冯家塔煤矿浅埋近距离煤层回采巷道支护参数优化研究.pdf

万方数据 论文题目冯家塔煤矿浅埋近距离煤层回采巷道支护参数优化研究 工程领域矿业工程 工程硕士 韦宝宁 （签名）＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 指导老师肖江（签名）＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 校外导师田建设（签名）＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ 摘要 由于浅埋近距离煤层群冯家塔煤矿原设计方案距离较近的 2、4煤层采用垂向叠加 布置巷道，上位煤层开采持续扰动及两层煤区段煤柱应力叠加的影响，导致下位煤层巷 道受到一定程度的损伤，巷道围岩强度降低，易破裂，需要较高强度的支护。为了避开 区段煤柱应力叠加对巷道的破坏，采用上下煤层巷道错开布置方式。此时，巷道围岩支 承强度与自稳能力增强，原有支护方式就存在过度支护的可能性。 本文通过理论计算、 数值模拟和现场实测等手段对近距离煤层开采条件下巷道布置 和支护体系设计进行了系统研究，获得了 2煤层开采后，4煤层开采过程中回采巷道围 岩的变形规律，并计算得出各层煤巷道支护优化参数。具体研究内容如下 （1）采用围岩力学性质试验，分析了各煤层顶底板及煤的力学性质并对围岩进行 分类； （2）通过钻孔窥视仪探测，确定冯家塔煤矿 2与 4煤层工作面巷道围岩分类均为 III 类一般围岩，宜采用锚杆悬吊理论进行设计，对应的支护方式为“锚杆锚网”支护； （3）通过数值模拟分析得出巷道支护优化后的塑性区范围变小，顶板下沉量也大 大降低，巷道围岩应力减弱，表明优化设计支护方案起到良好的支护效果； （4）通过理论计算得出回采巷道优化后支护参数顶板采用Φ181800mm 型左 旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距 2与 4煤层分别为 11001100mm 与 12001200mm。两 帮采用 161700mm 型，间排距均为 12001200mm； （5）通过现场监测得出采用优化后的支护方案可有效减小巷道围岩变形量，同时 工作面液压支架工作阻力变化也较小。 根据围岩力学性质、松动圈测试结果，结合矿压显现规律以及数值模拟实验对支护 方案的稳定性进行验证，最终确定安全可靠、经济合理的巷道支护参数。解决了冯家塔 1406 工作面巷道支护问题， 为采区支护提供了准确的支护方案， 同时为相似矿井支护设 计提供依据。 万方数据 关 键 词巷道支护；松动圈；数值分析； 研究类型应用研究 万方数据 Subject Study on optimization of support parameters of mining roadway in shallow and close coal seam in fengjiatta coal mine SpecialtyMineralEngineering NameWei Bao-ningSignature ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ InstructorXiao JiangSignature ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ InstructorTian Jian-sheSignature ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ Abstract Because of the original design scheme of Fengjiata Coal Mine of shallow buried and close coal seam group, the roadway is arranged vertically, resulting in the influence of the continuous disturbance of the upper coal seam and the superposition of the stress of the coal pillar in the two layers of the lower coal seam in the 2 and 4 coal seams which are close to each other. The lower coal seam roadway is damaged to a certain extent, resulting in the decrease of surrounding rock strength and easy rupture, and a higher strength support is needed. in order to avoid the damage of the roadway caused by the superposition of section coal pillar stress, the staggered arrangement of upper and lower coal seam roadway is adopted. At this time, the self-stability of the roadway is enhanced, so that the support strength is obviously improved, and the possibility of excessive support exists in the original support mode. In this paper, the 1204 and 1405 working faces in Fengjiata Coal Mine are taken as the research object after the staggered arrangement of the roadway in the upper and lower coal seams. By means of theoretical calculation, numerical simulation and field measurement, the roadway layout and support system design under the condition of close coal seam mining are studied systematically. after mining 2 coal seam, The movement and deation law of strata between goaf and No. 4 coal seam on the surface and No. 2 coal seam, and the optimization parameters of coal roadway support in each layer are calculated. The specific research contents are as follows 1 The mechanical properties of the roof and floor of each coal seam and the coal are analyzed and classified by means of the mechanical properties test of the surrounding rock; 2 Through the detection results of borehole peephole, combined with the actual situation of No. 2 coal seam mining roadway, it is determined that the surrounding rock classification of roadway in No. 2 and No. 4 coal seam face of Fengjiata Coal Mine is III 万方数据 general surrounding rock, which should be designed by bolt suspension theory. The corresponding support mode is “bolt anchor mesh“ support; 3 The optimized supporting parameters extraction tunnel roof adopts Φ18 1800mm l type