郭村煤矿屈服煤柱留设与巷道围岩控制技术研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 李梦远 指导教师 辛亚军 讲师 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 矿山压力与岩层控制 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二二〇〇一七年一七年三三月月 郭村煤矿屈服煤柱留设与巷道围岩郭村煤矿屈服煤柱留设与巷道围岩控制技术研究控制技术研究 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号 TD325 密密 级公开级公开 UDC 622 单位代码单位代码10460 郭村煤矿屈服煤柱留设与巷道围岩控制技 术研究 Study on the size of yield pillar and technique of surrounding rock control in Guocun coal mine 申请人姓名申请人姓名 李梦远 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士 学 科 专 业学 科 专 业 矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 导师导师 辛亚军 职称职称 讲 师 提 交 日 期提 交 日 期 2017年3 月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2017年5 月 河南理工大学 万方数据 万方数据 致致 谢谢 时光荏苒，岁月如梭，不觉间三年研究生生活即将结束。回首往日情景，历 历在目。值此毕业论文完成之际，谨向所有关心、帮助我的人们表示最诚挚的感 谢 首先我要感谢我的导师辛亚军老师，三年时间的生活、学习及研究都离不开 辛老师最无私的关心、帮助。刚开始做实验时对实验仪器不熟悉，辛老师手把手 教我。学术上有不懂的地方向辛老师请教时他总是耐心详细地给我解释。每次离 校时他总会嘱咐我“在外面要注意安全”。自从开始撰写毕业论文，不论开题，还 是后面的实验，他都关心至致。做相似模拟实验时他也抽出宝贵时间指导并帮助 我一块做实验。我的毕业论文他修改的遍数我已记不清了。再此感谢辛老师这三 年来对我的关心及帮助。 感谢我的好同学也是我的好室友贾志明，不论在生活上还是学习上，他都是 我的良师益友，是我学习的榜样。感谢同学鲁义强、董航宇、朱祥意、屠耸、丁 哲等，陪伴我渡过这美好难忘的三年。感谢我的好师弟安定超和郝海春，大家在 一起学习、做实验的日子永不忘。另外我还要感谢程利兴、靳俊晓等对我毕业实 验的帮忙。 感谢河南理工大学以及老师们三年来对我的教导，感谢能源学院 14 级硕士班 全体同学的陪伴。 感谢在百忙之中参与审阅、评议本论文以及参与本人论文答辩的各位老师。 感谢家人对我的关怀与支持，感谢亲戚朋友对我的关心与帮助。 感谢所有关心帮助过我的人，祝你们幸福美满，一切顺利。 李梦远 2017 年 2 月 万方数据 I 摘摘 要要 随着优越煤层开采的逐步枯竭与煤炭资源的减少，三软煤层开采走进人们的 视野，而三软煤层回采巷道围岩变形大、支护成本高与煤柱尺寸大等问题成为制 约三软煤层开采的技术难题。论文针对郭村煤矿煤柱留设尺寸与回采巷道支护条 件，采用现场调研、理论分析、相似模拟与现场工业性试验等方法，较为系统地 研究了屈服煤柱尺寸留设与回采巷道围岩控制之间的关系。主要得到如下结论 （1）三软煤层回采巷道围岩表现为顶板整体下沉、两帮大范围水平移动与底 鼓严重的变形破坏特征，斜顶软煤回采巷道围岩失稳模式分为两帮挤压流动失稳 和顶板压缩错动失稳。 （2）屈服煤柱承载特性表现为两侧塑性破坏后承载能力逐步降低至煤柱完全 屈服后承载能力平稳，但承载能力小于原弹性条件下煤柱承载能力。依据不同尺 寸煤柱的软化与硬化特性，提出了煤柱屈服承载分区临界值概念。 （3）根据煤柱不同塑性区范围将煤柱尺寸划分为巷道与采空区侧应力集中 区没有交汇、巷道与采空区侧应力集中区相接、巷道与采空区侧应力集中区交汇、 巷道与采空区侧应力集中区重叠，确定了区段煤柱与窄煤柱计算公式。 （4）计算出了郭村煤矿屈服煤柱尺寸范围，并确定了实际煤柱留设尺寸，提 出了基于煤柱屈服承载的锚杆（锚索）主动支护多向可缩异梯形棚被动支护的围 岩控制技术，并进行了现场工业性试验，效果显著。 关键词关键词三软煤层；屈服煤柱；回采巷道；控制机理；稳定性 万方数据 万方数据 III Abstract With the gradual depletion of superior coal mining and the reduction of coal resources, three-soft coal seam mining is emerging at a fast pace. However, the problems of large deation, high support cost and large pillar size of the gateway are the technical problems restricting the exploitation of the three-soft coal seam. The size of pillar and the support condition of gateway are discussed in this paper, field investigation, theoretical analysis, similar simulation and field industrial test are adopted, and the relationship between the size of the yielding pillar and the surrounding rock control of the gateway is systematically studied. The main conclusions are as follows The surrounding rock of the gateway in the three-soft coal seam is characterized by the roof overall subsidence, the sides’ horizontal movement and the serious floor deation and failure, surrounding rock instability mode of inclined roof soft-coal gateway is divided into two two-side extrusion rheological instability and roof compression dislocation instability. The bearing characteristics of the yielding pillar show that following the plastic failure on both sides, the bearing capacity decreases gradually till the the pillar is fully yielded when the bearing capacity is stable but less than that under original elastic condition. According to soften and stiffen characteristic of different size pillar, thepillar partition critical value of pillar yield bearing is proposed. According to the different plastic range of pillar, the pillar size is divided into disconnection, connection, overlap, complete overlap of stress close to goaf and gateway. The calculation ulas of stage