平沟煤矿高应力软岩回采巷道支护研究.pdf

分类号____________ 密 级______________ ＵＤＣ____________ 单位代码______________ 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目平沟煤矿高应力软岩回采巷道支护研究平沟煤矿高应力软岩回采巷道支护研究 学 号_________________________ 作 者_________________________ 专 业 名 称_________________________ 2012 年 06 月 01 日 李铭 公开 1 0 1 2 7 采矿工程 200902055 TD3 内蒙古科技大学硕士学位论文内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目论文题目 作者作者_________________________ 指指 导导 教教 师师 单位单位 论文提交日期论文提交日期2012 年 06 月 01 日 学位授予单位内学位授予单位内 蒙蒙 古古 科科 技技 大大 学学 平沟煤矿高应力软岩回采巷道支护研究 李铭 张金山 教授 矿业工程学院 平沟煤矿高应力软岩回采巷道支护研究平沟煤矿高应力软岩回采巷道支护研究 Research on the soft rock roadway support under high stress of Ping Gou coal mine 研究生姓名李铭 指导教师姓名张金山 内蒙古科技大学矿业工程学院 包头 014010，中国 CandidateLiming SupervisorZhangjinshan School of Mining Engineering Inner Mongolia University of Science and Technology Baotou 014010，P.R.CHINA 独独 创创 性性 说说 明明 本人郑重声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获 得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 签名___________ 日期____________ 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名___________ 导师签名___________ 日期____________ 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 目录目录 1 绪论 .................................................................................................................................. 1 1.1 研究的意义和目的 ................................................................................................ 1 1.1.1 研究的意义 .................................................................................................. 1 1.1.2 研究目的 ...................................................................................................... 2 1.2 煤矿软岩巷道支护的研究现状 ............................................................................ 2 1.2.1 软岩巷道支护理论方面 .............................................................................. 2 1.2.2 软岩巷道支护技术和支护设计方面 .......................................................... 5 1.3 主要研究内容及研究思路 .................................................................................... 5 2 平沟煤矿 0910 运输顺槽围岩物理力学性质研究 ........................................................ 7 2.1 取样方法和岩样尺寸 ............................................................................................ 7 2.2 试验设备和仪器 .................................................................................................... 8 2.3 试样的基本性质 .................................................................................................... 