利民煤矿大断面巷道围岩变形控制技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 利民煤矿大断面巷道围岩变形控制技术研究 英文题目英文题目 Study on Control of Surrounding Rock Deation of Large Section Roadway of Limin Coal Mine 学位类学位类别别 工程硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 严晓楠 学号学号201202486 学科学科 领域领域 名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 张金山 职称职称 教 授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2014 年 6 月 6 日 分类号分类号 TD3TD35353 密密 级级 公开公开 U D CU D C 学校代码学校代码 1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 目前，我国一次性能源结构之中，煤炭依然占据主要地位，而且在今后很长的 一段时期，煤炭将依然是我国最为主要的能源。我国煤炭开采大多为井工开采，随 着我国煤矿开采规模不断加大，开采强度显著增加，综合机械化采煤技术得到很好 的发展，厚煤层综合机械化放顶煤技术以及中厚煤层一次采全高技术受到广泛的推 广和应用，因此巷道的断面要求越来越大。更大的巷道断面使得支护起来更加的困 难。 本文以利民煤矿Ⅱ0116 采区辅运上山围岩变形控制为工程背景，采用动态理论 设计法，通过理论分析、FLAC3D 数值模拟、现场监测等方式，对大断面巷道围岩 变形控制技术进行了比较系统的研究。所做工作如下对大断面巷道的围岩变形破 坏机理、破坏特征和破坏原因进行分析，并且研究了支护对围岩稳定性的影响作 用，并得出围岩稳定性控制的基本原则。根据围岩的力学特性和应力状态采取相应 的支护措施，改善围岩的应力分布状态，控制围岩的变形趋势，保持围岩的稳定； 从利民煤矿现场取样，在岩石力学实验室内进行煤岩物理力学实验，得出Ⅱ0116 采 区辅运上山所在煤层及其围岩的物理力学性质参数，包括密度、抗压强度、抗拉强 度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和内聚力，并通过计算得到弹性模量和剪切模 量；根据利民煤矿煤层及岩层物理力学性质参数，通过工程类比和理论计算为 Ⅱ0116 采区辅运上山设计出 4 套不同的初始巷道支护方案；使用 FLAC3D 数值模拟 软件对Ⅱ0116 采区辅运上山掘进支护过程进行模拟，分别模拟开挖不支护情况和 6 套支护方案。对模拟出的围岩塑性区分布和顶底板及两帮垂直水平位移图进行分析 对比，最终确定最优支护方案；工程现场对顶底板离层、巷道围岩变形和锚杆受力 情况进行实时监测，发现顶底板离层较小，巷道围岩变形逐渐趋于稳定，锚杆受力 始终处于合理范围以内，验证了联合支护的合理性，说明所选方案，支护参数设计 合理。 关键词大断面；煤巷围岩控制；FLAC3D 模拟；现场监测 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract At present, Coal remains dominant in chinas primary energy structure, and it will be chinas main energy source in the future for a very long time. Most coal mining in our country is underground mining. With the increasing scale of coal mining and the raising mining intensity , mechanized coal mining technology has been well developed, comprehensive mechanized top-coal caving technology in thick coal seam and mining overall height technology in the medium-thick coal seam have been widely promoted and applied. Therefore roadway cross-section requires increasingly greater, Larger roadway section makes it more difficult to support. Based on the surrounding rocks deation control of auxiliary transporting rise in mining district 0116Ⅱ in Limin coal mine, this paper systematically research deation control technology in large section roadway with theoretical analysis, numerical simulation for FLAC3D, site monitoring and other ways to study according to design of dynamic theory. The main contributions are as followsBy analysing surrounding rock deation failure mechanism , damage characteristics and damage reasons in large section roadway and studing the effects on stability of surrounding rock of supporting ,then came to the basic principles of surrounding rocks stability control. Take some corresponding supporting measures according to the mechanical characteristics and stress state of surrounding rock to improve the state of surrounding rock stress distribution and to control surrounding rock deation trend, in order to maintain the stability of surrounding rock; do coal and rock physical mechanical experiments experiments in rock mechanical laboratory with the samples taken from Limin coal mine site, then came to the physical mechanical property parameters including density, compressive strength, tensile strength, elastic modulus, Poisson’s ratio, within friction corner and cohesionof coal seam and its surrounding rock where auxiliary transporting rise in mining district 0116Ⅱ.and get elastic modulus and shear modulus through calculation. Work out 4 different initial 内蒙古科技大学硕士学位论文 III roadway supporting schemes for auxiliary transporting rise in mining district 0116Ⅱ by analogy and theoretical calculations based on coal seam and