway stage, which can effectively reduce the degree of deation and destruction of roadway surrounding rock and meet the needs of roadway section. 2 The filling body provides a good supporting force for the upper and lower strata. Reinforcement anchor cables are adopted to reinforce the filling body. The filling body works together with roof caving strata and roadway side pillars to ensure its good triaxial stress state, greatly improving the stability of the filling body itself and the supporting effect of the roof is good. 3 Influenced by primary mining, the strata between 0 and 2 m in the shallow part of the overlying roof are the main influencing areas, and the length of bolts cables should be ensured in the design of roadway support; in the retaining roadway stage, the shallow strata of the overlying roof are more fractured, and the horizontal and vertical cracks intersect; in the second mining stage, the original cracks develop further, and the roof subsidence continues to increase. The influence range is 0-5 m, Abstract III and the surrounding rock of roadway is seriously deed and destroyed. Key words gob-side entry retaining; roadside filling; numerical simulation; crack development; surrounding rock stability 目录 I 目录 摘要I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1.1 研究背景与研究意义1 1.1.1 研究背景1 1.1.2 研究意义2 1.2 国内外研究现状2 1.2.1 沿空留巷围岩活动规律研究综述 2 1.2.2 巷旁支护技术的研究现状4 1.2.3 巷内支护技术的研究现状4 1.3 主要研究内容及方法5 1.3.1 主要研究内容5 1.3.2 研究方法6 1.4 技术路线6 1.5 本章小结6 第 2 章 沿空留巷围岩及充填体稳定性分析7 2.1 回采巷道围岩变形影响因素分析7 2.2 覆岩活动规律分析8 2.2.1 顶板垮落规律分析8 2.2.2 沿空留巷覆岩破断规律分析10 2.3 沿空巷道围岩应力分布规律 12 2.3.1 沿空巷道两帮应力分布12 2.3.2 沿空巷道超前支承压力分析13 2.3.3 煤帮应力分布规律分析13 2.4 充填体变形规律分析 16 2.5 本章小结19 第 3 章 工程地质条件及支护设计21 3.1 工作面概况21 3.2 采场地压特点 23 目录 II 3.3 巷内支护设计 23 3.4 充填体尺寸与位置 24 3.5 加强支护设计 25 3.6 本章小结26 第 4 章 