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太原理工大学硕士研究生学位论文 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 孤岛综放面沿空窄煤柱合理宽度及其稳定性研究 摘 要 近年来，随着煤矿开采技术的不断发展与完善，实施留窄煤柱沿空掘 巷技术在生产中得到了广泛的应用，而且窄煤柱减少了区段煤柱损失，提 高了煤炭采出率。然而孤岛综放面沿空巷道围岩稳定性相对于一般非孤岛 综放面沿空巷道围岩的稳定性较差，矿压显现更加剧烈，同时护巷窄煤柱 留设宽度的不合理将造成巷道严重变形与破坏，需要多次返修，不仅增加 维修费用，而且对工作面安全生产造成隐患。本文以百盛煤矿 3204 孤岛综 放面为研究背景，在总结和吸取前人研究成果的基础上，通过构建围岩结 构力学模型、理论分析、数值模拟及现场工程实测等手段，对孤岛综放面 的围岩结构特征、支承应力分布规律、护巷窄煤柱留设宽度及沿空巷道围 岩的稳定性等进行各项研究。取得的主要研究成果如下 （1）3204 孤岛综放面上覆岩层在垂直方向上呈对称“T”型结构，在工 作面端头基本顶呈“铰接三角板”结构。 在此结构的作用下， 孤岛综放面超前 支承压力集中系数和侧向支承压力集中系数均较一般非孤岛综放面高。 （2）基于孤岛综放面的围岩结构特征，建立了相应的沿空巷道围岩结 构力学模型，并结合应力微分平衡方程进行了解析式的推导，得出了 3204 孤岛综放面沿空巷道边缘应力极限平衡区宽度 X0为 1.03m。 根据“内外应力 场”理论，得出了 3204 孤岛综放面的内应力场范围 S0为 11.6m。由此确定 3204 孤岛综放面沿空窄煤柱的理论宽度范围是 4.127.4m。 （3）数值模拟研究了孤岛综放面沿空巷道掘进期间和工作面回采期 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 间，不同宽度煤柱条件下，煤柱帮及回采帮应力场、位移场和塑性破坏区 的变化规律。随着护巷窄煤柱宽度的增加，其应力增加，承载能力逐渐增 大，巷道围岩变形量逐渐减小。从工作面安全开采、煤炭回收率及经济效 益的角度考虑，3204 孤岛综放面沿空窄煤柱的合理宽度为 5m。 （4）对巷道围岩表面及深部位移、锚杆载荷的现场监测数据表明 3204 孤岛综放面沿空护巷窄煤柱 5m 时，回采巷道两帮最大移近量为 680mm，顶底板最大移近量为 396mm，巷道支护设计满足安全生产要求。 关键词孤岛综放面，窄煤柱，沿空巷道，围岩稳定性 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON THE REASONABLE WIDTH AND STABILITY OF NARROW COAL PILLAR ON THE ISOLATEDISLAND FULLY MECHANIZED CAVING FACE ABSTRACT In recent years, with the continuous development and improvement of coal mining technology, the implementation of the technique of leaving the narrow pillar in the roadway along the empty road has been widely used in production, and the narrow coal pillar has reduced the loss of the section pillar and improved the coal mining. rate. However, the stability of the surrounding rock of the roadway in the island fully mechanized caving face is relatively poor compared with the surrounding rock of the roadway in the general non-isolate fully mechanized top-coal caving face, and the mine pressure appears more severely. At the same time, the unreasonable width of the narrow pillar of retaining roadway will be unreasonable. The roadway is seriously deed and damaged, requiring multiple repairs, which not only increases maintenance costs, but also causes hidden dangers to the safety of the working face. In this paper, based on the research background of fully-mechanized fully-mechanized caving face of 3204 island in Baisheng Coal Mine, on the basis of summarizing and drawing on the achievements of previous researches, the of calculating, theoretical analysis, numerical simulation and on-site engineering measurement of the 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV surrounding rock structural mechanics model is used to study the island complex. The surface structure characteristics of the surrounding rock, the distribution law of the bearing stress, the width of the narrow coal pillar retaining the roadway, and the stability of surrounding rock of the roadway along the roadway are presented. The main research results of this paper are as follows 1 The overburden on the 3204 isolated island fully mechanized face has a symmetrical “T” structure in the vertical direction, and a “articulated triangle block” structure at the top of the working face. Under this structure, the leading supportpressureconcentrationfactorandthelateralsupportpressure concentration factor of the island fully mechanized top-coal caving face are higher than those of the general non-isolized fully-mechanized caving face, and are affected greatly by the mining action. 