城郊煤矿高应力煤层大巷快速掘进工艺及应用.pdf

工程硕士学位论文 城郊煤矿高应力煤层大巷快速掘进工艺及应用 Rapid tunneling technology and application of high-stress coal seam roadway in chengjiao coal mine 作 者董广乐 导 师姚强岭 教授 中国矿业大学 二〇二〇年七月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的 学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文 的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可 以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的，学 校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园 网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生 学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书）。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD3 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 城郊煤矿高应力煤层大巷快速掘进工艺及应用 Rapid tunneling technology and application of high-stress coal seam roadway in chengjiao coal mine 作 者 董广乐 导 师 姚强岭 申请学位 工程硕士专业学位 培养单位 矿业工程学院 学科专业 矿业工程 研究方向 井巷工程 答辩委员会主席 马立强 评 阅 人 盲审 二○二○年七月 万方数据 致谢致谢 感谢中国矿业大学给我这个宝贵的学习机会，让我有机会提高自身的素质和 能力；感谢我工作集团公司的领导，让我可以从繁忙的工作中抽身出来，有时间 和机会提升自我；感谢我的导师姚强岭教授，是你的指导和在我研究遇到困难时 及时的帮助为我的研究生论文提供了巨大的帮助；感谢课题组的博士们和硕士 们，各位师兄和师弟为我的研究生论文的完成提供了巨大的帮助；最后要感谢我 的家人们，是你们无私的奉献和对我的照顾，帮助我解决了生活和情感方面的问 题，让我更加无所顾忌的投身到科学研究的道路上。 回首过去几年的学习时光，作为在职研究生的辛酸是不值得一提的，让我始 终怀念的唯有课题组的温暖和导师明灯一般的作用，姚强岭老师为人务实、做事 雷厉风行，这为我的职业生涯提供了很好的榜样作用。课题组博士师兄和硕士师 弟们对于科学研究的激情也点燃了我一个已经工作的技术人员的研究热情，我相 信经过研究生的培养，今后的我可以在工作岗位上为我国采矿事业贡献出更多的 力量。 在致谢的最后部分我要向在百忙之中参与审阅、评议本论文的各位老师、向 参与本人论文答辩的各位老师表示由衷的感谢人生的每个阶段都值得好好珍 惜，这段美好岁月，因为有你们的关心和帮助，我走的很顺利。我会更加努力工 作， 认真研究， 我想这也是我能给你们最好的回报吧。 把最美好的祝福献给你们， 愿永远健康、快乐 董广乐 2020.06 万方数据 I 摘摘 要要 随着能源消耗的不断增加， 社会生产中对于煤炭资源的需求也是在不断加大 的，采掘失衡这个问题困扰着许多矿井的生产。煤矿生产活动中，提高煤层巷道 的掘进速度的需求一直存在着。随浅部煤炭资源的消耗，如今许多煤矿都面临煤 炭深部开采的难题， 如何将这两个问题在一定程度上进行合理处理也是现在研究 的热点问题。 本文以城郊煤矿二水平回风大巷反掘段为研究对象， 采用因素分析的方法确 定了高应力下煤巷掘进速度的影响因素为掘进设备、地质条件、组织管理和支护 参数。 通过实验室实验的方法， 确定了巷道围岩的力学性能； 通过数值计算方法， 研究了高应力对于煤巷变形的影响程度；通过数值模拟对巷道形状、巷道宽高比 以及支护参数进行了优化； 通过现场考察对巷道掘进过程中的生产组织管理的环 节进行了优化。 通过对煤巷掘进关键因素的优化， 形成了适用于城郊矿二水平的高应力影响 下的煤巷快速掘进的支护方案。 并在进行工业性应用时通过现场观察发现掘进工 作面生产组织时存在的问题，提出了有助于提高掘进速度的整改的意见。 基于以上研究成果，提高了城郊矿煤巷掘进的掘进速度，在实际应用中效果 良好，掘进速度得到明显提升。本论文为巷道掘进方面提供了一定的借鉴意义， 推广煤巷掘锚支护一体化机组的使用，对平衡采掘关系，提高巷道掘进速度，为 煤碳资源向深部开发发挥了积极作用。 论文包含图 36 幅，表格 21 个，参考文献 72 篇。 关键词关键词煤巷；快速掘进；数值模拟；工艺优化；掘锚护一体化 万方数据 II Abstract With the continuous increase of energy consumption, the demand for coal resources in social production is also increasing. The problem of mining imbalance has troubled the production of many mines .In the coal mine production activities, the demand of increasing the driving speed of coal roadway always exists. With the consumption of shallow coal resources, many coal mines are now faced with the difficult problem of deep coal mining. How to deal with these two problems reasonably to a certain extent is also a hot issue in current research. In this paper, the backbreaking section of the second horizontal return air roadway in suburban coal mine is taken as the research object, and the factors affecting the driving speed of coal roadway under high stress are determined by means of factor analysis, including driving equipment, geological conditions, organization and management, and support parameters. The mechanical properties of roadway surrounding rock were determined by laboratory experiments. The influence of high stress on coal roadway deation was studied by numerical . The roadway shape, roadway width to height ratio and support parameters were optimized by numerical simulation. The production organization and management in the process of roadway excavation were optimized through field investigation. Through the field investigation, the production organization and management in the process of roadway driving are optimized. Through the optimization of the key factors of coal roadway driving, a support scheme for fast driving of coal roadway under the influence of high stress in the second level of suburban mine is ed. During the industrial application, the existing problems in the production organization of the tunneling working face were found out through field observation. Based on the above research results, the tunneling speed of suburban coal roadway is improved, which has a good effect in practical application, and the tunneling speed is significantly improved. This paper provides a certain reference significance for roadway tunneling, popularizes the use of the integrated unit of coal roadway tunneling and anchoring, balances the mining relationship, improves the tunneling speed, and plays a positive role in the deep development of coal resources. The thesis contains 36 pictures, 21 tables, and 72 references. Keywords rock roadway; rapid excavation; process coordination; mechanized operation line 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 I 目目 录录 III 图清单图清单 VII 表清单表清单 X 1 绪论绪论 1 1.1 问题的提出 1 1.2 国内外研究现状 3 1.3 