without longitudinal reinforcement rebar anchor, row spacing between 2 and 4 seam, respectively 1100 1100 mm and 1200 1200 mm . The two sides are of type 16 1700mm, and the row spacing is 1200 1200mm. 4 Through the analysis of the numerical simulation results, the optimized plastic zone range of roadway support in 1402 working face becomes smaller, the roof subsidence is also greatly reduced, and the stress of roadway surrounding rock is weakened, which indicates that the optimal design of support scheme plays a good supporting effect; 5 According to the reasonable working resistance of the working face, the reasonable working resistance is 1786.06kN 8336.47kN, which does not exceed the rated working resistance 8500kN. The results show that the ZY8500/17/ 35D hydraulic support can meet the requirements of the working face of the roof. According to the mechanical properties of surrounding rock, the test results of loosening ring, combined with the law of mine pressure appearance and numerical simulation experiment, the stability of the support scheme is verified, and the safe, reliable, economical and reasonable roadway support parameters are finally determined. The problem of roadway support in Fengjiata 1406 working face is solved, which provides an accurate support scheme for mining area and provides a basis for similar mine support design. KeywordsRoadway support; loosing ring; numerical analysis; ThesisApplication Study 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 选题背景.......................................................................................................................1 1.2 研究意义.......................................................................................................................2 1.3 国内外研究现状...........................................................................................................2 1.3.1 采场矿压理论研究现状....................................................................................2 1.3.2 近距离煤层群开采技术研究现状....................................................................3 1.3.3 近距离煤层群开采工作面矿压显现研究现状................................................3 1.3.4 巷道支护技术研究现状....................................................................................5 1.3.5 巷道支护的优化................................................................................................5 1.3.6 文献评述............................................................................................................6 1.4 主要研究内容...............................................................................................................7 1.5 技术路线.......................................................................................................................7 2 煤层赋存条件及围岩力学参数测试......................................................................................9 2.1 地质条件.......................................................................................................................9 2.1.1 采区概况............................................................................................................9 2.1.2 煤层地质条件..................................................................................................10 2.1.3 近距离煤层工作面位置关系..........................................................................11 2.2 研究背景.....................................................................................................................12 2.3 煤岩体物理力学参数测试.........................................................................................12 2.3.1 煤岩体物理力学参数测试意义......................................................................12 2.3.2 煤岩体物理力学实验研究过程......................................................................12 2.4 围岩参数的测定结果与分析.....................................................................................15 