2 Based on the analysis of surrounding rock structure characteristics of isolated island fully-mechanized caving face, a corresponding structural model of surrounding rock mass was established. Combining the stress differential equilibrium equation, the analytical ula was deduced, and the 3204 fully mechanized caving face was obtained. The marginal limit equilibrium width X0 of the edge of the empty coal body is 1.03m. According to the “inner and outer stress field“ theory, the S0range of the internal stress field for the fully mechanized face of the 3204 island is 11.6m. From this, it is determined that the theoretical width of the narrow coal pillars along the fully mechanized caving face of 3204 island is 4.127.4m. 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V 3 Numerical simulations were conducted to study the change law of the coal pillars help and stopage stress field, displacement field and plastic failure zone under the condition of different width coal pillars during the excavation of the roadway and the mining face of the island. With the increase of the width of the narrow pillar of roadway, the internal stress increases, the bearing capacity gradually increases, and the deation of roadway surrounding rock decreases gradually. From the viewpoint of safe mining of working face, coal recovery rate and economic benefit, the reasonable width of narrow coal pillars along the fully mechanized caving face of 3204 island is 5m. 4 The on-site monitoring data on the surface and deep displacement of roadway surrounding rock and the anchor load show that When the narrow pillar of the roadway of the 3204 island full mechanized caving face is 5m, the maximum moving distance of the two gangways of the mining roadway is 680mm, and the maximum of the roof and floor is The approach volume is 396mm,and the roadway support design meets the safety production requirements. KEY WORDSisolated island fully mechanized caving face, narrow coal pillar, roadway along empty space, rock stability 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目录 第一章 绪论...............................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义...........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...........................................................................................................2 1.2.1 采场覆岩活动规律.............................................................................................2 1.2.2 沿空巷道围岩变形破坏规律.............................................................................4 1.2.3 护巷煤柱宽度.....................................................................................................5 1.2.4 巷道围岩控制.....................................................................................................6 1.3 存在问题及发展趋势...................................................................................................7 1.4 研究内容与方法...........................................................................................................9 1.4.1 主要研究内容.....................................................................................................9 1.4.2 研究方法..............................................................................................................9 第二章 孤岛综放面工程地质特征及围岩结构与应力分析.................................................11 2.1 工程地质概况.............................................................................................................11 2.1.1 矿井简介...........................................................................................................11 2.1.2 工作面位置.......................................................................................................12 2.1.3 水文地质...........................................................................................................12 2.1.4 其他开采技术条件...........................................................................................13 2.2 孤岛综放面围岩结构特征分析.................................................................................14 2.3 孤岛综放面围岩应力分布特征.................................................................................17 2.4 