主要研究内容 8 1.4 研究技术路线 9 2 工程地质特征工程地质特征 10 2.1 工程地质概况 10 2.2 煤岩体力学性质测试 12 2.3 本章小结 16 3 高应力煤层大巷围岩变形破坏特征及影响因素研究高应力煤层大巷围岩变形破坏特征及影响因素研究 18 3.1 煤层大巷快速掘进影响因素分析 18 3.2 地应力分布规律 19 3.3 围岩松动圈测试 22 3.4 本章小结 27 4 城郊煤矿煤层大巷快速掘进工艺优化城郊煤矿煤层大巷快速掘进工艺优化 28 4.1 巷道断面形状优化 28 4.2 支护技术参数优化 32 4.3 掘进与支护工艺组织优化 42 4.4 本章小结 47 5 工业性试工业性试验验 48 5.1 巷道围岩支护技术方案 48 5.2 矿压显现规律实测 49 5.3 本章小结 53 万方数据 IV 6 主要结论主要结论 55 参考文献参考文献 56 作者简历作者简历 60 学位论文原创性声学位论文原创性声明明 61 学位论文数据集学位论文数据集 62 万方数据 V Contents Abstract ........................................................................................................................ Ⅱ Contents ....................................................................................................................... V List of Figures ........................................................................................................... VII List of Tables ................................................................................................................ X 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Questions raised ....................................................................................................... 1 1.2 Research Status and Development of Rock Roadway Rapid Driving at Home and Abroad............................................................................................................................ 3 1.3 Main research contents ............................................................................................ 8 1.4 Research Technical Route ........................................................................................ 9 2 Engineering geological characteristics .................................................................. 10 2.1 General situation of Engineering ........................................................................... 10 2.2 Testing of mechanical properties of coal and rock mass ....................................... 12 2.3 Brief Summary ....................................................................................................... 16 3 Study on deation and failure characteristics and influencing factors of roadway surrounding rock in high stress coal seam ............................................... 18 3.1 Analysis on influencing factors of coal seam roadway driving ............................. 18 3.2 Analysis of the influence of blasting technology and support ............................... 19 3.3 Detection of cracks in surrounding rock structure ................................................. 22 3.4 Brief Summary ....................................................................................................... 27 4 Rapid tunneling technology optimization of coal seam roadway in suburban coal mine ..................................................................................................................... 28 4.1 Shape optimization of roadway section ................................................................. 28 4.2 Optimization of supporting technical parameters .................................................. 32 4.3 Optimization of tunneling and support process organization ................................ 42 4.3 Brief Summary ....................................................................................................... 42 5 Industrial test of high stress coal roadway in Chengjiao Mine ........................... 48 5.1 Technical scheme of roadway surrounding rock support ....................................... 48 5.2 The law of ore pressure is measured ...................................................................... 49 5.3 Brief Summary ....................................................................................................... 53 万方数据 VI 6 Main conclusions ..................................................................................................... 55 References ................................................................................................................... 56 About the Author ....................................................................................................... 60 Declaration of Thesis Originality ............................................................................. 61 Thesis Data Collection ............................................................................................... 62 万方数据 VII 图清单图清单 图序号 图名称 页码 图 1-1 研究的技术路线 9 Figure 1-1 Technology Roadmap 9 图 2-1 巷道位置图 10 Figure 2-1 Roadway location map 10 图 2-2 煤层顶底板柱状图 11 Figure 2-2 Histogram of seam roof and floor 11 图 2-3 顶底板岩层及煤层岩芯试样照片 13 Figure 2-3 Photos of top and bottom rock and coal seam core samples 13 图 2-4 煤岩块标记与分类 13 Figure 2-4 Marking and classification of coal rocks