济三煤矿大断面巷道快速沿空留巷技术.pdf

分类号分类号TD353密密级级 公公开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学位论文学位论文 济济三三煤煤矿矿大大断断面面巷巷道道 快快速速沿沿空空留留巷巷技技术术 马马 德德 良良 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称矿业工程矿业工程 指指导导教教师师姓姓名名林林 东东 才才职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二〇〇一七年一七年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 济三煤矿大断面巷道济三煤矿大断面巷道 快速沿空留巷技术快速沿空留巷技术 作者姓名作者姓名 马德良马德良入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 矿业工程矿业工程研究方向研究方向矿矿山山压压力力与与岩岩层层控控制制 指导教师指导教师 林东才林东才职职称称 教教授授 副指导教师副指导教师刘心广刘心广职职称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2017 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期2017 年年 6 月月 万方数据 GOB-SIDE ENTRY QUICKLY RETAINING TECHNOLOGY FOR LARGE SECTION ROADWAY IN JINING NO.3 MINE ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Ma Deliang Supervisor Professor Lin Dongcai College of Mining and Safety Engineering Jun 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、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。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，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆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；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；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。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名导师签名导师签名 日日期期日日期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生在规定的学习年限内在规定的学习年限内，， 按照培养方案及个人培养计划按照培养方案及个人培养计划，， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 沿空留巷对于实现煤矿安全高效开采优势突出，是实现煤炭科学开采重要 发展方向。 然而传统沿空留巷技术的施工速度很难满足综采工作面快速的推进。 本文结合济三煤矿开采的技术条件， 进而研究出大断面巷道快速沿空留巷技术。 论文主要研究内容如下 （1）通过对沿空留巷覆岩活动规律深入的分析，将其从巷旁支护阻力、支 护强度、支护宽度和支护方式四个方面研究了沿空留巷巷旁支护的设计原则， 进而使其能够适应沿空留巷覆岩活动规律，从而保证留巷可靠稳定。 （2）针对济三煤矿工作面推进速度很快、巷道断面大、无轨胶轮车运输方 便运输量大等特点，经过研究提出了大断面巷道快速沿空留巷方法。研究了该 方法的施工工艺、顶板控制技术和安全技术措施。 （3）采用 FLAC3D 数值模拟研究了沿空留巷工作面前方和后方的巷道围 岩应力演化规律、巷道变形规律和巷道塑性区的分布规律。模拟结果表明大 型砌块墙留巷方式能够保证巷道的稳定性。 （4）在济三煤矿 183 上04 工作面辅助运输巷进行了大断面巷道快速沿空 留巷技术工业性试验，并对留巷效果进行了矿压分析以及观测。结果表明沿 空留巷速度显著提高，保留巷道能够满足生产要求。 关键词关键词 大断面巷道；快速留巷；巷旁支护；数值模拟；大型砌块 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 II ABSTRACT Along the empty left lane, as well as to realize the high-efficient exploitation of coal mine safety is to realize the important development direction of coal mining science. However, the traditional technique of along the empty left lane construction speed is difficult to meet the requirements of rapid advance of fully mechanized working face. In this paper, combined with the mining technology conditions of three coal mines, large section roadway along the empty left lane technology quickly. The main research contents was as follows. 1 On along the strata movement rule for in-depth analysis, on the basis of support resistance from the lane width, the strength of supporting, supporting and supporting four aspects to study the near along the lane for supporting the design principles, enable it to adapt for the strata movement rule, guarantee for stable and reliable. 2 For the three economic coal mining working face advancing quickly, large cross section of roadway, transportation convenient traffic big rubber-tyred car etc, put forward the for rapidly along the heavy seciton tunnel. Studies the construction technology, the technology of roof control technology and safety technical measures. 3 Along the empty left lane was studied by FLAC3D numerical simulation of the roadway surrounding rock stress evolution rule of front and rear part of the working face, the law of roadway deation and the plastic zone of roadway distribution rule. Simulation results show that the way for large block wall can ensure the stability of the roadway. 