张家峁煤矿4-2煤层煤巷锚杆支护优化研究.pdf

分 类 号TD353.6密级 学号G13218 硕士学位论文硕士学位论文 Thesis for Master’s Degree 张家峁煤矿 4-2煤层煤巷锚杆支护优化研究 申请人姓名 刘振云 指 导 教 师 程文东（校内） 王碧清（校外） 类别 非全日制在职工硕 工 程 领 域 矿业工程 研 究 方 向 巷道围岩控制 2020 年 7 月 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文 不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。 学位论文作者签名日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位 期间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学 校可以将本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和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名指导教师签名 年月日 论文题目张家峁煤矿 4-2煤层煤巷锚杆支护优化研究 工程领域矿业工程 硕 士 生刘振云签名 指导教师程文东签名 王碧清签名 摘 要 陕北矿区煤层赋存条件较好，浅埋煤层煤巷锚杆支护有较明显的富裕系数。目前煤 巷支护成本居高不下。以张家峁煤矿 4-2煤层 14204 工作面为研究对象，通过现场实测、 物理模拟、 数值计算和理论分析相结合的方法， 对 4-2煤层煤巷锚杆支护参数进行优化研 究，为生产实践提供理论指导和实践价值。 通过现场获取岩样和实验室测定， 得出张家峁煤矿 4-2煤层的基本物理力学参数， 根 据顶板稳定性分级的结果，4-2煤层顶板为 II 类顶板；对现有 4-2煤层顺槽收敛量和表面 观测结果得出距回采工作面 53m 以内，随着工作面的推进，运输顺槽两帮累计变形量 及顶板累计下沉量都不断增大。然而，辅运顺槽的测点在距工作面煤壁-30m（采空区后 方）左右，超前压力影响急剧增大，顺槽表面有片帮现象。基于回采过程对辅运顺槽松 动圈观测结果得出当监测点距回采工作面煤壁的距离 20m 时，顶板围岩破碎区有所增 加；当监测点距回采工作面煤壁距离-63m 时，在距孔口 0.51m 有明显破碎，顶板孔内 有一定破碎；当监测点距回采工作面煤壁距离-93m 时，破碎区域较前明显增大，且帮部 片帮严重。 根据顺槽收敛监测结果、顶板离层监测结果、围岩松动圈监测结果，采用锚杆支护 理论对现有锚杆尺寸和支护强度进行了优化。利用 ANAYS 模拟得出，碟形直边托盘能 满足变形和受力要求，确定碟形直边托盘尺寸为 1201208mm，孔径 21mm，厚度 20mm。利用 FLAC3D数值模拟对优化前后的方案进行对比分析，顺槽顶板和两帮变形值 差别不大，表明优化后的方案能满足顺槽稳定，有效的控制顺槽围岩变形。同时，工程 实践应用结果表明，支护强度的降低节省了支护材料，降低了支护成本；确定优化后的 参数能最大程度节约成本 164 元/m，节约的支护成本达 214.35 万元。研究成果将促进矿 区的高效发展。 关 键 词浅埋煤层；煤巷；锚杆支护；优化；围岩松动圈 研究类型应用研究 、 Subject Research on Bolt Support Optimization of 4-2 Coal Seam Coal Roadway in Zhangjiamao Coal Mine Specialty Mining Engineering NameLiu Zhenyun（Signature） InstructorCheng Wendong（Signature） Wang Biqing（Signature） ABSTRACT The condition of shallow coal seam in the northern Shaanxi mining area is good, and the bolt support has a relatively rich coefficient in this area. At present, the cost of support is high. Taking the 14204 working face of the 4-2 coal seam of Zhangjiamao coal mine as the research background. Based on the comprehensive analysis , including the field measurement, physical simulation, numerical calculation and theoretical analysis, in order to optimize the bolt support parameters of the 4-2 coal seam coal roadway and provide theoretical guidance and practical value for production practice. Through the site acquisition of rock samples and laboratory measurements, the basic physical and mechanical parameters of the 4-2 coal seam of Zhangjiamao Coal Mine were obtained. According to the results of roof stability classification, the 4-2 coal seam roof is a type II. The roadway of convergence and surface observation results show that within 53m from the mining face, with the advancement of the working surface, the cumulative deation of the two sides of the rubber transport groove and the cumulative subsidence of the roof continue to increase. However, the measurement point of the auxiliary transport along the trough is about 30m behind the goaf of the working face, which is