沿空巷道围岩稳定性数值模拟 27 4.1 建立模型27 4.2 围岩应力演化分析 28 4.2.1 围岩垂直应力演化分析28 4.2.2 围岩垂直位移演化分析29 4.2.3 围岩水平位移演化分析30 4.2.4 围岩塑性破坏演化分析31 4.3 不同高度顶板垂直应力对比分析32 4.4 充填体附近围岩应力分析35 4.5 本章小结 36 第 5 章 顶板裂隙发育特征实测37 5.1 测试设备及点位布设 37 5.2 钻孔窥视仪测试结果及裂隙发育规律37 5.2.1 1钻孔监测结果及分析38 5.2.2 2钻孔监测结果及分析38 5.2.3 3钻孔监测结果及分析39 5.2.4 4钻孔监测结果及分析40 5.2.5 5钻孔监测结果及分析41 5.2.6 6钻孔监测结果及分析42 5.3 不同监测点覆岩裂隙场发育规律对比分析43 5.3.1 1钻孔与 3钻孔裂隙发育对比分析43 5.3.2 4钻孔与 6钻孔裂隙发育对比分析43 5.3.3 1钻孔与 4钻孔裂隙发育对比分析44 5.4 本章小结44 第 6 章 围岩与充填体应力变形实测分析 45 6.1 充填体应力变形实测 45 6.1.1 充填体测点布置及观测方法45 6.1.2 充填体应力监测 46 6.1.3 充填体变形监测分析47 6.2 围岩变形监测及规律分析 49 目录 III 6.2.1 测站布设及监测方法49 6.2.2 巷道围岩变形监测及规律分析50 6.3 巷道煤帮应力监测分析 53 6.3.1 测站布置 53 6.3.2 煤帮应力监测分析53 6.4 本章小结 54 结论57 致谢59 参考文献 60 作者简介 65 发表论文及参加科研情况说明66 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景与研究意义 1.1.1 研究背景 我国能源资源赋存的特点是“富煤、少油、贫气”。在 2018 年发布的中国 矿产资源报告中显示，截止到 2017 年底，我国煤炭资源查明储量为 16666.73 亿 吨，增长 4.3[1]。目前，我国国内每年在工业用煤、动力用煤、发电用煤以及生 活用煤的总耗煤量接近 40 亿吨，约占全球的总耗煤量 50[2]。今后很长一段时 间内，煤炭仍将作为国内主要的一次能源。 国内的煤炭资源以井工开采为主，露天煤矿产量仅占全国煤炭生产总量的 3.3左右[3]，而地下开采必须掘进到地层中进行采煤，危险系数高，很长时间以 来，通过留设护巷煤柱的方式来维护巷道。实践表明，通过预留保护煤柱维护巷 道虽然能起到一定作用，但表现出来的问题也相当突出一般矿井预留的护巷煤 柱所造成的煤炭损失约占其工业储量的 30左右， 减少了回采煤量， 造成了较大 的煤炭损失[4]；现阶段，大多数矿井都已进入深部开采，同时巷道围岩的原岩应 力也相应的增大，如果增加预留煤柱的宽度，会增大采煤工作面应力集中区的面 积、加大巷道围岩的垂直应力、增大下区段工作面的支护难度，且极易诱发采空 区煤炭自燃发火等灾害，甚至还会导致煤与瓦斯突出等问题[5]。在此基础上，研 究区段巷道布置在煤壁边缘低应力区的施工工艺， 消除采区内因煤柱丢煤而引起 的一系列井下灾害，具有十分重大的意义。 无煤柱开采工艺主要分为沿空留巷和沿空掘巷[6]。 从 20 世纪 50 年代初开始， 世界一些主要产煤国家的采矿学者出于减少巷道掘进量、增加煤炭资源回收率、 增加生产连续性和提高矿井经济效益的目的，对无煤柱护巷技术的矿压显现规 律、适用范围、巷旁（内）支护形式及材料等展开了系统的研究，得出了许多有 益结论。 从长期的工程实践上来看， 无煤柱护巷技术与传统井工开采相比表现出了无 可比拟的优越性。（1）提高煤炭资源回收率，延长矿井服务年限；（2）改变了 巷道的维护方式，减少了在巷道维护方面的支出，加大了回采面积；（3）改变 了工作面开采方式， 降低了巷道的掘进率， 缓和了部分矿井采掘关系的紧张； （4） 改善了采区巷道的布置。采用跨越大巷和上山等开采方式，在部分采区取消岩石 集中巷，采用连续式开采，以达到更加合理集中的生产[7]。 河北工程大学硕士学位论文 2 沿空留巷进一步完善了无煤柱护巷开采技术， 在实际应用中表现出了优越的 社会经济效益与安全高效开采效益。