厚煤层回采巷道支护技术.pdf

声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， ， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含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 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名日期 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名卫L1 习i 导师签名 力 刎 ∥、 渤 以～ ≮少／／ 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 厚煤层回采巷道支护技术 摘要 我国为原煤生产大国，其中煤炭资源主要分布在中、西部地区，由于 各地区地质条件的区别，各地区在用的开拓方式也有所不同。在内蒙古地 区赋存大量的特厚煤层，由于煤层埋深相对较浅，多采用斜井开拓。由于 近年来国家经济发展迅速，对原煤需求量也急速提升，开采厚煤层是遇见 的问题亟需解决。厚煤层开采一般采取的采煤工艺为放顶煤工艺，可以极 大地提升矿井生产能力，同时放顶煤开采回采巷道的支护难度也在生产中 得到具体呈现，放顶煤工艺回采巷道顶板为厚煤层，由于煤层节理发育较 为完善，且内聚力较小致使煤层强度较低，当顶板煤层厚度达十几米时， 锚杆支护受巷道顶板围岩的岩性易破碎的原因，导致了锚杆支护对围岩的 反作用力没有达到预期效果，应力传递的不均匀且效果不明显。针对这一 类巷道围岩条件需要寻找到合理、有效的控制办法以解决此类巷道的支护 问题，对存在此类问题的矿井今后的安全、高效生产具有重要的意义。 本文结合不连沟煤矿F 6 2 0 4 运输顺槽的巷道围岩条件，调研现场顶板 围岩破碎情况，基于上述工作，对巷道支护进行理论分析、数值模拟计算， 提出合理的支护方案，后期对巷道围岩变性进行现场监测。本文主要研究 以下内容 1 通过实地调研，地质资料收集、分析，了解6 撑煤层具体赋存特征， 回采巷道断面特征，揭示回采巷道顶板围岩由厚度达十几米厚的煤层组成， 锚杆支护受巷道顶板围岩的岩性易破碎的原因，导致了锚杆支护对围岩的 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 反作用力没有达到预期效果，应力传递的不均匀且效果不明显； 2 通过数值模拟对厚煤层顶板的围岩特征进行分析，对锚杆索支护 模拟认为对于项板锚杆索支护必须想办法增加围岩应力的均匀且有效的 传递给围岩体，使之围岩的自称能力得以充分发挥，来保证支护效果达到 预期目的； 3 利用复变函数中的保角转换将矩形巷道及周边围岩区域投影到 另一个坐标系平面的单位圆内，在此单位圆上求解矩形巷道围岩各位置的 应力、应变； 4 基于力矩平衡推导出符合实际情况的矩形巷道顶板围岩普氏拱 轴线方程，并确定围岩不稳定区域，并根据鲁宾涅特推导的非均匀应力条 件下的塑性区分布确定围岩破坏区域，即确定锚杆长度应为2 ．4m ；锚索长 度应大于7 ．8m ； 5 基于上述理论分析与现场技术人员的反馈，分析扰动运输顺槽支 护具体因素、针对厚煤层项板围岩特征设计出巷道支护具体思路，利用数 值模拟方法对各方案进支护效果比较，最终，确定最优的厚煤层顶板条件 下回采巷道支护方案高强度螺纹钢锚杆 H 型钢带 金属网 锚索支护方 式； 6 对现场施工效果进行检查，对巷道围岩变形进行为期2 ．5 个月的 监测，最终分析得出项板厚煤层在巷道掘进初期和支护后以2m m ／d 的速 度下沉，观测期第4 0 天左右以后顶板处于相对稳定时期，项板变形总量约 为7 5m i l l ，顶板变形总量在此后观察的一段时间内基本保持不变。此结果 证明支护方案设计合理、效果显著。 I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 本文的研究既一定程度上解决了不连沟煤矿F 6 2 0 4 运输顺槽支护问题， 也为6 撑煤层其它回采顺槽提供了较为准确的参考，保证了6 撑煤层回采工作 顺利的进行。同时也为其他相似地质条件矿井巷道支护提供了成功的工程 类比参考案例。 关键词厚煤层，围岩控制，矩形回采巷道，普氏拱，锚杆 H 型钢带 锚索支护 I I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 S U P P O I U 、I N GO FN Ⅱc 、ⅡN GG A T E Ⅵ给Y ’S S U R R O U N D D 寸GR O C KU N D E RT H E T H I C KC O A LS E A M A BS T R A C T C h i n ai sac o a lp r o d u c t i o n c o u n t r y , t h ec o a l r e s o u r c e sa r e m a i n l y d i s t r i b u t e di nt h ec e n t r a la n dw e s t e r n r e g i o n s ，b e c a u s e o ft h ed i f f e r e n c eo f g e o l o g i c a l c o n d i t i o n si ne a c h a r e a ，t h ed e v e l o p m e n tm o d e i sa l s o d i f f e r e n t ．T h ee x t r at h i c kc o a ls e a mi s v e r yc o m m o ni nt h e a r e ao fI n n e r M o n g o l i aa n dt h es e a md e p t hi sr e l a t i v e l ys h a l l o w , S Ot h ei n c l i n e ds h a Ri s c o m m o n l yu s e d ．T h ep r o b l e mo ft h i c kc o a ls e a mm i n i n gh a v et ob es e t t l e d u r g e n t l yb e c a u s eo ft h er a p i d l yi n c r e a s i n gd e m a n df o rc o a li no u rc o u n t r yw i t h r a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ．T h et o p c o a ld r a w i n gt e c h n o l o g y c a n g r e a t l y i m p r o v e t h ep r o d u c t i o n c a p a c i t y o ft h em i n e ，b u tt h er e l e v a n ti s s u e sa r e a l s op r e s e n t e d ，f o re x a m p l et h er o a d w a ys u p p o r t ．T h eb e t t e rd e v e l o p m e n to f s e a m jo i n ta n dl o w e ro h e s i v es t r e n g t h i nm i n i n gr o a d w a yr o o fr e s u l ti nt h er o c k b o l t i n gr e a c t i o no nw a l lr o c kd i d n ’ta c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s w h e nt h e t h i c k n e s so fc o a ls e a mh a sb e e nm o r et h a nt e nm e t e r s ，a tt h es a m et i m et h es t r e s s t r a n s f e ri sn o tu n i f o r ma n dt h ee f f e c ti sn o to b v i o u s ．A c c o r d i n gt ot h i sk i n d o fr o a d w a y s u r r o u n d i n g r o c kc o n d i t i o n s ，w en e e d t of i n d t h er e a s o n a b l e ，e f f e c t i v ec o n t r o lm e a s u r e st os o l v et h ep r o b l e m i nt h em i n e V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 r o a d w a y , a n dt h es i g n i f i c a n c ei si m p o r t a n t ．