greatly increased by the advance pressure. Based on the observation results of the loosening circle of the auxiliary transport along the mining process, it is concluded that when the mining face is 20m away from the monitoring section, the surrounding area of the roof rock increased; when the mining face is -63m from the monitoring section, there is obvious breakage 0.51 m from orifice, and there is a certain amount of breakage in the roof hole; when the mining face is -93m away from the monitoring section, the crushing area is significantly larger than before, and rib spalling is severely broken. Based on the monitoring results of convergence along the gateway, the results of monitoring the separation of the roof and the monitoring results of the loosening zone of the surrounding rock, the bolt support theory was used to optimize the existing bolt size and support strength. Using ANANYS simulation, it is found that the dish-shaped straight edge tray, not only can meet the requirements of deation and stress. The size of the dish-shaped straight edge tray is 1201208mm, the diameter is 21mm, or the height is 20mm. The FLAC3D simulation is used to compare and analyze the optimized solution. There is not much difference between the deation values of the gateway roof and the two sides of rib, which indicates that the optimized scheme can meet the stability of the gateway and effectively control the surrounding rock deation. At the same time, field engineering practice application results show that the reduction of support strength saves support materials and reduces support costs. The cost can be saved to a maximum of 164 yuan/m, the saved support cost reached 2,143,500 yuan. Research results will promote efficient development of mining area. Key words shallow coal seam; coal roadway; bolt support; optimization; loosening zone of surrounding rock ThesisApplied Research 目录 I 目 录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义..............................................................................................................1 1.2 国内外研究现状..............................................................................................................1 1.2.1 浅埋煤层顺槽顶板稳定性研究现状....................................................................1 1.2.2 煤巷支护理论研究................................................................................................3 1.2.3 煤巷支护技术研究现状........................................................................................5 1.3 研究内容..........................................................................................................................7 1.4 研究方法及技术路线......................................................................................................7 2 张家峁煤矿 4-2 煤层巷道支护理论分析及参数确定......................................................... 9 2.1 张家峁煤矿 4-2煤层巷道支护理论分析........................................................................ 