pillar and narrow pillar are determined. The size of yielding pillar is calculated in Guocun mine, the actual size of the pillar is determined, and the cooperating control technique of active support of anchor bolt anchor cable and passive support of multi-direction contractible abnormal shed is proposed on the basis of coal-pillar yield load, which is carried out, field industrial test by the and the effect is remarkable. Keywords Three-soft coal seam; Yield pillar; Gateway; Control mechanism; 万方数据 Stability 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ............................................................................................................................. I Abstract ...................................................................................................................... III 目目 录录 .......................................................................................................................... V 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出 ............................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................... 1 1.2.1 屈服煤柱留设研究现状 ........................................................................................................ 1 1.2.2 巷道围岩控制研究现状 ........................................................................................................ 3 1.3 研究内容和研究方法 ............................................................................................ 4 1.3.1 研究内容 ................................................................................................................................ 4 1.3.2 创新点 .................................................................................................................................... 5 1.3.3 研究方法与技术路线 ............................................................................................................ 5 2 三软煤巷围岩破坏特征及失稳机制三软煤巷围岩破坏特征及失稳机制 ....................................................................... 7 2.1 工程概况 ................................................................................................................ 7 2.2 回采巷道围岩变形破坏特征 ................................................................................ 9 2.2.1 回采巷道矿压观测 ................................................................................................................ 9 2.2.2 巷道围岩变形破坏特征 ........................................................................................................ 9 2.3 巷道围岩失稳机制 .............................................................................................. 10 2.3.1 巷道布置方式 ...................................................................................................................... 10 2.3.2 巷道失稳机制 ...................................................................................................................... 11 2.3.3 巷道围岩失稳因素分析 ...................................................................................................... 12 2.4 小结 ...................................................................................................................... 13 3 煤柱屈服承载与巷道围岩控制机理煤柱屈服承载与巷道围岩控制机理 ...................................................................... 15 3.1 煤柱屈服承载力学特性 ...................................................................................... 15 3.1.1 煤柱屈服承载思想 .............................................................................................................. 15 3.1.2 煤柱屈服承载力学特性 ...................................................................................................... 17 3.2 煤柱尺寸计算公式确定 ...................................................................................... 