T h ep a p e rc o m b i n ew i t hr o a d w a y s u r r o u n d i n gr o c kc o n d i t i o n so fF 6 2 0 4h a u l a g eg a t eo fB uL i a nG o uc o a lm i n e a n dr e s e a r c ho nt h er o o fr o c kb r e a k i n gc o n d i t i o n ．P 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 ts c h e m e b y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h ed e f o r m a t i o nm o n i t o r i n go fr o a d w a y s u r r o u n d i n g r o c ki s e v a l u a t ea l lt h e s ec l a i m s ． T h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t 1 T h r o u g ht h e f i e l d i n v e s t i g a t i o n ，g e o l o g i c a l d a t ac o l l e c t i o na n d a n a l y s i s ，t h eo c c u r r e n c ec h a r a c t e r i s t i c so fc o a ls e a m6 撑a n dc h a r a c t e r i s t i c so f e x c a v a t i o n w a s u n d e r s t o o d ，t h e e x c a v a t i o n r o o f s u r r o u n d i n g r o c k ’S c o n s t i t u e n t ～c o a ls e a mw i t ht e n so fm e t e r st h i c kw a s r e v e a l e d ，t h ef r a g i l e l i t h o l o g yo ft h ee x c a v a t i o nr o o fs u r r o u n d i n gr o c kc a u s e dt h er o c kb o l t i n gt ot h e s u r r o u n d i n gr o c k ’Sr e a c t i o nf o r c ed i dn o ta c h i e v et h ed e s i r e dr e s u l t s ，t h es t r e s s t r a n s f e ri sn o tu n i f o r ma n dt h ee f f e c ti sn o to b v i o u s ； 2 A n a l y s i n go ft h ef e a t u r eo fh i g hs e a mr o o fs u r r o u n d i n gr o c k ，a n d i m i t a t i n gt h er o c kb o l t i n gr o p es u p p o r t i n gi nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i n d i c a t et h a t f o rr o c kb o l t i n gr o p es u p p o r t i n g ，s u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sh a st ob ei n c r e a s e da n d e v e n l ya n de f f e c t i v e l yt r a n s f e rt ot h es u r r o u n d i n gr o c kt oe n s u r es u r r o u n d i n g r o c k ’Sb e a r i n gc a p a c i t yi n t of u l l p l a y , a n dt h es u p p o r t i n ge f f e c ta c h i e v et h e d e s i r e dp u r p o s e ； 3 B yu s i n gt h ec o n f o r m a lt r a n s f o r m a t i o ni nc o m p l e xv a r i a b l ef u n c t i o n ， r e c t a n g u l a rt u n n e la n d a r e aa r ep r o je c t e dt oa n o t h e rc o o r d i n a t ep l a n eo ft h e V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 u n i tc i r c l e ，t h es t r e s sa n ds t r a i no f e a c hp o s i t i o no f r e c t a n g u l a rt u n n e lo nt h eu n i t c i r c l ea r es o l v e d ； 4 T h er e c t a n g u l a rt u n n e lr o o fs u r r o u n d i n gr o c kt h a ti nl i n ew i t ht h ea c t u a l w a sd e r i v e da c c o r d i n gw i t ht h em o m e n tb a l a n c e ，u n s t a b l er e g i o no fs u r r o u n d i n g r o c kw a sa s c e r t a i n e d ，a n dd a m a g ea r e ao fs u r r o u n d i n gr o c kw a sa s c e r t a i n e d a c c o r d i n g t o p l a s t i cz o n ed i s t r i b u t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no fu n e q u a ls t r e s s o f l u b i n n i e t e ，1 ．e ．t h el e n g t ho fr o c kb o l ts h a l lb e2 ．4m ；c a b l el e n g t hs h o u l d b eg r e a t e rt h a n7 ．8m ． 5 B a s e do nt h ea b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h e f e e d b a c ko fs t a f fa t t h e s c e n e ，s p e c i f i cf a c t o r sd i s t u r b i n gs u p p o r tw a yi nt r a n s f o r tc r o s s h e a d i n g s w e r ea n a l y z e d ．A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs e a mr o o fs u r r o u n d i n g r o c k ，s p e c i f i ci d e a s o f r o a d w a ys u p p o r t i n g w e r e d e s i g n e d ．B yu s i n gt h e m e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w e c o m p a r e d t h es c h e m e ’S s u p p o r t i n g f u n c t i o n ．