9 2.2 煤岩物理与力学试验....................................................................................................10 2.2.1 试样制备及物理试验..........................................................................................10 2.2.2 超声波煤样缺陷分析试验.................................................................................12 2.2.3 煤岩力学试验......................................................................................................14 2.3 本章小结........................................................................................................................16 3 14204 工作面煤巷原支护状况监测及效果评价.................................................................18 3.1 研究区概况....................................................................................................................18 3.2 煤巷锚杆支护监测方案设计.........................................................................................20 3.3 煤巷锚杆支护监测结果分析........................................................................................22 3.3.1 顺槽收敛量..........................................................................................................22 3.3.2 顺槽表面观测......................................................................................................24 3.3.3 顶板离层量..........................................................................................................26 3.3.4 围岩松动圈..........................................................................................................28 3.3.5 锚杆锚固力..........................................................................................................38 3.4 现有煤巷锚杆支护效果评价........................................................................................39 3.5 本章小结........................................................................................................................39 4 14204 工作面煤巷锚杆支护参数设计.................................................................................41 4.1 锚杆（索）参数理论确定............................................................................................41 目录 II 4.1.1 锚杆悬吊理论计算..............................................................................................41 4.1.2 锚索参数确定......................................................................................................42 4.2 现有支护方案.................................................................................................................43 4.3 优化结果.........................................................................................................................44 4.4 经济性对比.....................................................................................................................46 4.5 本章小结.........................................................................................................................48 5 煤巷锚杆支护优化方案数值模拟分析与工程验证...........................................................49 5.1 不同形状托盘受力分析................................................................................................49 