墩柱式巷旁支护体快速沿空留巷关键技术.pdf

论文题目 作者姓名 专业名称 指导教师 墩柱式巷旁支护体快速 沿空留巷关键技术 论文提交E l 期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间 研究方向 职称 2 Q 曼垒生且 2 Q 堇垒生且2 鱼且 一一一一 一一～一 万方数据 T H EG O B - S I D EE N T R Y Q U I C K L Y R E T A I N I N GK E Y T E C H N O L O G YB YR O A DS I D ES U P P O R TO FP I E RT Y P E AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E Ro FP H I L o S o P H Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y W a n gJ i n g b i n g S u p e r v i s o r P r o f e s s o rL i nD o n g c a i C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g M a y2 0 1 4 - 万方数据 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 硕一名炳 日 A F F I R M A T I O N 油嗤．6 、∑ Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 嗍习呀侈呀 即呲6 、歹 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 沿空留巷是煤矿开采技术的一项重大改革，采用沿空留巷技术对巷道进行维护，不 但可以有效提高煤炭回采率，降低巷道掘进率、缓和采掘接续紧张，实现工作面Y 型通 风、解决上隅角瓦斯超限难题，还可以排除煤矿生产中的冲击地压和瓦斯突出危险。其 中，巷旁支护是沿空留巷成功与否的关键。本文以济二煤矿9 3 下0 7 工作面运输巷为工 程背景，采用室内试验和理论分析等方法，对墩柱式巷旁支护沿空留巷关键技术进行了 较为系统的研究。论文主要研究内容及取得的成果如下 1 基于对沿空留巷围岩移动规律和围岩结构特征的深入分析，建立了沿空留巷顶 板断裂力学模型，为确定合理的巷旁支护参数提供了理论依据，丰富了沿空留巷围岩控 制理论。 2 提出了墩柱式巷旁支护，并采用岩体力学、弹性力学等相关知识研究设计了墩 柱的结构形式，通过室内试验确定了墩柱充填材料的合理配比和墩柱支护体的实际承载 性能。 3 采用F L A C 3 D 数值模拟软件，深入分析了沿空留巷巷道掘进期间、沿空留巷 期间及二次采动期间的巷道围岩应力、位移及塑性区分布特征的动态演化规律，为确定 不同时期合理的巷道围岩稳定性控制方案提供依据。 4 研究了沿空留巷巷道围岩在经受反复加载和卸载过程中的大变形机理，以此为 基础提出了巷道围岩稳定性控制原则。基于对沿空留巷支护理论的深入分析，采用数值 模拟手段确定了合理的巷道支护参数。 5 在济二煤矿9 3 下0 7 工作面运输巷进行了墩柱式沿空留巷工程应用，设计了巷 道支护方案和留巷施工工艺，并进行了相应的矿压观测，对留巷效果进行了分析。 关键词沿空留巷；巷旁支护围岩特征；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A b s t r a c t G o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n gi sam a jo rr e f o r mo fc o a lm i n i n gt e c h n o l o g y ．U s i n g g o b s i d ee n t r yr e t a i n i n gt e c h n o l o g yf o rr o a d w a ym a i n t e n a n c e ，n o to n l yc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ec o a lr e c o v e r yr a t ea n dr e d u c et h er o a d w a yd r i v i n gr a t e ， e a s em i n i n g t e n s i o n ，r e a l i z ef a c eYt y p ev e n t i l a t i o na n ds o l v et h eg a so v e r r u n p r o b l e mi nu p p e rc o m e r , a n dC a na l s oe l i m i n a t er i s ki m p a c tg r o u n dp r e s s u r ea n d g a so u t b u r s ti nc o a lm i n ep r o d u c t i o n ．A m o n gt h e m ，t h er o a d s i d es u p p o r ti st h e k e yt ot h es u c c e s so fg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n g ．T h ep i e rt y p er o a d s i d es u p p o r t g o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n gt e c h n o l o g yw a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y , b a s e do nt h e9 3 0 7 w o r k i n gf a c et r a n s p o r t a t i o nr o a d w a yo fJ i n i n gN o ．2C o a lM i n e ，b yu s i n gt h e m e t h o d so fl a b o r a t o r yt e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ．T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s a n da c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 T h er o o ff r a c t u r em e c h a n i c sm o d e lf o rg o b ．