8 2.4 煤岩物理力学参数的测定 .................................................................................. 10 2.4.1 煤岩视密度 ................................................................................................ 10 2.4.2 煤的坚固性系数 ........................................................................................ 10 2.4.3 煤岩抗拉强度 ............................................................................................ 12 2.4.4 煤岩单轴抗压强度 .................................................................................... 13 2.4.5 煤岩杨氏模量 ............................................................................................ 15 2.4.6 三轴压缩试验 ............................................................................................ 17 2.5 煤岩物理力学参数测定结果 .............................................................................. 19 3 平沟煤矿 0910 运输顺槽支护方案研究 ...................................................................... 22 3.1 矿井概况及问题的提出 ...................................................................................... 22 3.2 0910 运输顺槽支护方案设计 .............................................................................. 22 3.2.1 0910 运输顺槽支护改进途径 .................................................................... 22 3.2.2 锚网喷联合支护参数设计 ........................................................................ 23 3.3 理论验算锚喷网支护设计参数 .......................................................................... 26 4 锚网喷联合支护工业性试验 ........................................................................................ 29 4.1 超前注浆加固 ...................................................................................................... 29 4.1.1 掘进头超前注浆固结顶板钻孔布置 ........................................................ 29 4.1.2 注浆材料 .................................................................................................... 30 4.1.3 注浆工艺 .................................................................................................... 30 4.1.4 注浆施工工艺 ............................................................................................ 30 4.1.5 质量保障与安全措施 ................................................................................ 31 4.1.6 注浆所需主要器材 .................................................................................... 31 4.2 锚网喷永久支护 .................................................................................................. 32 4.2.1 锚网喷支护材料 ........................................................................................ 