rock’s physical mechanical property parameters of coal mine; By FLAC3D software, numerical simulations of excavation supporting process of auxiliary transporting rise in mining district 0116Ⅱ is carried out with excavation not supporting conditions and 6 sets of supporting schemes, eventually determinesed optimal supporting programme through analysis comparison of the distribution of plastic zone of surrounding rock and and top backplane and the two help vertical level displacement diagram simulated out; According to the real-time monitoring on top floor separation, roadway deation and anchor the forces in engineering scene， find that roof and floor separation is small, roadway deation gradually stabilized, and the force is always in the anchor within reasonable limits, this verifies the reasonableness of the combined support, indicating the rational design of selected program and supporting parameters. Keywords Large Section; Coal Roadway Surrounding Rock Control; Simulation of FLAC3D ; Field Monitoring 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 目目 录录 摘 要................................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................................II 1 绪论....................................................................................................................................1 1.1 课题背景及研究的意义.........................................................................................1 1.1.1 课题背景.......................................................................................................1 1.1.2 研究的意义...................................................................................................2 1.2 国内外相关研究现状..............................................................................................3 1.2.1 国外大断面煤巷围岩变形控制技术研究现状............................................3 1.2.2 国内大断面煤巷围岩变形控制技术研究现状............................................6 1.3 研究内容与研究方法..............................................................................................8 1.3.1 研究内容........................................................................................................8 1.3.2 研究方法........................................................................................................8 1.3.3 技术路线........................................................................................................8 2 利民煤矿工程地质概况..................................................................................................10 2.1Ⅱ0116 采区辅运上山地理位置及断面特征........................................................10 2.2 巷道围岩岩性特征................................................................................................10 2.3 巷道地质条件........................................................................................................12 2.4 本章小结................................................................................................................12 3 岩石力学实验..................................................................................................................13 3.1 实验内容................................................................................................................13 3.2 取样及加工............................................................................................................13 3.3 岩样物理力学性质参数测试................................................................................14 3.3.1 密度测定实验..............................................................................................14 3.3.2 单轴压缩以及变形实验..............................................................................14 3.3.3 劈裂实验......................................................................................................16 