4 In the three economic of the No.183U04 working face of coal mine auxiliary transportation lane in the big cross section of roadway quickly along the technology for industrial test, and observed the effect of the left lane, and analysis. The results show that along the empty left lane speed significantly increased, retain roadway can satisfy the production requirements. Keywords Large section roadway；Rapid left lane；roadside support；The numerical simulation；Large block 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 III 目目录录 摘摘要要.........................................................................................................I 目目录录......................................................................................................III 1 绪绪 论论...................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义....................................................................................................1 1.2 国内外研究现状及存在问题................................................................................2 1.3 主要研究内容........................................................................................................7 1.4 技术路线................................................................................................................8 2 沿空留巷覆岩活动规律与巷旁支护设计沿空留巷覆岩活动规律与巷旁支护设计...........................................9 2.1 沿空留巷覆岩分期活动规律................................................................................9 2.2 沿空留巷巷旁支护设计......................................................................................11 2.3 本章小结..............................................................................................................15 3 大断面巷道沿空留巷数值模拟大断面巷道沿空留巷数值模拟..........................................................16 3.1 数值模拟模型的建立..........................................................................................16 3.2 沿空留巷期间工作面前方围岩特征..................................................................18 3.3 沿空留巷期间工作面后方围岩特征..................................................................25 3.4 本章小结..............................................................................................................32 4 大断面巷道快速沿空留巷技术大断面巷道快速沿空留巷技术..........................................................34 4.1 大断面巷道快速沿空留巷方法..........................................................................34 4.2 大型砌块墙巷旁支护结构..................................................................................35 4.3 大断面巷道快速沿空留巷技术施工工艺..........................................................38 4.4 大断面巷道快速沿空留巷顶板支护设计..........................................................45 4.5 留巷施工质量控制及安全技术措施..................................................................47 4.6 本章小结..............................................................................................................54 5 工程应用效果分析工程应用效果分析..............................................................................55 5.1 沿空留巷试验方案..............................................................................................55 5.2 沿空留巷矿压观测目的及方案..........................................................................58 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 IV 5.3 183上04 工作面沿空留巷效果分析....................................................................59 5.4 沿空留巷效果总结..............................................................................................67 6 主要结论与展望主要结论与展望..................................................................................69 6.1 主要研究结论......................................................................................................69 6.2 展望......................................................................................................................70 参考文献参考文献..................................................................................................71 致致谢谢...................................................................................................... 74 作者从事科学研究和学习经历简介作者从事科学研究和学习经历简介..................................................... 