32 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 4.2.2 锚网喷支护施工工艺 ................................................................................ 34 4.2.3 安全技术措施 ............................................................................................ 36 4.3 现场试验巷道矿压监测 ...................................................................................... 36 4.3.1 矿压观测前的准备工作 ............................................................................ 37 4.3.2 矿压观测内容和方法 ................................................................................ 37 4.3.3 观测数据分析 ............................................................................................ 41 4.3.4 技术经济效益评价 .................................................................................... 51 5 论文主要结论和建议 .................................................................................................... 54 参考文献 ............................................................................................................................ 56 在学研究成果 .................................................................................................................... 59 致谢 .................................................................................................................................... 60 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘要摘要 煤矿软岩巷道， 尤其是高应力软岩回采巷道， 由于它们所处的复杂工程地质条件， 其支护问题一直是困扰煤矿安全生产的难点问题之一。 目前， 从理论和工程实践来看， 软岩巷道支护大部分采用联合支护形式，但是往往支护成本太高，或者选择的支护方 式不当造成巨大的返修量从而给煤矿带来很大的经济损失。因此，如何针对具体的软 岩巷道工程，选择经济上可行、技术上合理的联合支护方式并对其进行现场工业性试 验研究，无疑具有很大的经济价值和理论意义。 本课题以平沟煤矿高应力软岩回采巷道支护为具体工程实例， 通过对巷道围岩的 物理力学参数进行测试，为 0910 运输顺槽的支护设计提供依据。采用工程类比和理 论计算设计出锚网喷联合支护方案，在该回采巷道进行现场工业性试验、矿压观测并 评价支护效果，最后将试验巷道的支护效果与现有的 U 型钢支护进行对比分析研究。 结果表明，锚网喷联合支护对高应力软岩巷道具有良好的支护效果。为该矿有效利用 锚网喷这种复合支护形式积攒了一些实践经验和理论基础， 解决了该矿巷道掘进速度 慢、维护费用高的生产难题。 关键词关键词高应力；软岩；锚网喷；联合支护高应力；软岩；锚网喷；联合支护 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Coal mine soft rock roadway, especially high stress soft rock roadway, due to the complex geological conditions, the support problem is always one of the coal mine production safety problems. At present, from theory and engineering practice, many of soft rock roadway use combined supporting s, but support cost is often too high, or selection of supporting s are not suitable, causing great rework amount so as to bring great economic loss to coal mine. Therefore, how to target specific soft rock roadway engineering, choosing