5.1.1 模型建立..............................................................................................................49 5.1.2 模拟结果分析......................................................................................................49 5.2 不同工况的数值分析....................................................................................................52 5.2.1 工况模型的确定..................................................................................................52 5.2.2 参数确定..............................................................................................................53 5.2.3 4-2煤层辅运顺槽数值模拟结果分析.................................................................53 5.2.4 锚杆受力分析.....................................................................................................55 5.3 工程实践应用................................................................................................................55 5.3.1 14207 工作面顺槽概况.......................................................................................55 5.3.2 14207 工作面正帮松动圈窥视...........................................................................57 5.3.3 14207 工作面负帮松动圈窥视...........................................................................58 5.4 本章小结.........................................................................................................................59 6 结论.......................................................................................................................................61 致 谢.........................................................................................................................................62 参考文献...................................................................................................................................63 附 录.........................................................................................................................................68 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 中国是世界上第一产煤大国，2019 年的原煤总产量高达 38.5 亿吨，煤炭在一次能 源中的占比平均达 57.7。回采巷道是煤矿开拓系统的重要组成部分，巷道支护与维护 巷道的稳定性，将会直接影响煤矿安全高效回采。随着煤炭资源的开发，煤矿支护设备 的升级和转化，国内外学者根据不同赋存和开采条件下的巷道，科学有效的提出了不同 的巷道支护理论和方法。神府-东胜煤田大量赋存浅埋煤层，且多数矿井设计产能大、 巷道断面大，针对浅埋、大断面煤巷的支护问题也是本地区的重要问题之一。 根据神东矿区相似矿井调研、交流，从煤巷锚杆支护材质、参数等均与神南矿区相 比较，当前的煤巷锚杆支护有较明显的富裕系数。锚杆（索）支护成本较高，企业利润 空间减小。锚杆支护成套技术是一个庞大的系统，工程技术人员和施工人员必须严格按 支护规范要求执行，才能保证顺槽施工质量，避免安全事故的发生[15]。由于我国煤矿 地质和生产条件千差万别， 各个矿区要求不同， 致使统一的锚杆支护技术规范讨论数稿， 但一直没有出台。同时，根据神南公司张家峁煤矿实施的“浅埋煤层大采高综采面顺槽 保护煤柱尺寸研究” 成果， 目前张家峁煤矿综采面顺槽煤柱松动圈靠胶运顺槽侧为 0.5～ 1.2m，靠辅运顺槽侧为 0.5～1.3m，同时目前矿井 2-2、3-1、4-2、5-2煤层顶部、帮部支护 长度分别都为 2.6m，2.1m。开展浅埋煤层开采的煤巷锚杆的支护优化研究很有意义， 也十分必要。 本文以神南公司张家峁煤矿 4-2煤层 14204 工作面为研究对象，通过现场实测、物 理模拟、数值计算和理论分析相结合的方法，对 4-2煤层煤巷锚杆支护参数进行优化研 究。获取合理的煤巷锚杆支护参数，确保安全施工，同时符合神南矿区大成本体系建设 要求，能够经济合理的降低顺槽支护的费用，也能有效的提高施工进度[67]。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 浅埋煤层顺槽顶板稳定性研究现状 国内外的众多学者对浅埋煤层的矿压显现规律进行了研究[8-12]， 总体上认为浅埋深、 薄基岩、 厚表土层煤层开采覆岩破断延深至地表， 上覆岩层垮落角较大， 地表下沉量大， 初次来压和周期来压强度大，表现为台阶下沉现象[13-17]。 