75 攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况.........................................76 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V Contents Abstract.......................................................................................................................I Contents....................................................................................................................III 1Introduction..........................................................................................................1 1.1 Research Background and Significance.............................................................1 1.2 Domestic and Foreign Research Present Situation and Existing Problems....... 2 1.3 Research Main Contents.....................................................................................7 1.4 Research Technical Route..................................................................................8 2 Gob Overburden Rock Activity Law and Roadway Support Design................9 2.1 Distribution Law of Overlying Strata in Gob Side Entry Retaining..................9 2.2 The Roadside Support Design..........................................................................11 2.3 Summary of This Chapter................................................................................ 15 3Numerical Simulation of Large Section Roadway Along the Empty Left Lane.......................................................................................................................16 4.1 The Establishment of The Numerical Simulation Model.................................16 4.2 Along the Empty Left Lane During Working Face in Front of the Characteristics of Surrounding Rock..................................................................... 18 4.3 AloBehind the Characteristics of Surrounding Rock.......................................25 4.4 Summary of This Chapter................................................................................ 32 4Gob Side Entry Retaining Technology in Large Section Roadway.............. 34 3.1 Gob Side Entry Retaining for Large Section Roadway......................34 3.2 Large Block Wall Driftside Supporting Structure............................................35 3.3 Construction Technology of Large Cross Section Tunnel Rapid Gob Side Entry Retaining Technology............................................................................................ 38 3.4 Roof Support Design of Large Section Roadway Along Gob Side Entry....... 45 3.5 Construction Quality Control and Safety Measures of Retaining Roadway....47 3.6 Summary of This Chapter................................................................................ 54 5Engineering Application Effect Analysis.........................................................55 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VI 5.1 Along the Empty Left Lane Test Plan..............................................................55 5.2 The Purpose and Plan of The Observation of Gob Side Entry Retaining Pressure.................................................................................................................. 