s i d ee n t r yr e t a i n i n gw a s e s t a b l i s h e d ，b a s e do nt h ed e e pa n a l y s i so ft h em o v e m e n tr e g u l a r i t yo ft h e s u r r o u n d i n gr o c ka n dt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c k ，w h i c hC a n p r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i st or o a d s i d es u p p o r tp a r a m e t e r sa n de n r i c ht h et h e o r y o fs u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o lf o rg o b ．s i d ee n t r yr e t a i n i n g ． 2 T h ep i e rt y p er o a d s i d es u p p o r tW a sp r o p o s e d ，a n di t ’Ss t r u c t u r a ls t y l ew a s s t u d i e da n dd e s i g n e db yu s i n gt h er e l a t e dk n o w l e d g eo fr o c km a s sm e c h a n i c s ， m e c h a n i c so fe l a s t i c i t y , e t c ．T h er e a s o n a b l ep r o p o r t i o no f f i l l i n gm a t e r i a la n dt h e a c t u a l b e a r i n gp e r f o r m a n c eo fp i e rs u p p o r t i n gb o d y w e r ed e t e r m i n e d b y l a b o r a t o r yt e s t ． 3 T h ed y n a m i ce v o l u t i o n r u l eo fr o a d w a y s u r r o u n d i n g r o c k s t r e s s ， d i s p l a c e m e n ta n dp l a s t i c z o n ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gt h er o a d w a y c o n s t r u c t i o n ，e n t r yr e t a i n i n g a n dt h es e c o n d a r y m i n i n go fg o b s i d ee n t r y r e t a i n i n g w e r e d e e p l ya n a l y z e db y F L A C 3 Dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n s o f t w a r e ，w h i c hC a np r o v i d eab a s i st ot h er e a s o n a b l ec o n t r o ls c h e m eo ft h e r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t y ． 4 T h el a r g ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n gr o a d w a y s u r r o u n d i n gr o c ki nt h ep r o c e s so fs u b je c t e dt or e p e a t e dl o a d i n ga n du n l o a d i n g w a ss t u d i e d ．O nt h i sb a s i s ，t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k s t a b i l i t yw a sp u tf o r w a r d ．T h er e a s o n a b l es u p p o r t i n gp a r a m e t e r so fr o a d w a yw a s d e t e r m i n e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h ed e e pa n a l y s i so ft h e s u p p o r t i n gt h e o r yf o rg o b s i d ee n t r yr e t a i n i n g ． 5 T h ep i e rt y p er o a d s i d es u p p o r t g o b - s i d ee n t r yr e t a i n i n ge n g i n e e r i n g 万方数据 K e y w o r d s g o b s i d ee n t r yr e t a i n i n g ． s u r r o u n d i n gr o c k ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n r o a d s i d es u p p o r t ，c h a r a c t e r i s t i c so f 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．4 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 沿空留巷围岩移动规律及顶板控制模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 沿空留巷顶板破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 沿空留巷围岩结构特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 沿空留巷顶板控制力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 墩柱式支护体结构设计及力学性能实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 3 ．1 砂石钢管结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 3 ．