19 3.2.1 巷道侧塑性区宽度 .............................................................................................................. 19 3.2.2 采空区侧塑性区宽度 .......................................................................................................... 21 万方数据 VI 3.2.3 煤柱弹性区宽度 .................................................................................................................... 22 3.2.4 巷道围岩稳定的屈服煤柱留设 ............................................................................................ 23 3.3 三软煤层回采巷道围岩控制技术 .......................................................................15 3.3.1 巷道围岩控制原则 ............................................................................................................... 24 3.3.2 巷道围岩控制技术 ............................................................................................................... 25 3.4 小结 .......................................................................................................................26 4 屈服煤柱留设与巷道围岩稳定性关系屈服煤柱留设与巷道围岩稳定性关系 ..................................................................28 4.1 模型与材料 ............................................................................................................28 4.1.1 实验模型 ................................................................................................................................ 28 4.1.2 相似材料 ............................................................................................................................... 28 4.2 监测与加载设计 ....................................................................................................29 4.2.1 监测设计 ................................................................................................................................ 29 4.2.2 加载设计 ................................................................................................................................ 32 4.3 装填与支护 ............................................................................................................33 4.3.1 装填过程 ................................................................................................................................ 33 4.3.2 巷道支护 ............................................................................................................................... 34 4.4 相似模拟结果分析 ...............................................................................................35 4.4.1 巷道围岩裂隙演化规律 ........................................................................................................ 35 4.4.2 巷道围岩移动变形规律 ....................................................................................................... 37 4.4.3 巷道围岩应力变化特征 ........................................................................................................ 39 4.4.4 巷道支架载荷变化特征 ........................................................................................................ 41 4.5 小结 .......................................................................................................................43 5 工程应用工程应用 ..................................................................................................................45 5.1 屈服煤柱留设与支护方案优化 ...........................................................................45 5.1.1 屈服煤柱留设计算 ............................................................................................................... 45 5.1.2 支护方案优化 ....................................................................................................................... 