本章小结.....................................................................................................................17 第三章 孤岛综放面沿空巷道围岩稳定性分析.....................................................................19 3.1 沿空掘巷支承压力分析..............................................................................................19 3.1.1 沿空掘巷方式...................................................................................................19 3.1.2 沿空掘巷支承压力分布特征............................................................................19 3.2 沿空巷道侧向支承应力分析.....................................................................................21 3.2.1 沿空巷道侧向应力分布....................................................................................21 3.2.2 沿空巷道应力极限平衡区................................................................................22 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 3.3 沿空巷道围岩结构力学模型......................................................................................25 3.4 沿空巷道围岩支护效果分析......................................................................................28 3.4.1 沿空巷道围岩应力状态...................................................................................28 3.4.2 沿空巷道支护强化效果数值分析....................................................................28 3.5 本章小结.....................................................................................................................30 第四章 孤岛综放面沿空窄煤柱合理宽度研究.....................................................................33 4.1 窄煤柱合理宽度确定的基本原则..............................................................................33 4.2 沿空窄煤柱的理论宽度.............................................................................................33 4.2.1 沿空窄煤柱留设宽度的上限值.......................................................................34 4.2.2 沿空窄煤柱留设宽度的下限值.......................................................................34 4.3 沿空窄煤柱合理宽度的数值分析.............................................................................34 4.3.1 数值模型的建立...............................................................................................34 4.3.2 掘巷阶段巷道围岩应力及变形规律...............................................................37 4.3.3 回采阶段巷道围岩应力及变形规律...............................................................42 4.4 本章小结.....................................................................................................................53 第五章 沿空窄煤柱巷道围岩稳定性的现场监测及分析.....................................................55 5.1 沿空巷道支护设计......................................................................................................55 5.1.1 孤岛综放面回风巷道支护设计........................................................................55 5.1.2 回风巷道超前加强支护...................................................................................58 5.2 回风巷道矿压监测方案设计.....................................................................................59 5.2.1 矿压监测内容....................................................................................................59 5.2.2 测点布置............................................................................................................59 5.3 表面位移观测分析......................................................................................................61 5.3.1 掘进期间围岩表面位移观测分析....................................................................61 5.3.2 回采期间围岩表面位移观测分析....................................................................62 5.4 围岩深部位移观测......................................................................................................63 5.4.1 掘进期间围岩深部位移观测............................................................................63 5.4.2 回釆期间围岩深部位移观测............................................................................63 5.5 巷道顶板离层观测......................................................................................................64 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IX 5.5.1 掘进期间顶板离层观测....................................................................................64 5.5.2 回采期间顶板离层观测....................................................................................65 5.6 锚杆载荷观测..............................................................................................................66 5.6.1 掘进期间锚杆载荷观测........................................................