2 砂石材料配比选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．3 墩柱承载性能力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 沿空留巷巷道围岩特征动态演化规律数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．1 数值分析软件F L A C 3 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．2 数值模型的建立与计算过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 ．3 巷道掘进期间围岩应力、位移及塑性区分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．4 沿空留巷期间围岩应力、位移及塑性区分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．5 二次采动期间巷道围岩应力、位移及塑性区分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 0 5 沿空留巷巷道围岩大变形机理与控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．1 沿空留巷巷道围岩大变形特征及机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 5 ．2 沿空留巷巷内支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．3 锚杆 索 支护参数优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6 l 业l I 试验⋯．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．6 0 6 ．1 试验巷道工作面条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6 ．2 沿空留巷巷道支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 6 ．3 沿空留巷施工工艺．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．4 沿空留巷效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 7 主要结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 7 ．1 主要研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 7 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 7 ．3 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 l 致谢乙⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 攻读硕士学位期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 i l l } j { j } i 2 j 献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 万方数据 坐奎型苎奎兰堡主兰垡笙奎 旦主 ●____--______I____l_____-●______________-●__________●-●_’-。。。。-。●__I____●-____________●_’。。。。。。_________-’’一一C o n t e n t s II n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．IR e s e a r c hB a c k g r o u n da n dS i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2 D o m e s t i ca n dF o r e i g nR e s e a r c hP r e s e n tS i t u a t i o na n dE x i s t i n gP r o b l e m s ⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．2 1 ．3R e s e a r c hM a i nC o n t e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．4 R e s e a r c hT e c h n i c a lR o u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2G o b ．S i d eE n t r yR e t a i n i n gM o d e lo ft h eS u r r o u n d i n gR o c kM o v e m e n tR e g u l a r i t ya n d R o o fC o n t r o l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．IF a i l u r eC h a r a c t e r i s t i c so fG o b S i d eE n t r yR e t a i n i n gR o o f ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2S t r u c t u r eC h a r a c t e r i s t i co fG o b S i d eE n t r yR e t a i n i n gS u r r o u n d i n gR o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．10 2 ．3M e c h a n i c a lM o d e lo f G o b S i d eE n t r yR e t a i n i n gR o o f C o n t r o l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4T h eS u m m a r yo f t h i sC h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 3P i e rS u p p o r t i n gB o d yS t r u c t u r eD e s i g na n dM e c h a n i c a lP r o p e r t i e sR e s e a r c h ⋯⋯⋯．．