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 3.3.4 抗剪实验......................................................................................................17 3.3.5 剪切模量和体积模量..................................................................................17 3.4 岩石力学参数........................................................................................................18 3.5 本章小结................................................................................................................18 4 大断面巷道围岩变形原理..............................................................................................19 4.1 巷道围岩破坏机理................................................................................................19 4.2 大断面巷道围岩破坏影响因素分析....................................................................21 4.3 大断面巷道围岩破坏特征....................................................................................28 4.4 巷道围岩稳定性破坏原因分析............................................................................29 4.5 支护对围岩稳定性的作用分析............................................................................31 4.6 巷道围岩稳定性控制原则....................................................................................33 4.7 本章小结................................................................................................................34 5 支护参数设计..................................................................................................................36 5.1 初步支护方案设计................................................................................................36 5.1.1 顶板锚杆锚固长度的确定..........................................................................37 5.1.2 两帮锚杆锚固长度的确定..........................................................................38 5.1.3 锚索锚固长度的确定..................................................................................38 5.1.4 支护方案......................................................................................................39 5.2 数值模拟................................................................................................................40 5.2.1FLAC3D 软件简介.......................................................................................40 5.2.2 数值模拟的目的..........................................................................................41 5.2.3 数值模型的建立..........................................................................................42 5.2.4 材料参数赋值..............................................................................................43 5.2.5 模拟结果分析..............................................................................................44 5.3 本章小结................................................................................................................52 6 煤巷锚索联合支护现场监测..........................................................................................54 6.1 监测方案................................................................................................................54 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 6.2 监测数据分析........................................................................................................54 6.2.1 巷道顶板离层监测数据分析......................................................................54 6.2.2 巷道表面变形分析......................................................................................55 6.2.3 锚杆受力情况分析......................................................................................57 6.3 本章小结................................................................................................................58 7 结论..................................................................................................................................59 