combined supporting that feasible in economic and reasonable in technology and making industrial test research, undoubtedly this has great economic value and theoretical significance. Therefore, with soft rock roadway under high stress of Ping Gou mine for example, based on the physical and mechanical parameters of surrounding rock of roadway test, provides a basis for the design of 0910 transport crossheading support. Designing of shotcrete rockbolt mesh combined support scheme bases on the engineering analogy and theoretical calculation, scene industrial test, the mine pressure observation and uation of supporting effect on the roadway, finally test roadway supporting effect and the esisting U type steel support for comparative analysis research. The results show that, the anchor net spraying combined support in high stress soft rock roadway has good supporting effect. For the effective utilization of the mine anchor net spray compound support saved some practical experience and theoretical foundation, the mine has solved the tunneling speed and high maintenance cost of production problems. Keywordhigh stress;soft rock;bolt-net-spout-plank;compound support 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1 绪论绪论 1.1 研究的意义研究的意义和目的和目的 1.1.1 研究的意义研究的意义 煤炭是当今世界的主要能源，被人们称作工业粮食，尤其在我国经济发展过程中 起到了不可替代的作用，从 20 世纪 50 年代以来，煤炭占我国能源消耗总量的四分之 三左右，在今后相当长的一个时期内这种能源分配结构是很难改变的。目前，我国每 年的煤炭产量为 30 多亿吨，位居世界第一位。根据统计数据，我国煤矿每年开掘巷 道总长度大约 6000Km，其中软岩巷道占十分之一左右，大约 20的软岩巷道需要返 修，大大影响了煤矿的安全生产，巷道维修浪费了大量资金，严重降低了企业的经济 效益。所以能否成功解决软岩巷道支护尤其是高应力软岩巷道支护这个世界性难题， 已经成为困扰我国煤矿安全生产的重大问题之一。 许多煤矿领域的专家学者对软岩巷 道这方面的问题进行了大量广泛的理论研究，同时也实施了大量的现场试验，并取得 了很多突破性的成果。但是从很多煤矿具体的巷道支护应用情况来看，并没有完全把 软岩巷道支护这个难题解决，还存在很多问题需要我们继续进行科研攻关[1]。 由于科学技术突飞猛进的发展给理论研究提供了很多便利条件， 大量的工程实践 对理论进行了检验，软岩巷道支护理论取得了较快的发展，并积攒了很多的现场施工 经验，与此同时支护理念和支护形式也发生了前所未有的变化。支护理念由被动支护 理念转变为现在的主动支护，支护形式从传统的棚式支护改变为锚杆支护。如今，锚 杆支护这种先进的主动支护形式已经广泛应用到了煤矿巷道支护领域。 对软岩巷道支护来说，尤其是高应力软岩回采巷道工程，目前大部分采用联合支 护形式， 其支护形式的选择受巷道所处的地质条件和煤矿的经济条件等诸多因素的限 制，因此所选择的联合支护形式既要技术上合理又要经济上可行，以达到软岩巷道的 稳定支护，保证矿井安全高产高效生产。因此，对软岩巷道来说，尤其是高应力软岩 回采巷道，如何针对巷道的具体工程地质状况来选择技术上合理、经济上可行的联合 支护形式以及确定可靠的支护参数无疑具有很大的实用价值和理论意义。 本课题是针对平沟煤矿的具体情况提出的， 主要研究高应力软围岩回采巷道掘进 过程中既能提高掘进速度又能防止冒顶、保障煤矿安全生产的技术手段、减少巷道返 修率和维护费用的技术方法。 该课题的研究不但能解决平沟煤矿目前的煤巷掘进速度慢、 维护费用高的生产难 题， 而且对整个神华乌海能源公司普遍存在着的高应力不稳定煤层的煤层巷道掘进和 维护也将起到积极作用。由此将会带来巨大的经济及社会效益。 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 1.1.2 研究目的研究目的 通过研究，设计出一种经济上合理、技术上可行的支护方案，能够有效控制巷道 掘进期间顶板冒落，使巷道掘进不受顶板冒落的影响；在受回采动压影响之前，巷道 稳定，不需要进行返修；巷道在受采动影响时其变形量在可控范围之内，满足通风、 运输和行人的要求，为平沟煤矿软岩回采巷道支护提供技术支持。 