1 8 3 ．1S a n da n dS t e e lS t r u c t u r eD e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 3 ．2 M a t c h i n gS e l e c t i o no f t h eS a n dA n d G r a v e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．3M e c h a n i c a lE x p e r i m e n to f P i e rB e a t i n gP r o p e r t i e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．4T h eS u m m a r yo f t h i sC h a p t e r ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4N u m e r i c a lS i m u l a t i o no ft h eG o b S i d eE n t r s i s i yR e t a i n i n gS u r r o u n d i n gR o c k D y n a m i c E v o l u t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．I I n t r o d u c t i o no f N u m e r i c a lA n a l y s i sS o f t w a r eF l a c 3 D ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．2E s t a b l i s h m e n to f t h eN u m e r i c a lM o d e la n dC a l c u l a t i o nP r o c e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 ．3 S t r e s s ，D i s p l a c e m e n ta n dP l a s t i cZ o n eD i s t r i b u t i o nC h a r a c t e r i s t i co fS u r r o u n d i n gR o c k D u r i n gD r i f t i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．4 S t r e s s ．D i s p l a c e m e n ta n dP l a s t i cZ o n eD i s t r i b u t i o nC h a r a c t e r i s t i co fS u r r o u n d i n g R o c kD u r i n gG o b S i d eE n t r yR e t a i n i n g ⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．5 S t r e s s ，D i s p l a c e m e n ta n dP l a s t i cZ o n eD i s t r i b u t i o nC h a r a c t e r i s t i co fS u r r o u n d i n g R o c kD u r i n gS e c o n d a r yM i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．⋯．⋯．．．．．．．．．⋯．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 4 ．6 T h eS u m m a r yo f t h i sC h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5M e c h a n i s ma n dC o n t r o lo fG o b - S i d eE n t r yR e t a i n i n gS u r r o u n d i n gR o c kG r e a t 】D i s t o r t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．1C h a r a c t e r i s t i c sa n dM e c h a n i s mo fG o b - S i d eE n t r yR e t a i n i n gS u r r o u n d i n gR o c k G r e a tD i s t o r t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51 5 ．2G o b S i d eE n t r yR e t a i n i n gR o a d w a yS u p p o r tM e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．3A n c h o rR o d R o p e S u p p o r t i n gP a r a m e t e r sO p t i m i z a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 6 5 ．4T h eS u m m a r yo f t h i sC h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6I n d u s t r i a lE x p e r i m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 6 ．1 T e s t i n gR o a d w a yE n g i n e e r i n gW o r k i n gC o n d i t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 6 ．2G o b - S i d eE n t r yR e t a i n i n gR o a d w a yS u p p o r tD e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．3G o b S i d eE n t r yR e t a i n i n gC o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 6 ．