参考文献.............................................................................................................................61 在校研究成果.....................................................................................................................66 致 谢.............................................................................................................................67 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1绪论绪论 1.1 课题背景及研究的意义课题背景及研究的意义 1.1.1 课题背景课题背景 目前，我国一次性能源结构之中，煤炭依然占据主要地位，我国国民经济结构 之中，煤炭工业处于十分重要的地位。在今后很长的一段时期，煤炭将依然是我国 最为主要的能源。 中国的煤炭开采主要是采用地下井工开采，巷道的工程量十分的巨大。受到开 采地质条件复杂性的影响和服务年限之内采动的影响，煤矿巷道支护尤其是大断面 软岩巷道支护十分困难。在煤炭开采过程中寻求一种经济合理的开采方式，以便在 获得最大的经济效益，同时使我们生存居住的环境得到有效的保护，围岩控制、巷 道支护技术的重要性不言而喻。煤矿开采过程之中，巷道支护技术十分关键，将巷 道布置于煤层之内，可以提高经济效益并且取得更加好的环境效果，如今 80以上 的大型矿井均采用煤巷。采用煤巷可以有效的加快巷道的掘进速度，降低大量的资 金以及人力物力投入，使得煤矿高效且高产，同时煤矸石的排出量大大减小，有效 的控制了煤矿对地面造成的环境污染程度。然而，煤巷的围岩强度一般远远低于岩 石巷道的围岩强度，并且比较破碎，故煤巷支护比较困难的情况普遍存在。近年 来，我国煤矿开采规模不断加大，开采强度显著增加，综合机械化采煤技术得到很 好的发展，厚煤层综合机械化放顶煤技术以及中厚煤层一次采全高技术受到广泛的 推广和应用，因此巷道的断面要求越来越大。更大的巷道断面可以使得回采工作面 采用大型的开采设备，可以显著的增大开采强度，提高煤炭产量，可以更好的进行 运输和通风，可以更好的保证行人安全[3]。当前，某些大型煤矿矿井回采巷道已然 采用了 5～6m 的宽度，断面横截面积更是达到了 15～20m2，甚至更大；开切眼的 跨度已然达到 10m，断面横截面积已然达到了 40m2，甚至更大[4]。更大的巷道断面 使得支护起来更加的困难，尤其是煤层比较松软和矿井开采深度比较大的情况之 下，对大断面巷道进行支护更加的困难。大断面煤岩巷道支护困难的问题已经十分 突出，安全高效的进行煤矿开采已然受到了十分严重的影响，越来越多的人们已经 开始重视这个问题。如何采用锚杆支护对大断面煤巷围岩变形进行有效的控制，已 经成为一个新的研究课题。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 例如神华集团乌海能源公司利民煤矿Ⅱ0116 采区辅运上山，为掘进煤巷，巷道 断面积大于 20m2，服务于 16煤层，巷道顶底板都为中软煤层，巷道支护难度很 大。近些年来，煤巷支护的主要形式是锚杆支护，煤巷锚杆支护技术发展迅速，应 用广泛[5 、6]。锚杆支护技术与原有的金属支架支护、砌碹支护等支护技术相比具有支 护效果好、成本低、维护方便等诸多优点，大断面煤巷支护过程中的很多难题得到 很好的解决。同时，计算机技术的高速度发展进一步使得数值模拟技术被广泛的运 用在巷道锚杆支护分析之中。 本论文以神华集团乌海能源公司利民煤矿大断面巷道支护问题为背景，就大断 面巷道围岩变形控制机理及其相应的支护技术使用 FLAC3D 进行模拟研究，以期有 所建树。 1.1.2 研究的意义研究的意义 巷道尚未开挖之时，原岩所受应力处于三向平衡之中[2]。巷道开挖之后或者回 采过程之中，原岩所处的应力平衡状态遭受破坏，岩体内部应力重新进行分布，此 过程之中，巷道周围岩体发生变形甚至发生破坏，直至达到新的平衡才会停止。并 且在此过程中，巷到本身或安设在其中的支护物会受到各种力的作用。而且由于矿 压的作用，会发生顶板下沉、底板上鼓，巷道断面变小等现象，甚至发生大面积的 冒顶和片帮，支架发生严重变形或者损坏，充填物遭到压缩，以及大量岩层移动导 致地表出现塌陷等。一般说来，巷道围岩发生变形会不同程度的危害到地下开采作 业。为减弱围岩变形对正常开采工作和安全生产的影响，必须采取各种技术举措进 行控制，包括对巷道及回采工作空间进行支护，加固软弱煤岩和破碎煤岩，采用各 种方法使得巷道或回采工作空间卸压，对采空区进行充填，或者通过一定的操作使 得采空区顶板按照特定的要求发生冒落。此外，人们对巷道围岩施加控制不仅能够 消除和减轻开采过程中矿压造成的危害，还能够有效地把矿压的自然能量利用起来 为开采工作服务。因此，掌握巷道围岩变形趋势并进行合理的支护对煤矿安全、高 效生产具起着举足轻重的作用。 利民煤矿Ⅱ0116 辅运上山服务于 16煤层，16煤层采用综合机械化方式进行回 采，16煤层赋存条件比较复杂，Ⅱ0116 辅运上山围岩控制与支护对提高开采效果 和安全高效生产具有十分重要的作用。众所周知，岩体结构非常复杂，地下工程岩 体结构的理论解析分析几乎是不可能的或者是过分简化而不精确，数值模拟以其复 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 杂条件的适应性和具有应力应变的“记忆”功能，能够有效的对地下开采工程进行分 析计算，并能够对所有材料进行模拟试验[7 、8]。论文采用国际上目前最为流行的三维 FLAC3D 软件对利民煤矿Ⅱ0116 辅运上山进行计算分析，其目的在于 （1）采用数值模拟的方法分析利民煤矿Ⅱ0116 辅运上山围岩移动趋势。 （2）设计并得出合理的锚杆支护参数，从而为近似条件之下的巷道支护提供良 好借鉴。 通过上述研究获得掘进过程中煤岩的破坏区域和破坏程度，煤层与顶板相互作 用形成的支承压力的分布范围和形态，进行合理的支护，以期为保证安全和正常生 产、改善地下开采条件和提高采煤经济效果提供必要的理论依据。 1.2 国内外相关研究现状国内外相关研究现状 1.2.1 国外大断面煤巷围岩变形控制技术研究现状国外大断面煤巷围岩变形控制技术研究现状 大断面煤巷围岩变形控制技术的发展过程大致分为两个阶段 （1）被动支护阶段，其主要代表形式是支架支护，该阶段认为巷道周围岩体已 经发生破坏，不能自稳，因此使用人工支护抵消来自地层的压力。例如木棚支护、 U 型钢等各种金属支架支护、切碹支护以及钢筋混凝土支护等等。 （2）主动支护阶段，其主要代表形式是锚杆支护，该阶段认为巷道周围岩体虽 已发生破坏，但是依然拥有一定的强度，还可以保持一定的自稳，可以作为天然承 载体，其支护的关键是对围岩进行加固，使得围岩能够发挥其自身强度以达到自 稳，亦即支护结构和围岩构成一个锚固整体抵抗来自地层的压力。 1911 年美国的 Friedens 煤矿对巷道顶板进行支护时最先采用了锚杆进行支护， 1918 年美国的西里西安煤矿最先使用锚索进行支护，之后锚杆锚索等锚固技术逐渐 得到应用。 近些年以来，在世界上主要的产煤国家之中，锚杆支护技术得到极为迅速的发 展。美国和澳大利亚的煤矿几乎全都采用锚杆支护技术之后，英国也相继赶上，又 发展了数年之后，锚杆支护技术在煤矿之中占据了主导地位。当前，澳大利亚和英 国正在将他们的锚杆支护技术推销向其他国家。波兰、印度、日本、印度尼西亚、 南非等国家都进行了不同程度的引入。德国一直以来都是以 U 型钢可缩性支架著 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 称，其采深比较大、地压比较大，但是在近些年对锚杆支护的可行性进行着积极地 探索。以上种种都表明，对巷道进行锚杆支护依然是世界性的发展趋势所向。 国外大断面煤巷围岩变形控制技术的发展趋势是增大并且充分发挥锚杆锚固 力，推广锚杆支护应用，使锚杆的支护效率得到提升。 当今国外大断面巷道锚杆支护理论主要有以下几个 （1）悬吊理论。该理论观点将巷道围岩视为两部分，第一部分为浅部的松软 破碎围岩，第二部分为深部的坚硬围岩，锚杆的作用便是将第一部分悬吊于第二部 分之上，从而使得第一部分围岩不会发生垮落失稳。其原理如图 1.1