46 5.2 施工工艺及效果评价 ...........................................................................................47 5.2.1 施工工艺 ............................................................................................................................... 47 5.2.2 监测结果分析 ........................................................................................................................ 48 5.3 小结 .......................................................................................................................49 万方数据 VII 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................. 51 6.1 结论 ...................................................................................................................... 51 6.2 展望 ...................................................................................................................... 51 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 53 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 57 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 59 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出 随着煤炭开采技术的进步与现代化矿井的出现，生产集约化与装备重型化使 煤柱屈服失稳与巷道断面尺寸大、应力集中高成为巷道围岩稳定性控制的难题。 众所周知，在巷道围岩控制中是允许两帮煤柱产生屈服承载的，屈服煤柱是 指煤柱受力产生塑性区和弹性区，塑性区丧失承载作用，而弹性区起到承载作用， 弹性区宽度体现了屈服煤柱的承载能力，当弹性核区不存在时，煤柱处于全屈服 状态，全屈服后会出现煤柱的二次承载作用。因此，煤柱的屈服并不代表着煤柱 的破坏或失稳，而不同的煤柱尺寸与锚固方式，煤柱屈服特性（塑性区与弹性区 的宽度）不同，不同应力环境下的屈服特性也迥异[1-2]。本论文基于郭村煤矿屈服 煤柱留设与巷道围岩控制技术的作用机理，以巷道顶板围岩稳定为前提，以煤柱 屈服的最大承载为原则，提高巷道围岩稳定性，合理留设屈服煤柱尺寸，实现屈 服煤柱的最大承载与巷道围岩稳定性控制的协同。因此，开展基于郭村煤矿屈服 煤柱留设与巷道围岩控制技术的研究，将节约巷道支护成本、减少煤炭资源浪费、 加快工作面推进速度，为屈服煤柱合理留设与巷道围岩控制提供新的理论支撑与 技术途径。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 屈服煤柱留设研究现状 由于煤柱尺寸及承载特性是保证巷道围岩稳定的主要因素，因此，对合理煤 柱尺寸留设较多集中在煤柱屈服区宽度计算[3-4]、煤柱稳定力学模型分析[5]、煤柱 失稳判别确定[6]及煤柱在不同条件下应力、位移变化规律[7-8]等方面。近年来，对 不同条件下煤柱尺寸留设及稳定性控制的研究进一步深化与拓展，取得了明显成 效。索永录等[9]分析了煤柱屈服区宽度和煤体极限强度，推导了留设合理宽度的条 带煤柱的计算公式，得出条带开采宽度是影响条带煤柱合理宽度留设的可控参数。 朱建明等[10]根据 SMP 屈服准则以及巷道围岩与采空区侧不同的受力环境，得出了 在这两种情况下的煤柱宽度计算公式，并根据极限平衡理论推导出平面应变下煤 柱塑性区宽度的理论公式。张向阳等[11]基于采动支承应力在煤层底板及前方的传 递规律，采用 FLAC 数值模拟软件对不同开采条件下深部集中动压巷道围岩进行 了模拟分析。焦志超等[12]采用煤柱屈服公式计算煤柱留设尺寸，通过与常规计算 对比分析并用数值模拟进行验证，结果表明屈服公式计算尺寸更加合理且节约资 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 源。徐晓惠等[13]利用经典弹塑性理论，对煤柱本构关系进行推导和简化，采用软 化材料有限元对煤柱承载能力进行了模拟，得到了具有弹塑性软化特点的煤柱承 载能力数值计算。张少杰等[14]研究了工作面回采时，煤体内的应力分布及迁移规 律，揭示了工作面的冲击矿压显现特征。王宏伟等[15]在地质探测基础上构建老窑 破坏区相似模型，分析破坏区内煤柱应力状态受工作面回采动压影响的变化规律。 刘金海等[16]确定了深井特厚煤层综放工作面侧向支承压力分布特征，得出低应力 区、不完整区及合理煤柱的宽度。郑西贵等[17]研究了不同宽度护巷煤柱沿空掘巷 掘采全过程的应力场分布规律，分析了煤柱宽度对沿空掘巷煤柱和实体帮应力演 化的影响。宋义敏等[18]利用煤试件单轴压缩加载实验与煤柱试样变形破坏监测， 分析了煤柱变形局部化产生、演化及煤柱失稳的各阶段特征，进而分析计算得到 了煤柱失稳过程的能量演化规律。王德超等[19]提出一种新型侧向支承压力监测方 法，通过现场应力监测和数值模拟相结合的研究方法确定了区段煤柱合理留设宽 度。冯吉成等[20]研究了深井大采高工作面开采条件下不同煤柱宽度时煤柱两侧塑 性区分布和采掘扰动对巷道变形的影响，得到窄煤柱的合理尺寸。在屈服煤柱尺 寸留设研究方面，余学义等[21]通过对双巷掘进运输顺槽及瓦斯抽放巷之间煤柱的 研究，发现一次采动后的煤柱应力分布呈不对称曲线形态，二次采动后煤柱的应 力分布呈不对称的“马鞍状”，初步确定巷间煤柱优化的范围在 5.2～13.0m 之间， 此外通过数值模拟分别研究二次采动影响下 5 种不同尺寸的巷间煤柱应力演化规 律、弹塑性区变化规律及巷道变形规律，综合考虑各种因素，最终得出大采高双 巷布置工作面的巷间煤柱合理尺寸为 10 m。赵双全[22]通过数值模拟和现场实测手 段对双巷布置工作面宽煤柱留巷矿压规律进行研究。陈苏社等[23]通过数值模拟和 现场实测，研究层间距小于 2 m 的极近煤层煤柱下双巷布置，研究了不同区段煤 柱宽度所适应的双巷布置埋深，从而为工程实践提供一定参考。杨健彬[24]采用数 值计算的方法，分析双巷掘进时尾巷不同宽度和煤柱不同宽度时双巷围岩变形和 应力分布，得出尾巷合理宽度、双巷掘进时煤柱尺寸合理留设。司鑫炎[25]为保证 某矿综采面沿空双巷稳定，研究其沿空煤柱、巷间煤柱合理尺寸，采用 FLAC3D 分别对不同煤柱宽度条件下沿空双巷围岩应力、变形及塑性区分布规律进行模拟 研究，并得出 4m 沿空煤柱及 4m 巷间煤柱条件下，煤柱内应力水平较低，煤柱、 巷道稳定性较好且经济合理。 从上述研究中可以看出，对煤柱稳定性的研究主要是考虑到煤柱的尺寸与煤 柱自身的可控力学参数，也涉及了煤柱的屈服特性，为条带开采及房柱开采煤柱 万方数据 1 绪论 3 稳定研究提供了参考。而对于相邻多煤柱巷道来说，上述研究缺乏煤柱屈服承载 与巷道围岩稳定性之间的关系，研究屈服煤柱与巷道围岩控制技术共同作用将为 回采巷道围岩稳定性控制提供参考与依据。 1.2.2 巷道围岩控制研究现状 锚杆支护现已成为巷道围岩控制的重要手段。传统锚杆支护理论如悬吊理论、 组合梁理论等在一定时期内较好地指导了工程实践，但也仅适于特定条件。而在 这些传统理论的基础上发展起来的支护理论主要有轴变理论[26-27]、围岩松动圈 支护理论[28-30]、围岩强度强化理论[31-33]、关键部位耦合组合支护理论[34-35]、锚杆 支护限制与稳定作用理论[36]、刚性梁（或墙）理论[37-38]及内、外承载结构耦合稳 定原理[39]等。 近年来，由于煤层开采难度的增加，特别是开采深度的增加而使围岩应力环 境复杂化与围岩岩性软化，巷道