消除了因留设护巷煤柱，在煤柱上、下方应 力集中对开采产生的影响；实现了工作面 Y 型通风方式，解决了上隅角瓦斯积 聚问题； 便于顶底板岩层卸压瓦斯、 采空区富集瓦斯， 便于预抽临近煤岩层瓦斯； 改善了工作面作业环境，降低了工作面作业温度等[8]。 沿空留巷具有的重大的社会经济效益与安全高效开采效益， 符合我国煤炭工 业“资源利用率高、安全保障、经济效益好、环境污染少和可持续发展的煤炭工 业发展道路”的发展方向，符合“绿色采矿”“科学采矿”的先进理念，是无煤 柱开采的重要发展方向， 对促进我国无煤柱护巷技术的进一步发展具有重要的理 论意义和实用价值[9-11]。 1.1.2 研究意义 沿空留巷有效的改善了巷道的维护方式，减少了巷道掘进量，降低了煤炭损 失量，同时增加了煤矿的经济效益。然而，沿空巷道需要经历多次采动的影响， 矿压显现十分明显， 围岩处于高应力的同时受到了上覆岩层的下沉和回转变形的 影响，导致巷道上覆岩层破碎区面积大，塑性影响区面积大，维持巷道断面稳定 存在一定难度[12]。为此，国内外许多学者在矿压显现规律、巷旁（内）支护方式 及材料等方面做了大量的理论研究与相关试验并取得了大量有益结论。 以这些理 论作为依据，沿空留巷工作面工作环境得到有效改善，但由于地质条件的复杂性 与不确定性，在沿空留巷技术的应用上，成功与教训并存，需不断进行完善。 本文在前人研究的基础上，进行巷道围岩变形影响因素理论分析、覆岩运移 规律理论分析、巷道围岩应力分布规律理论分析、充填体与围岩相互作用关系理 论分析，通过上述分析，得到沿空留巷围岩及充填体稳定的理论依据；运用数值 模拟计算， 对留巷阶段的高水材料巷旁充填体及其周围围岩的应力应变演化进行 数值模拟计算与分析，并对巷旁充填体进行应力变形监测，验证高水材料充填体 对 12305 运巷留巷的适应性；基于工作面顶板钻孔窥视实测裂隙发育资料，分析 运巷受一次采动、留巷阶段上覆岩层下沉和回转变形与二次采动影响下，巷道顶 板岩层裂隙发育规律；基于工作面现场布设测站实测数据，分析运巷受一次采动 与二次采动影响下，巷道围岩的应力变形规律、巷道煤帮应力分布规律。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 沿空留巷围岩活动规律研究综述 康红普运用FLAC3D对深部沿空留巷围岩变形与应力分布特征进行数值模拟 第 1 章 绪 论 3 分析， 得出了深部沿空留巷顶板破断规律。并根据现场工业性实践系统的分析了 巷内支护，巷旁（加固）支护设计，对巷道上覆岩层在开挖及之后的各个阶段矿 山压力进行了监测，得出在深部巷道进行沿空留巷技术时巷内支护采用高预应 力、强力锚杆（索），巷旁加强支护采用单体支柱配铰接顶梁，能有效的控制沿 空巷道围岩的变形， 提出深部沿空留巷支护设计原则[13]。 陈勇认为对控制沿空留 巷围岩大变形应以巷内基本支护为主，加强支护为辅。并基于数值模拟与现场工 业性实践阐述巷内支护机理， 对巷内支护技术进行开发， 采用高预紧力、 高强度、 大延伸率锚杆（索）支护进行巷内基本支护；采用高阻让压的单体液压支柱加强 顶、底板支护；沿空留巷围岩变形稳定后撤除作为加强支护的单体液压支柱[14]。 张农、 韩昌良等对采空侧楔形区顶板的传递承载机制进行了理论分析，对围岩区 域应力技术进行优化，并揭示了采空区侧覆岩预裂卸压机理；基于巷旁支护系统 刚度匹配原则，提出沿空留巷结构控制原理。总结出预裂爆破卸压、分区治理、 结构参数优化、 “三位一体”围岩控制及墙体快速构筑等沿空留巷围岩控制关键 技术[15]。 华心祝对沿空留巷技术进行研究， 认为大采高工作面应当以提高围岩的 自承载能力为主，提出巷旁锚索加强支护、巷内锚杆支护的支护方式。建立考虑 巷帮煤体承载作用和巷旁锚索加强作用的沿空留巷力学模型，揭示了巷内基本 （加强）支护机理，并在现场得到成功应用[16]。谢文兵通过 UDEC 数值模拟软 件对综放沿空留巷围岩变形进行了系统的研究， 认为基本顶断裂位置对沿空巷道 围岩稳定性产生较大影响； 端头留设一定长度的顶煤不放有利于围岩形成具有自 稳能力的承载结构； 合理利用覆岩运移规律对围岩及充填体稳定性有极大的提升 [17]。