错误未定义书签。错误未定义书签。 5.6.2 回采期间锚杆载荷观测....................................................................................67 5.7 本章小结.....................................................................................................................68 第六章 结论与展望.................................................................................................................69 6.1 主要结论.....................................................................................................................69 6.2 不足与展望.................................................................................................................70 参考文献...................................................................................................................................71 致谢...........................................................................................................................................75 攻读硕士期间发表的学术论文...............................................................................................77 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 X 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 煤炭是我国的主要能源，2017 年煤炭占一次能源的生产和消费分别为 68.2和 60.3，在未来相当长的时期内，我国仍将保持以煤为主的能源消费结构。根据中国共 产党第十九次全国代表大会报告中指出大力推进生态文明建设， 建立健全绿色低碳循环 发展的经济体系， 坚持节约资源和保护环境的基本国策。 目前， 煤炭资源的合理化开采、 煤炭资源回收率高效化提高， 进一步减轻煤炭开采对生态环境的影响已经成为我国煤炭 工业研究与发展的主要方向[1-2]。 随着采煤工艺及技术的发展， 孤岛工作面成功回采的例 子不胜枚举，例如潞安集团王庄矿、淮南矿业集团谢桥矿、国投新集能源股份有限公司 新集二矿等都对孤岛工作面进行过成功的开采。 煤矿生产过程中，孤岛工作面的形成原因一方面是为了实现工作面回采接续，减少 连续工作面回采过程间的扰动，同采区通过跳采的方法，因此形成孤岛工作面。另一方 面，由于煤层地质条件的限制、断层构造影响和老采空区的存在形成了多种形式的孤岛 工作面，其中包括三面采空区孤岛工作面，甚至是四面均为采空区的孤岛工作面。与一 般非孤岛面相比较，孤岛工作面上覆岩层结构较复杂、矿压显现较为剧烈，而且回采巷 道变形较为严重，严重影响工作面正常回采。因此掌握矿压显现规律、采用合理的支护 方案，从而有效的控制巷道围岩的变形成为影响孤岛工作面安全高效回采的关键因素。 长期以来，煤矿采用留设煤柱的方式维护巷道的稳定，护巷煤柱的宽度随着开采深 度的增加而逐渐增大，致使煤炭回采率逐渐降低。自 1950 年起，国内外进行了无煤柱 护巷技术研究，该技术主要包括沿空掘巷方式和沿空留巷方式。通过对该技术的不断研 究应用，了解了压力显现的基本规律，在巷道围岩控制方面取得了一定研究成果[3-8]，推 动了无煤柱护巷技术的应用与发展。 通过对两种无煤柱护巷方式的对比可知， 沿空留巷与沿空掘巷实施时围岩应力环境 不同，从而巷道变形不同。沿空留巷是在上区段工作面回采期间实施的，通过维护上区 段工作面的回采巷道为下区段工作面回采服务， 因此沿空留巷经历上区段工作面及本工 作面回采的两次采动影响，巷道顶底板、两帮都会发生强烈变形。而沿空掘巷是在上区 段工作面回采结束、岩层运动结束、围岩应力分布趋于稳定之后进行的。沿空掘巷形成 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 的巷道处于应力降低区，通过留设合理的护巷煤柱并采用恰当的支护方法与合理选择支 护参数，维护巷道的稳定性。此时巷道只经历本工作面回采引起的采动影响。因此我国 许多矿井采用沿空掘巷方式。 孤岛综放面沿空掘巷技术的发展与应用标志着综放面回采巷道支护技术走进了新 的高度，同样标志着我国煤炭开采技术的创新和进步。但对于孤岛综放面沿空掘巷的稳 定原理及其控制技术还是不成熟，一些普遍的具有广泛使用性的规律有待于进一步探 索，如关于孤岛综放面沿空掘巷上方“铰接三角块”的稳定状况的研究尚不完善，孤岛综 放面窄煤柱的稳定性的控制技术及锚杆支护巷道形成的锚固体与外围岩层的相互作用 均有待进一步研究。这些均制约了孤岛综放面沿空掘巷技术的发展。 本文就孤岛综放面围岩结构特征及应力分布状况进行分析， 通过构建力学模型进行 理论计算，运用FLAC3D软件进行数值模拟，结合百盛煤矿3204孤岛综放面现场监测， 确定孤岛综放面沿空窄煤柱留设的合理宽度及合理的支护方案，从而降低煤炭损失率， 降低巷道支护和维护费用，对提高矿井安全生产及经济效益具有重要的现实意义，并期 望对类似孤岛综放面具有指导和借鉴作用。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 采场覆岩活动规律 窄煤柱留设宽度及其围岩控制与采场上覆岩层运动密切相关， 也就是在搞清楚采场 上覆岩层活动规律及矿山压力分布的基础上，解决沿空窄煤柱宽度的有关问题，从而维 护沿空巷道围岩的稳定性。 采场覆岩活动主要包括上覆岩层的运动、变形和破坏等。了解采场覆岩的活动规律 是控制顶板岩层稳定性的基础，即上覆岩层活动规律直接影响煤矿安全生产[9-12]。自 19 世纪末，国内外学者在长期的生产实践中对采场覆岩的活动规律进行了大量的研究，提 出了各类相关的采场矿山压力理论及假说。 1916 年德国学者施托 克KStoke基于工作面出现的周期来压现象提出了悬臂梁假 说，该假说认为采场顶板岩层为连续性介质，随着顶板的垮落，可看成一端固定于岩体 内的悬臂梁， 当悬臂梁的长度达到一定范围时就会发生断裂和垮落从而引起工作面周期 来压。1928 年德国学者吉里策尔（G.Gillitzer）和哈克（W.Hack）基于工作面支架载荷 小于上覆岩层的重力提出了压力拱假说， 该假说认为工作面回采期间岩层达到自然平衡 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 期将形成“压力拱”，它是由工作面前方煤体与采空区垮落的矸石形成的支撑点承担上覆 岩层的重量，工作面支架只承担拱内岩石的重量。工作面前方煤体及采空区矸石支撑点 处分别形成高应力区，工作面空间则为低