4G o b S i d eE n t r yR e t a i n i n gE f f e c tA n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 6 ．5T h eS u m m a r yo f t h i sC h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 7M a i nC o n c l u s i o n sa n dE x p e c t a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 7 ．1M a i nC o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 7 ．2T h eM a i nI n n o v a t i o nP o i n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 7 ．3 E x p e c t a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯7 1 A c k n o w l e d g e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 M a i nW o r kA c h i e v e m e n to ft h eA u t h o rd u r i n gW o r k i n go nM a s t e rP a p e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 绪论 煤炭作为重要的基础能源，在我国能源消费结构中占据着十分重要的地位，自新中 国成立以来，我国煤炭工业取得了长足发展，为我国经济发展做出了突出贡献，是我国 经济发展的强有力能源保障f 卜，】。虽然我国能源的消费结构正逐步优化、煤炭消费比例也 有所下降，但随着我国现代化建设的不断发展，煤炭的需求量仍然不断增加，预计到2 0 5 0 年，煤炭消耗量仍将占到5 0 ％以上f 悯。 在我国煤矿生产中，绝大部分巷道一直沿用保留煤柱的方法进行维护，采用煤柱对 区段巷道进行维护所产生的煤炭损失量一般占全矿煤炭损失总量的4 0 ％左右川。因此为 了实现无煤柱护巷开采，提高煤炭采出率，研究区段问不留煤柱，无论是对降低巷道掘 进率还是对提高煤炭回采率都具有极其重要的意义【8 】。沿空留巷是煤矿开采技术的一项 重大改革，它可以解决煤矿生产中的许多重大技术难题。首先，沿空留巷可以有效缓和 采掘接续紧张的矛盾，并大幅缩短回采巷道的维护时间，它对深部软岩及高应力难支护 问题具有重要意义；其次，沿空留巷取消了区段煤柱，工作面回采可以顺序进行，避免 了跳采出现孤岛工作面带来的高应力集中，从而导致一系列安全及支护问题；另外，沿 空留巷可以实现工作面Y 型通风，从而有效的治理并解决上隅角瓦斯超限难题。 兖州矿区各矿面临开采逐渐进入深部，巷道支护、采掘接续、深部地温、孤岛开采 等众多问题日渐突出。为此，尽快实现综采沿空留巷开采，解决采掘接续紧张和Y 型通 风问题成为兖矿深部开采亟待解决的问题。济宁二号煤矿为兖矿集团所属主要生产矿井 之一，为年产3 0 0 万吨的现代化矿井。但煤层条件复杂，开采深度大，工作面搬家频率， 采掘接续紧张，工作面孤岛开采问题突出，因此，研究决定在济宁二号煤矿9 3 下0 7 工 作面运输巷进行沿空留巷试验。 在复杂的生产地质条件中，沿空留巷的实际应用效果并不理想，其技术优势没有得 到很好的发挥。主要原因就是沿空留巷的效果一直没有取得重大突破，主要包括两个方 面的问题一是巷道支护材料不过关，留巷后在顶板压力下巷旁支护很快变形破坏，导 致沿空留巷变形破坏严重，维修十分困难，而且巷旁支护的破坏导致漏风严重，给安全 万方数据 些查型垫奎兰堡主兰垡笙茎 堑笙 带来重大隐患；二是施工工艺原始，工人劳动强度高，施工困难，施工速度缓慢，难以 实现高产高效，尤其是综采工作面，传统沿空留巷的施工进度、施工质量及巷旁支护方 式难以适应综采速度快、现代化程度高、巷道断面大及支护质量要求高的特点。因此， 探索一种新的沿空留巷支护方式，解决传统沿空留巷存在的问题，使沿空留巷真正发挥 其应有的作用是十分必要并具有重要意义。 新型巷旁支护体一墩柱，相比其他巷旁支护体，墩柱施工简单，并且可回收，具有 较大的优越性，墩柱外壳为两节无缝钢管，下节钢管直径较小，能够内嵌至大直径的上 节钢管中，钢管柱内充满砂石。但是该墩柱沿空留巷技术处于研究阶段，亟需对其所包 含的墩柱的结构设计、承载能力、施工工艺，相应的沿空留巷项板破断力学模型、围岩 变形规律、巷内支护技术、安全技术等方面进行系统研究。 新型沿空留巷巷旁支护体一墩柱具有独创性，对推动沿空留巷技术的进一步发展具 有重要作用。可为类似条件下的矿井提供很好的借鉴作用，保证在矿井试验现场成功留 巷，解决矿井采掘接替紧张难题，对煤炭工业的健康发展提供重要的实践价值。 1 ．2 ．1 国内沿空留巷研究现状 自2 0 世纪5 0 年代以来，我国开始使用沿空留巷技术，其一直是我国采煤技术的重 要发展方向。到目前为止，我国在条件较好的薄及中厚煤层沿空留巷技术己日趋完善， 巷旁支护、巷内支护、加强支护及煤帮加固等技术己趋成熟，但是，在条件困难中厚及 厚煤层的较大断面巷道中，其中，特别是在推进速度比较快的综采工作面使用沿空留巷 仍然存在着一些技术上的难题，使得一些矿井没有取得预期的效果，甚至失败，从而限 制了沿空留巷技术在我国更广泛推广应用[ 9 - 2 1 ] 。 1 ．2 ．1 ．1 沿空留巷技术的发展历程 我国沿空留巷技术根据巷内和巷旁支护方式的发展历程，可分为四个阶段【2 2 】，【，】。 第一阶段，自2 0 世纪5 0 年代起，尝试着在煤厚1 ．5 m 以下煤层中使用矸石墙作为巷 旁支护，采用木棚作为巷内支护，其存在巷内支架变形严重、矸石沉缩量大、维护工作 量大、工人垒砌矸石劳动强度大、工效低、安全性差等问题，其应用范围受到极大限制。 第二阶段，自2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代，在1 ．5 ～2 ．5 m 厚煤层中使用木垛、密集支 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 柱、矸石带、砌块等作为巷旁支护，采用木棚、工字钢梯形支架进行巷内支护，取得了 一定成功，并得到了一定程度的应用。 第三阶段，自2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代，随着采高不断增大、机械化综采的不断推 广，我国在引进、吸收国外的沿空留巷先进技术的基础上，发展了巷旁充填护巷，多采 用U 型钢可缩性金属支架作为巷内支护形式。9 0 年代初期，相关的理论与技术有了巨大 的发展，但由于巷旁充填技术不完善，加上巷内支护多为被动支护，支护技术不能完全 适应大断面综采沿空留巷的要求，因此在9 0 年代中后期，在我国煤炭开采中，沿空留巷 技术应用又有所减少。 第四阶段，自2 1 世纪以来，随着巷旁