黄艳利对巷旁充填沿空留巷技术进行系统分析，并优化充填材料的配比，提 高了充填体对顶板活动规律的适应能力， 保证了巷道顶板的稳定性[18]。 薛俊华对 大采高沿空巷道顶板应力应变进行了分析， 得出沙曲矿 24207 工作面沿空巷道围 岩变形演化规律，认为采高越大，巷道围岩变形程度及范围越大；在大采高条件 下，受下区段采动影响，围岩将发生剧烈变形，巷道断面收缩率可达 55。断面 最优跨高比为 0.75， 采用具有高初撑力的高强支护体系， 并通过现场工业性实践， 保证了巷道断面的需求[19]。谢生荣对深部大采高充填开采留巷技术进行了研究， 认为高预应力桁架锚索系统可以有效抑制顶板断裂线的发育，同时具备“先刚后 柔再刚、先抗后让再抗”的支护特性。对高水充填材料进行了优化，并提出了锚 杆索联合强力支护系统和钢管混凝土组合支架综合控制技术， 保证了巷道围岩的 稳定性[21]。姜鹏飞运用数值模拟软件 FLAC3D分析了巷道围岩、充填体、煤壁在 不同阶段的应力应变演化规律。在二次采动影响阶段，巷道围岩及充填体在应力 增幅较小时，也会产生较剧烈的变形破坏，主要表现为底板上鼓和巷道两帮的移 近[22]。 郭庆勇系统的分析了沿空巷道围岩变形规律、 覆岩运移规律以及巷旁支护 河北工程大学硕士学位论文 4 技术，构建了采空区矸石、充填体与煤壁共同作用的弹性力学模型，并得出巷旁 充填体压缩量计算公式。同时，运用 UDEC 数值模拟软件分析对基本顶关键块 在弹性支承条件下的应力分布规律[23]。 1.2.2 巷旁支护技术的研究现状 仅靠巷内支护满足不了沿空留巷需求，应辅以巷旁支护。沿空留巷的核心之 一为巷旁支护技术， 是留巷成败的主要影响因素。 覆岩运移规律与巷旁支护匹配， 则巷旁支护可以卓有成效的对巷道上覆岩层进行控制， 进而提高沿空留巷断面稳 定性。 近代以来，研究学者考虑巷旁支护体物理性质、支护体布置难易程度等方面 因素，提出了高性能混凝土、高水速凝材料、膏体材料巷旁支护技术等。 柏建彪对巷旁支护技术发展进行了阐述，通过分析沿空留巷顶板破断规律， 建立了膏体材料巷旁充填的沿空留巷的力学模型， 并对膏体材料巷旁充填参数进 行了优化[24]。 陈勇通过建立沿空留巷上覆岩层结构力学模型， 对不同阶段的巷旁 支护体应力应变进行分析， 揭示了巷旁支护体稳定机理 巷旁充填后会快速增阻， 及时有效的支撑巷道顶板；在工作面后方周期来压前达到切顶阻力，并及时进行 切顶作业， 能极大的提高围岩的稳定性[25]。 宁建国通过建立坚硬顶板沿空留巷巷 旁支护力学模型及对顶板不同运动阶段支护体内应力分布和围岩变形数值模拟， 认为早期支护体可缩量较大，在可控的范围内允许顶板产生一定量的下沉，有益 于保持围岩稳定；后期支护体应当具有较高的强度，承担巷道上覆岩层载荷并进 行断顶；提出了不等强充填体支护方式，并在现场实践上取得良好效果[26]。谭云 亮提出了沿空巷旁支护适应性原理，构建了“柔-强”组合巷旁支护力学结构模 型，并提出了巷旁“柔-强”巷旁支护体分层厚度的方法；进一步探讨了采空区 矸石压缩与巷旁支护的流变协同力学特征， 得出采空区矸石压实稳定时间计算公 式， 分析了巷旁支护强层材料流变性能要求[27]。 英国学者建立了顶板倾斜的力学 模型， 通过控制煤体至采空区之间的顶板的下沉量的实验，认为顶板的倾斜角以 及转动支点是巷旁支护设计的重点[38]。 涂敏运用 Winkler 弹性地基理率,把沿空留 巷巷道上方顶板看作弹性薄板条，建立了顶板运动力学模型，导出顶板的挠曲运 动方程，分析了顶板内应力的分布特征，提出了计算巷旁支护阻力的新方法，并 用示例进行了说明[28]。 1.2.3 巷内支护技术的研究现状 现阶段，我国主要是采用锚杆、锚杆网和锚杆锚索联合支护作为沿空留巷的 巷内支护技术， 并在工程实践中取得了良好的效果 充分发挥围岩的自承载能力， 第 1 章 绪 论 5 实现支护与围岩共同承载[31]。然而，随着矿井开采深度逐渐加大，巷道所处围岩 环境越发复杂，普通的高强度锚杆与锚索支护满足不了巷道断面需求，巷道变形 十分严重。为此，在国家的大力支持下，煤科院研究并提出了高预应力、强力锚 杆和锚索支护的联合支护方式，满足了巷道断面需求，并在多个矿区推广使用。 国内外的学者通过