针对井工开采煤矿覆岩和顺槽的变形破坏的特征，弹塑性理论应用及其广泛。各类 矿区赋存地质条件、开采条件差异较大，国内外众多学者开展了不同方向的理论分析研 西安科技大学工程硕士学位论文 2 究工作，并提出了不同条件的适用范围。例如，李世平等[18]基于岩石达到峰值破坏后的 残余强度的存在，分析残余强度对变形破坏的影响。 杨双锁[19]系统的从围岩变形与破坏形式、岩体本构模型、三顺槽力学结构、围岩与 支护作用机理、顺槽矿压特征五个方面，详细分析了各自对围岩稳定影响，并提出了相 对完整和全面的控制方法。 曾佑富等[20]以枣泉煤矿 12205 首采面胶带运输巷顺槽开采实例为背景， 通过对顶板 冒落失稳机理进行分析，提出锚杆在顺槽覆岩范围的“大 、小结构”的稳定中，起到 主要的作用，支护形式或者支护参数的不合理，会导致顺槽支护效果大幅度降低。 郭东明[21]等结合 FLAC 数值分析方法与非对称性耦合支护理论， 对杜家村煤矿 1201 顺槽破坏进行了分析，通过对比无支护、两种支护方式的三种方案支护效果，优选的支 护方案（底板两侧距两帮 1 m 处施加了两根锚索支护）能满足支护要求，效果良好。 张东升[22]采用数值模拟方法，分析侧压系数、内摩擦角、黏聚力对矩形巷道周边应 力分布、位移和塑性区扩展的影响，提出在此基础上提出高强让压支护的基本思路，开 发了 “多孔循环注浆，深浅孔结合”工艺，在工程实践中取得较好效果。 郭建卿[23]、柏建彪[24]等研究提出高强预应力均衡让压围岩控制思路，通过在帮部加 强支护强度的方式，将围岩加固成一个整体，从而实现控制巷道的整体变形。 刘少伟等[25]运用复合梁原理，研究了当层状覆岩中存在软弱夹层时，软弱夹层对煤 巷锚杆支护煤稳定性的影响。 利用软弱夹层厚度的在层状覆岩中厚度的相对比值大小为 指标，进行了煤巷顶板的分类，从而更好的确定支护参数和支护方法。 高明中[26]研究了锚固体的弯曲失稳机理及平衡条件，针对不同采动影响的不同阶 段，提出了相对应的不同的维护措施以保持围岩稳定。比如锚杆支护设计时，应增大 锚杆长度以相对减小挤压力并增大承压面宽度、提高锚固层厚度和强度，必要时增设可 缩性支架（加强支护）等方法。 Buddhima 等[27]提出含充填土的节理模型。利用数值模拟的分析方法，分析不同的 节理特性条件下，对顶板分割后的块体的冒落块体稳定性，进行了详细的研究。 王琦等[28]在博士论文中，针对断层区建立了理论模型，揭示了巷道支护系统中的顶 板压力、支护强度以及不同的顶板跨高的比值等诸多因素的影响机理，给出了巷道顶板 内的应力分布规律。 X.L.Yang 等[2933]将塑性力学中的极限分析方法， 推导出浅埋地下硐室顶板冒落破坏 机制。部分学者对顺槽围岩变形破坏机理进行相关研究[3437]，在此不再一一赘述。 此外，随着计算机技术的不断发展，数值方法也成为研究顺槽围岩变形破坏机理的 一个重要手段，这方面有关数值计算的研究取得了不少成果[3841]。 何满潮等[42]针对深部巷道的支护难题，提出锚网索耦合支护，目的是利用围岩的自 承能力， 将围岩自身和锚杆的支护能力最大程度的发挥出来， 实现了组合优化支护目的， 1 绪论 3 实现支护系统的最佳耦合支护状态。 刘刚等[43]主要是针对矩形煤巷的围岩松动圈进行了数值分析， 分析了围岩松动圈在 巷道开挖阶段、地压增大松动圈开始破坏、顶底板破坏加剧阶段，松动圈逐步形成。得 出在层状岩体中，巷道围岩松动圈的大小与顶板破坏相关，由早期的水平拉裂破坏，逐 步转变为后期的垂直拉裂破坏。 柏建彪等[44]研究了厚煤层的巷道中顶煤塑性区呈“拱形”或上宽下窄的“倒梯形” 形态，但是巷道上方两次的肩角是相对稳定的区域。提出应该选择高强预紧力锚杆来增 加锚杆预紧力，同时，采用斜拉锚索梁联合支护，保证围岩稳定性，应用效果良好。 方新秋等[45]分析了复合顶板松软煤层巷道变形破坏机理， 指出巷道变形破坏原因主 要是由于棚式支护缺乏主动支护作用，提出控制巷道变形破坏的支护对策，确定了合理 的锚网索支护技术方案，给出了顶部和两帮支护的具体参数。 曹胜根等[46]基于煤层顺槽围岩破坏特征现场探测信息建， 研究了大倾角煤层顺槽围 岩非对称变形破坏机制，提出非对称耦合支护有效地实现了支护与围岩之间变形协调， 显著地控制了围岩变形。 桂祥友等[47]针对超千米深井顺槽围岩变形破坏进行研究， 得出其变形破坏具有空间 效应，需要对顶板、底板和帮部同时支护，使顺槽周边围岩形成整体，有利于围岩稳定。 高喜才等[48]针对胡家河煤矿特厚煤层巷道，研究深部全煤硐室围岩的变形，提出了 锚网喷砌碹、底部超挖反拱钢筋网梁、底锚杆相结合的综合的支护技术。保证不同部位 的移近量最大值合理，顶底板为 20 mm，两帮 36 mm，有效地保证围岩稳定性。 孟庆彬等[49]基于赵楼煤矿井底车场顺槽为研究对象，提出了一个核心内注浆锚杆 为核心，配合“三锚”联合支护体系，即“锚杆锚索锚注”，实现了对深部巷道大 变形的控制难题。结合松动圈测试结果，表明注浆可阻止围岩松动圈范围的扩大，有利 于巷道稳定。 李向阳等[50]基于不同的数值模拟条件下的支护方案， 提出了由初次高性能锚网喷支 护、二次注浆及底板锚注支护形成的藕合支护方案，并给出了详细的技术参数。 孟波等[51]利用滑移线场理论得到了均质弹塑性围岩发生剪切滑移破坏的滑移线场 及包含破坏特征参数的极限载荷计算公式， 讨论了围岩内摩擦角等参数对围岩承载力的 影响。 李睿等[52]在顺槽围岩矿物成分分析，岩石物理力学性质试验，松动圈测试以及地应 力实测结果的基础上， 分析了顺槽变形破坏机理， 通过数值模拟验证支护设计的合理性。 1.2.2 煤巷支护理论研究 （1）国外煤巷支护理论 通过查阅文献，得出国外的煤巷支护的相关理论研究进展见表 1.1. 西安科技大学工程硕士学位论文 4 表表 1.1 国外的煤巷支护的相关理论研究进展国外的煤巷支护的相关理论研究进展 主要理论研究的主要观点 古典压力理论 巷道上方的覆岩载荷作用在支架或者其他支护物的压力， 可以近似 的等同于覆岩的重量γH。 塌落拱理论 坍落拱的高度与顺槽跨度和围岩性质有关。 太沙基认为坍落拱为矩 形， 而普氏则认为坍落拱呈抛物线形。 坍落拱理论的最大贡献是提 出顺槽围岩具有自承能力。 新奥法 控制顺槽围岩稳定不能只依靠提高支护强度， 还应该注重围岩自承 能力，支护结果在顺槽稳定中应该只是发挥辅助作用，要想维持围 岩长时间稳定，必须发挥围岩自承能力。 能量支护理论 从能量守恒方面解释顺槽围岩变形问题。当顺槽开挖后， 原有的能 量平衡状态被打破，导致顺槽周边岩体中的能量发生变化，为了维 持新的能量平衡， 能量从一处转移到另一处，从而达到整个系统的 能量平衡状态。 围岩应变控制理论 从辩证思维的角度，必须考虑围岩变形的允许区间， 从而设计和提 供合理的支护强度，达到有效的支护。 所以应该考虑控制巷道围岩 变形容许值， 可以通过控制巷道支护体系强度来实现，工程