1.2 煤矿软岩巷道支护的研究现状煤矿软岩巷道支护的研究现状 1.2.1 软岩巷道支护理论软岩巷道支护理论方面方面 1国内研究现状 我国对软岩巷道支护方面的研究开始于 1958 年，北京市安家滩井田西部近向斜 长轴处一条木支架支护的大巷在掘进过程中遇到了劣质泥岩，造成巷道底臌严重，无 法保证其正常使用，导致巷道失稳报废。自此软岩巷道支护难题摆到了面前。以后又 相继在辽宁好几个矿区出现软岩巷道支护困难，支护以后巷道变形量太大，无法保证 正常生产，给企业带来了巨大的经济损失。自此软岩巷道支护问题得到了国家煤炭部 的重视，召集了许多大学以及科研机构的专家学者对这个难题进行科研攻关，并在某 些煤矿做了大量的工业性试验，初步在巷道支护理论、支护设计以及现场施工几方面 取得了一些可喜成绩。 20 世纪 80 年代和 90 年代，我国一共召开了 20 几次关于软岩巷道支护方面的全 国性会议，并成立了全国煤矿软岩巷道支护技术研究推广中心，为软岩巷道支护理论 和技术的交流推广做了很大的贡献， 因此我国在软岩巷道支护方面的理论有了较大的 发展进步。形成了以下几个具有代表性的理论[2] ①岩性转化理论 20 世纪 60 年代，我国著名的岩土工程专家陈宗基从大量的工程实践中概括出了 岩性转化理论。该理论的主要观点是具有同样的矿物成分和结构形态的岩体在不同 的工程环境条件下会产生迥然不同的应力应变， 以致形成互不相同的本构关系。 譬如， 在高温高压条件下，强度很高的花岗岩则产生了流变和扩容。还指出岩体的工程设计 与岩块的各种试验结果应该有明显的区别。在具体的工程地质条件下，岩体的应力应 变所形成的本构关系并不是单一的弹性变形或弹塑性变形。 ②轴变论理论 20 世纪 80 年代，于学馥先生研究总结出了轴变论理论，该理论的主要内容为 巷道塌落能够自行稳定，利用弹性理论可以对其进行分析。当巷道围岩所受应力大于 岩体强度极限时就会发生失稳破坏， 巷道塌落改变了其原有的轴比从而导致应力重分 布。应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，朝着均匀分布和无拉力的方向发 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 展，直到巷道围岩自行稳定以后才停止，此时巷道的轴比是最稳定的轴比，其形状为 椭圆形。 ③联合支护理论 冯豫、朱效嘉、陆家梁等人共同提出了联合支护理论，该理论的主要内容是对 于软岩巷道支护来讲，一味加强支护刚度是不合理不科学的，总体上要充分运用先柔 后刚，先让后抗，柔让适度的支护对策，只有这样才能发挥围岩自身的支撑能力，使 其自身与支护结构之间协调作用，最终使巷道围岩达到稳定状态。由该理论发展起来 很多种联合支护形式，其中锚喷支护技术、锚网喷支护技术、锚网喷架支护技术等最 为常见。 ④锚喷-弧板支护理论 朱效嘉和郑雨天等人又对联合支护理论做了进一步推进研究，总结归纳出锚喷- 弧板支护理论。该理论的核心内容为对于软岩巷道支护来说，总是强调放压同样是 行不通的，当巷道放压到一定程度时，要迅速采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板这 种刚度比较大的支护结构坚决顶住，防止巷道围岩继续向中空部位移动，使其达到稳 定状态。 ⑤围岩松动圈理论 董方庭教授通过缜密的理论研究和大量工业性试验， 总结概括出了现今应用比较 广泛的围岩松动圈理论。该理论的主要观点是对于围岩坚硬的裸体巷道来说，其围 岩松动圈几乎为零，而这种类型的巷道围岩同样也是具有弹塑性变形的，但是并不需 要任何支护形式对其进行加强。对巷道围岩来讲，围岩松动圈越大，其收敛变形也就 越大，支护难度也随之增加。由此可知，对巷道进行支护的目的是减小围岩松动圈扩 展过程中所产生的有害变形。 ⑥主次承载区支护理论 方祖烈教授经过认真研究得出了主次承载区支护理论。他认为巷道开挖后，在 围岩中形成了拉压域。在围岩深部形成了压缩域，表明围岩自身具有的承载能力，它 是维护巷道稳定的主承载区；在巷道周围形成了张拉域，它是巷道支护的对象，通过 支护加固以后自身也具有了一定的承载力，但是和主承载区相比，只起到辅助作用， 所以称它为次承载区。它们之间的协调作用决定了巷道的最终稳定状态。支护方案是 根据拉压域相互作用过程中所呈现出的动态特征来确定的， 原则上支护强度要一步到 位。 ⑦软岩工程力学支护理论 何满潮教授运用现代大变形力学和工程地质学两者相结合的方法并通过认真研 究分析最终归纳出了软岩工程力学支护理论，该理论包括了从软岩的定义、软岩的基 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 本属性到软岩变形力学机制的确定和转化、 软岩支护荷载的计算以及软岩非线性大变 形力学设计方法等多方面的内容，其核心部分是分析和转化复合型变形力学机制。 2国外研究现状 ①古典压力理论 20 世纪初，金尼克、朗金和海姆等人提出了古典压力理论。其主要内容为支 护结构所承受的荷载等于其上覆岩层的重量H。他们三人之间对侧压系数的认识不 同金尼克、朗金两人分别根据弹性理论和松散体理论认为侧压系数为 1、   20 tan 45/ 2，而海姆则认为侧压系数为 1。 ②坍落拱理论 随着地下工程开挖深度的不断增加， 人们发现古典压力理论在许多方面与实际不 相符合，根本解决不了实际工程问题。因此，以普氏理论和太沙基为代表的坍落拱理 论诞生了。该理论的主要观点为坍落拱的高度跟围岩性质以及地下工程跨度有着密 切关系。普氏认为坍落拱的形状为抛物线形，而太沙基则认为呈矩形。他们的最大贡 献是提出了巷道围岩具有自承载能力。 ③新奥法理论 20 世纪 60 年代，奥地利工程师 L.V.Rabcewicz 在总结前人的基础之上提出了一 种新的隧道施工方法，简称新奥法。 70 年代末，米勒教授将新奥法的主要原则和基本指导思想归纳为 22 条。 80 年代初，奥地利土木工程学会给新奥法作了如下的定义在岩体或土体中开 挖地下空间时， 为使其周围岩体能够形成一个中空筒状支撑环结构所运用的设计施工 方法。它的核心是充分利用围岩的自承能力使其本身变成支护结构的一部分，促使围 岩与所采用的支护形式共同作用并形成一个坚固的支撑环。 新奥法在全世界范围内得到了广泛应用，从原先的隧道施工扩展到了采矿、水利 等其他岩土工程领域，逐渐也被运用到了软岩巷道支护方面，由于人们对软岩的物理 力学性质了解不够、对利用仪器进行巷道变形监测及荷载测量的重要性不够重视。不 时出现因为应用新奥法不当，造成的巷道围岩大面积垮落事故。 ④应变控制理论 日本的山地宏和樱井春辅共同提出了应变控制理论。他们认为巷道围岩的变形 量随支护结构的增加而减小，而围岩的允许变形则恰恰相反，随之增大，因此增加支 护结构能比较容易地将围岩的变形控制在允许变形之内。 在由工程测量结果确定了对 应于应变的支护工程的感应系数以后，支护结构设计才能够被确定。 ⑤能量支护理论 20 世纪 70 年代，萨拉蒙等人提出了能量支护理论，该理论指出巷道围岩与支 内蒙古科技大学硕士学位论文 -5- 护结构相互作用且共同发生变形， 在它们共同变形的过程中， 围岩释放出一部分能量， 而支护结构则吸收一部分能量，但总的能量是不变的。因此，主张利用支护结构自身 的特点使支护体自动调整围岩释放的那部分能量和支护结构吸收的那部分能量， 而支 护结构本身要具有释放多余能量的功能。 1.2.2 软岩巷道支护技术软岩巷道支护技术和支护设计方面和支护设计方面 在软岩巷道支护技术方面， 由以前单一的支护形式逐渐发展成为各种各样的多次 支护和联合支护形式，并且形成了很多种系列支护技术，譬如锚喷、锚网喷、锚网喷 架支护系列技术、钢筋混凝土支护系列技术、钢架支护系列技术、注浆加固系列技术 等。近几年来锚索支护系列技术的发展相当迅速，它已经成为软岩巷道支护的重要技 术之一，其最大优点是能够把深部围岩的强度调动起来，并和浅部支护共同作用，进 而达到控制巷道稳定的目的，此系列技术将成为 21 世纪软岩巷道支护技术的趋势。 在软岩巷道支护设计方面，随着支护理论的发展和科技的进步，设计方法不断更 新。20 世纪 60 年代和 70 年代，软岩巷道支护设计基本上运用工程类比的方法。到 了 80 年代，松动圈支护荷载计算设计、弹塑性力学数值计算设计、位移反馈设计被 广泛运用。90 年代初，锚网耦合设计及关键部位二次耦合设计出现了。90 年代末期， 将类比定性、定量计算和施工位移反馈相结合，中国的软岩巷道支护设计与施工已经 形成了一套相当成熟的动态综合设计程序。 1.3 主要主要研究研究内容内容及研究思路及研究思路 本课题以神华乌海能源有限责任公司平沟煤矿的 0910 运输顺槽支护为研究对 象。 本课题的研究内容为 10910 运输顺槽围岩物理力学性质研究 煤及顶底板岩石的物理力学性质是进行煤矿巷道支护设计的基础， 是巷道支护能 否成功的关键一步，通过物理力学试验可以评估巷道围岩的稳定性，同时也是进行理 论分析的基础数据； 巷道围岩收敛变形规律和围岩稳定性是确定支护强度和锚杆长度 的重要依据，同时也是对巷道围岩稳定性进行评价的重要依据。 2现场工业性试验研究 以平沟煤矿 0910 运输顺槽支护为具体工程实例，依据设计的锚网喷联合支护方 案，在 0910 运输顺槽进行支护工业性试验，根据矿压观测结果评价支护效果，并与 现有的 U 型棚支护进行对比分析研究，最后提出一些结论和建议。 本课题的研究思路为 内蒙古科技大学硕士学位论文 -6- 本课题拟采用室内顶底板岩性试验、理论验算与现场工业性试验相结合的方法， 对高应力软岩巷道支护技术进行全面系统的研究。 在对试验巷道进行地质力学评估的 基础上，总结巷道围岩变形破坏原因。根据软岩巷道支护原理、原则和方法以及平沟 煤矿的实际生产情况，本课题采用锚网喷的联合支护方式，运用工程类比和理论计算 相结合的方法，初步确定支护参数。对该支护方案进行围岩变形验算和现场工业性试 验，根据巷道变形监测数据分析支护效果，最后得出一些结论和建议。 内蒙古科技大学硕士学位论文 -7- 2 平沟煤矿平沟煤矿 0910 运输顺槽围岩运输顺槽围岩物理物理力学性质研究力学性质研究 煤及岩石的物理力学参数测定是巷道支护设计中的一项非常重要和最基本的工 作。煤及岩石的物理力学参数不但是定量评价煤、岩体质量以及进行煤、岩石分类的 重要依据， 而且它同样也是煤、 岩体稳定性分析和巷道支护设计不可或缺的基本参数， 与巷道围岩稳定性分析、支护参数的选取以及采掘设备的选型等多项工作密切相关。 所以说，它是衡量煤矿生产是否科学合理的主要依据之一。 根据本课题的研究要求， 需要测试平沟煤矿 0910 运输顺槽围岩的物理力学参数， 为其支护设计提供重要依据。在 0910 运输顺槽采用钻芯取顶板岩样，在 0910 运输顺 槽掘进工作面采取煤、岩块作为煤样和底板岩样，按照我国煤炭行业标准 （MT48-49-87）煤和岩石物理力学性质测定方法的试验要求进行试样采集、加 工和试验。 在 RMT-150B 电液伺服控制岩石力学试验系统上分别对该矿 0910 运输顺 槽的煤层和顶板 20m 以内以及底板几种不同岩石的自然视密度、坚固性系数、抗拉 强度、抗压强度、变形模量、弹性模量、内摩擦角、粘结力等参数进行测定。 2.1 取样方法取样方法和和岩样尺寸岩样尺寸 为了能够真实的测定平沟煤矿 0910 运输顺槽煤层及顶、底板几种不同岩石的物 理力学参数。依照试验规程要求和目前 0910 运输顺槽施工情况，决定把采样