2.4.1 直接顶特性......................................................................................................16 2.4.2 煤数据分析......................................................................................................16 2.4.3 底板数据分析..................................................................................................17 2.5 本章小结.....................................................................................................................17 3 巷道应力分布规律研究........................................................................................................18 3.1 巷道破坏特征数值模拟研究.....................................................................................18 3.1.1 概述..................................................................................................................18 3.1.2 数值计算方法..................................................................................................18 3.1.3 计算模型与力学参数......................................................................................19 3.1.4 数值计算过程分析..........................................................................................19 3.2 巷道围岩松动圈范围测试.........................................................................................22 3.2.1 测试巷道条件概述..........................................................................................22 3.2.2 监测方法..........................................................................................................23 3.2.3 监测断面与布置方式确定..............................................................................25 3.2.4 松动圈测试结果与分析..................................................................................25 3.3 围岩松动圈分类.........................................................................................................41 3.4 小结.............................................................................................................................42 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 II 4 巷道支护方案优化设计........................................................................................................44 4.1 优化方法.....................................................................................................................44 4.2 2煤层工作面巷道支护方案优化设计..................................................................... 44 4.2.1 运输巷道支护设计..........................................................................................46 4.2.2 回风巷道支护设计..........................................................................................48 4.3 4煤层工作面巷道支护方案..................................................................................... 50 4.3.1 运输巷道支护参数..........................................................................................50 4.3.2 回风巷道支护参数..........................................................................................51 4.4 化支护方案数值模拟验证.........................................................................................53 4.4.1 2煤回风巷道优化方案验证..........................................................................53 4.4.2 2煤运输巷道优化方案验证.......................................................................... 54 4.4.3 4煤回风巷道优化方案验证.......................................................................... 56 4.4.4 4煤运输巷道优化方案验证.......................................................................... 