58 5.3 No.183U05 Working Face Gob-side Entry Retaining Effect Analysis............59 5.4 Gob-side Entry Retaining Effect Summary......................................................67 6Main Conclusions and Expectation..................................................................69 6.1 Main Conclusions.............................................................................................68 6.2 Expectation.......................................................................................................70 References.................................................................................................................71 Acknowledge.............................................................................................................74 Main Work Achievement of the Author during Working on Master Paper......75 Academic achievements and awards obtained during the study.........................76 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1绪绪 论论 1.1研究背景及意义研究背景及意义 能源是人类赖以生存的物质基础和推进现代化生产的主要动力，能源安全 是国家经济安全的基本支撑。2016 年中国煤炭消费 43.6 亿吨标准煤，占一次能 源消费总量近七成。并在 2016 年煤炭行业化解过剩产能 2.5 亿吨，完成去产能 任务。随着化解过剩产能任务的完成，也带动了市场供需形势的平衡，由过去 的严重失衡到现在的基本平衡，并在供给侧结构性改革的背景下，持续推进煤 炭去产能实现煤炭持续健康发展的必经之路，所以煤炭在我国的一次能源生产 与消费中还是会长期占主导地位，今后相当长时期仍将是基础能源[13]。相对于 我国庞大的人口数量，尽管煤炭资源储量较为丰富，但是人均占有量相对较低， 仅为世界平均水平的左右，所以我国仍然是能源紧缺国家。为满足我国未来经 济的快速发展，必须合理地规划、开发煤炭资源，煤炭开采既要做到安全高效， 又要努力提高资源的回收率，实现煤炭工业的可持续发展[46]。 工作面巷道牢固的支护是实现矿井安全、高效的必备条件，随着矿井产量 和机械效率的不断提高，传统的留煤柱的开采工艺越来越不能满足工作面采掘 接替的需要，而沿空留巷成为了煤矿开采技术的一项重大改革，我国沿空留巷 技术发展始于 20 世纪 50 年代，巷旁支护经历了矸石墙、密集支柱、砌块、高 水材料以及高强混凝土材料的发展过程，巷内支护形式由木棚支护和工字钢梯 形支架支护演变到型钢可缩性金属支架支护和锚梁网索支护，工程应用由薄煤 层、中厚煤层到厚煤层开采[79]。沿空留巷是沿采空区边缘将本工作面回采巷道 保留下来， 实现 Y 型通风、 下区段回采等功能的回采巷道布置方式和控制技术。 沿空留巷取消了煤柱，实现无煤柱连续开采，降低巷道掘进率、缓解采掘接替 矛盾，优化开拓开采布局，因此消除了煤柱上下区域的集中应力，所以说它是 煤炭资源绿色、安全、高效的开采技术之一。并且对于实现矿井安全高效生产、 提高矿井技术经济效益以及增加社会效益都发挥着十分显著的作用。但沿空留 巷围岩变形量大、维护周期长、破坏范围大、变形量大且不均匀，常常因锚杆、 锚索的延伸量不足而破断或者因支护强度不足而发生顶板整体性垮冒事故，导 致留巷失败，巷内支护还未得到很好的解决[1012]。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 近年来，在我国广大科研工作者和现场技术人员的努力下，沿空留巷技术 取得了长足的发展，各种留巷技术涌现，但往往面临着留巷速度不能满足工作 面快速推进要求的困境，因此，解决传统沿空留巷所遗留的问题，探索一种新 型快速沿空留巷技术使其真正发挥其应有的作用十分必要并具有重大意义 [1315]。本论文针对济三煤矿大断面巷道快速沿空留巷技术进行了深入的研究， 其研究成果可为其它具有类似条件的矿井实施沿空留巷提供宝贵经验。 1.2国内外研究现状及存在问题国内外研究现状及存在问题 1.2.1国内研究现状国内研究现状 1.2.1.1 沿空留巷理论研究 我国在沿空留巷理论和技术研究方面已经做了大量的工作，并在条件较好 的薄及中厚煤层采煤工作面的沿空留巷技术已日臻完善，巷旁支护巷内支护以 及煤帮加强支护技术已趋成熟，但在条件困难的中厚煤层和厚煤层较大的断面 巷道中所采用的沿空留巷技术仍存在着一些技术难题，使得一些矿井在对沿空 留巷技术的应用时并没有取得预期的效果，甚至留巷失败，进而限制了我国沿 空留巷技术更加广泛的推广以及应用。目前我国对沿空留巷的理论研究有 李化敏教授[16]对沿空留巷顶板岩层的运动过程以及变形特征进行了分析， 确定了在顶板岩层运动的各阶段巷旁支护的作用，并确定了各阶段巷旁支护支 护阻力设计原则。 陈勇教授[17]通过对沿空留巷巷内支护技术的深入研究，分析了巷内支护与 围岩变形和应力分布两者之间的关系，从而进一步到了沿空留巷的应用原理， 即使用相比较高阻力的让压支护， 进而提高沿空留巷围抗变形能力及承载能力， 从而去适应沿空留巷阶段性的围岩大变形所产生的阶段应力。 林东才、魏夕合等[18]通过对深井膨胀型软岩底板沿空留巷底鼓类型及变形 机理的深入研究，并且对所处在深部软岩底板的沿空留巷底鼓的特征和力源进 行了分析，从而进一步得出到不同类型的底鼓所起到的阶段性的作用也有所不 同，并通过填充体的承载历史和应力路径将其底鼓分为成了四种底鼓类型，对 研究地处深部沿空留巷的底板控制提供了重要依据。 华心祝教授[19]通过研究我国沿空留巷巷内和巷旁支护形式及其理论研究现 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 状，分析并指出了沿空留巷在我国所存在的问题，较目前来讲所存在的问题包 括沿空留巷在支护设计的思路方向的不合理，大多数的沿空留巷的巷内支护都 处于被动状态，并且在巷旁支护中的沿空留巷的围岩与其力学性能相互之间不 协调，还包括对沿空留巷的控制研究机理相对来说了解的不够透彻，并且在对 沿空留巷技术发展的建议上提出了应该将沿空留巷技术视为一项系统工程，以 采用锚网索支护作为沿空留巷内基本支护的这样的一个沿空留巷的技术。 韩昌良[20]针对大采高沿空留巷的顶板运动特征，提出了巷旁复合承载结构 的概念，通过力学分析，揭示了巷旁结构的稳定机理。通过研究分析出了顶板 所处的压力应该由顶板底板及墙体三者共同承载，即形成了所谓的“顶墙底 “复合承载结构。 柏建彪教授[21]通过在对综述巷旁支护技术发展历程的基础上进行研究，并 且提出了膏体材料巷旁充填沿空留巷这种较为高质量且新颖的巷旁充填技术; 通过研究沿空留巷顶板破断垮落的特性，从而建立了膏体材料巷旁充填沿空留 巷的相关的力学模型，进而提出了膏体材料巷旁支护体主要参数，并且得出了 其主要参数的确定方法， 并将研究结果与结论可进一步用到工程实践与应用中。 文志杰[22]通过对沿空留巷支撑体系的深入研究，通过分析其支撑体系的力 学并建立了支撑体系力学方程，从而得出了沿空留巷顶板下沉量和巷旁支护充 填体压缩量，从而限定了支护体的有效作用条件。并通过对现场实例进行理论 验证和实际验测，得出了现场理论验证与实际验测的一直，从而证明了采场顶 板控制理论在工程实际应用中的可行性，研究结果与结论可进一步应用到工程 实践中。