57 4.5 冯家塔煤矿现行方案与设计优化方案比较.............................................................59 4.5.1 支护参数比较..................................................................................................59 4.5.2 设计方案经济比较..........................................................................................60 4.6 本章小结.....................................................................................................................60 5 现场应用与分析....................................................................................................................62 5.1 工作面概况.................................................................................................................62 5.2 监测方案.....................................................................................................................62 5.3 矿压观测结果.............................................................................................................63 5.4 结果分析.....................................................................................................................66 5.5 本章小结.....................................................................................................................67 6 结论........................................................................................................................................68 致谢...........................................................................................................................................69 参考文献...................................................................................................................................70 附 录.........................................................................................................................................73 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景 随着采煤方法与采煤工艺的发展，国内外的众多学者针对单一煤层开采的方式、覆 岩运移、矿压规律及回采巷道支护进行了系统的研究，并取得了巨大的进步，然而针对 浅埋近距离煤层群开采的矿压显现规律研究很少，甚至对于近距离煤层群的定义也是不 够详尽的，现有的单一煤层的矿山压力理论并不能很好的解决近距离煤层群的开采问 题，为此我们迫切需要开展此类问题的研究，以便解决生产中存在问题。 在近距离下煤层工作面的各个显著性因素中，除了下煤层厚度为自身固有参数外， 上煤层的基本顶在下煤层开采时已处于断裂状态，其对下煤层的开采主要通过上、下煤 层层岩层间接产生影响，而层间岩层的垮落、失稳是下煤层开采矿压显现规律的直接影 响因素，并且随着层间距以及层间岩层结构的变化，也会改变上煤层基本顶对下煤层的 作用力，因此对于近距离煤层而言，层间岩层结构对下煤层工作面矿压显现规律及支护 具有决定性作用。 图 1.1 近距离煤层支承压力分布规律 以冯家塔煤矿为例，2、4煤层属于近距离煤层，两层煤间距为 6.9m25m，由于上 下位煤层巷道在垂直方向重叠布置，受 2煤层开采的影响，4煤层开采过程中存在着较 为强烈的矿压显现，如在 1402 工作面与回撤通道贯通时出现顶板大面积来压现象，来 压强度剧烈，顶板下沉约 1.3m；1402 工作面与 1201 工作面回采巷道重叠布置，导致回 采巷道片帮比较严重；1403 工作面回风巷道位于 1202 工作面保护煤柱下方，在巷道掘 进过程中矿压显现强烈，两帮破坏严重，甚至局部地区发生冒顶事故，巷道变形量大， 难支护。此类问题已对煤矿的安全生产产生了重大影响。 根据 2煤层遗留区段煤柱对 4煤层巷道的显著影响范围将上下煤柱错距定为 36m 后，巷道避开上下位煤层区段煤柱的应力叠加区，此时巷道现支护方案可能存在过度支 护的问题。本论文将通过一系列的测试与研究，优化采区 1205 与 1406 工作面回采巷道 的支护参数，以保证矿井安全高效生产。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 1.2 研究意义 （1）本文的研究为冯家塔矿井巷道支护设计提供依据 本文将针对冯家塔煤矿的条件，通过一系列的测试与研究，确定合理回采巷道的优 化支护方案，以保证矿井安全高效生产。 （2）本文的研究为工程类比法支护设计的适应性进行评判 根据 2煤层遗留区段煤柱对 4煤层巷道的显著影响范围将上下煤柱错开后， 巷道避 开应力叠加区，此时巷道现支护方案可能存在过度支护的问题。本论文将通过煤岩力学 参数测试测试与相似模拟试验过程中、数值模拟软件等研究，确定合理回采巷道的支护 方案。 （3）本文的研究为相类似矿井开采提供借鉴 通过对冯家塔煤矿浅埋近距离煤层群开采矿压显现规律研究，指导矿井安全高效开 采，不仅能提升冯家塔煤矿开采技术水平，产生巨大的经济和社会效益，同时也能为相 类似矿井开采提供借鉴。 1.3 国内外研究现状 1.3.1 采场矿压理论研究现状 （1）初步研究阶段在 20 世纪 50 年代以前，人们对采场覆结构的认识处于初步 阶段，其成果仅处于假说阶段。比较有代表性的假说有[6] ①压力拱假说这一假设是德国学者 V.Heck 和 R.Old Teczelter 提出的。他们认为， 工作面上覆岩层挤压后形成了一个均衡的拱结构，即“压力拱”。拱结构切断了压力拱 内外岩石的机械连接， 拱结构承受覆岩的重量， 工作面支护只承受拱结构内岩石的重量。 ②悬臂梁假说1928 年德国学者 W.Hack 和 G.Giuitzer 提出了悬臂梁假设，认为顶 板是一种连续介质。第一次塌方后，将工作面前方的煤体看作一端固定在煤壁上的悬臂 梁。能够较好的解释工作面的来压现象。然而，支承压力对顶板的影响并未得到解释， 故对上位岩层的运移与结构破坏的描述并不全面。 ③预成裂隙假说比利时 A.拉巴斯认为，采场周围的应力分布可分为三个区采动 影响区、应力降低区和应力增加区，每个区将随着工作面的推进而向前移动。煤层开采 致使上覆岩体出现裂隙，裂隙发育最终形成假塑性梁。 ④铰接岩块假说T.H.库兹涅佐夫将采场上覆岩层分成垮裂隙和带落带，就裂隙带 而言其裂隙带岩块间存在水平挤压力，岩块断裂后相互铰接，形成交接链；此时，工作 面支架将存在给定变形状态和给定载荷状态两种工作状态。 （2）发展阶段从 20 世纪 60 年代至今，属于采场覆岩结构理论的发展阶段，随 万方数据 1 绪论 3 着采矿技术的发展和地下采矿业的快速发展，采矿过程中的压力、地层控制等诸多问题 需要用成熟的理论和控制方法进行定量分析和指导。国外现阶段对采场覆岩结构的研究 较少，对机械设备的控制和解决更为关注。在国内，为了了解和控制采场压力的规律， 专家学者对采场覆岩结构进行了系统的研究，为理论的发展和完善做出了重要贡献。 成熟理论的代表主要有 ①“砌体梁结构”理论该理论给出了采场上覆岩层周期性破裂后硬岩中平衡结构 形成的条件，并阐述了采场压力及支架与围岩的关系[7-12]。20 世纪 90 年代以后，砌体 梁理论在此基础上取得了重大突破[13-18]。 ②“传递岩梁结构”理论认为老顶岩梁对支护的应力取决于支护对岩梁移动的阻 力，可能存在给定变形和极限变形两种工作模式。给出了支护与围岩关系的状态方程。 这一观点对确定采场巷道和顶板控制设计的合理位置起到了积极的作用[19]。。 1.3.2 近距离煤层群开采技术研究现状 大同煤矿集团公司王雄伟通过研究四台矿 404 盘区下部 11 号层 8423 工作面开采情 况，确定未开采煤层下方巷道的掘进与维护、上煤采空区下巷道的掘进与维护、工作面 推进工程中上煤层采空区下的超前、端头支护技术措施管理及通防综合管理等一系列近 距离煤层群开采技术措施[20]。