F i n a l l y , w e a s c e r t a i n e db e s te x c a v a t i o ns u p p o r t i n gs c h e m eu n d e rt h e c o n d i t i o no fh i g hs e a mr o o f h i g hs t r e n g t hb o l t Hb e a m a n c h o r m e t a l n e t w o r ks u p p o r t i n g ； 6 T o c h e c ks i t ec o n s t r u c t i o ne f f e c t ，t om o n i t o r r o a d w a ys u r r o u n d i n g r o c kd e f o r m a t i o nf o rap e r i o do f2 ．5m o n t h s ，t h ef i n a la n a l y s i si n d i c a t et h a t a tt h ee a r l ys t a g eo fr o a d w a ye x c a v a t i o no ra f t e rs u p p o r t i n gh i 曲s e a mr o o fs i n k s i n2m m ／ds p e e da n da f t e rt h eo b s e r v a t i o np e r i o do ff o r t i e t hd a y s ，t h er o o fi si n ar e l a t i v e l ys t a b l ep e r i o d ，a n dt h er o o fd e f o r m a t i o na m o u n ti sa b o u t7 5r n l T la n d r e m a i n e db a s i c a l l yu n c h a n g e da f t e rt h eo b s e r v a t i o np e r i o d ． V I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 T h er e s u l ts h o w st h a tt h es u p p o r t i n gd e s i g ni sr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v e ．T h e s t u d yn o to n l yt oac e r t a i ne x t e n tt os o l v et h eB uL i a nG o um i n eF 6 2 0 4h a u l a g e g a t es u p p o r tp r o b l e m s ，b u t a l s op r o v i d e sam o r ea c c u r a t e r e f e r e n c ef o ro t h e rm i n i n g6 撑c o a ls e a mr o a d w a y , e n s u r et h e6 撑c o a l - b e d s t o p i n gw o r kc a r r i e do u ts m o o t h l y ．A tt h es a m et i m e ，t h es t u d ya l s op r o v i d e sa s u c c e s s f u le n g i n e e r i n g a n a l o g yr e f e r e n c e c a s ef o ro t h e rs i m i l a rg e o l o g i c a l c o n d i t i o n so fc o a lm i n er o a d w a ys u p p o r t ． K E Y W O R D S T h i c kc o a l s e a m ，S u r r o u n d i n gr o c kc o n t r o l ，R e c t a n g u l a r r o a d w a y , L i m i te q u i l i b r i u mC o v e y , B o l t b e a m c a b l es u p p o r t 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．X I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 论文研究的背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1 论文研究的背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 论文研究目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．1 巷道围岩支护理论发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 巷道支护技术现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 本文主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 1 ．3 ．1 本文主要研究内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．2 本文研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 第二章厚煤层项板下运输顺槽围岩变形特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．1 地面位置及邻近采区概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．2 煤层赋存特征及项、底板围岩概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 ．3 地质构造对回采工作的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．4 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 ．5 地质部门建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2F 6 2 0 4 运输顺槽巷道变形数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．1 数值模拟的目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．2 数值模拟的基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．3F L A C 3 D 模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3F 6 2 0 4 工作面运输顺槽变形、破坏模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．3 ．1 厚煤层项板条件下运输顺槽围岩受力特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．3 ．2 厚煤层项板条件下F 6 2 0 4 运输顺槽围岩变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 X 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ．3 ．3 厚煤层项板条件下F 6 2 0 4 运输顺槽围岩破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 2 ．4 厚煤层顶板条件下的运输顺槽失稳破坏特征总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 第三章巷道围岩应力与变形理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 圆形、椭圆形巷道断面形式其围岩应力与变形规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 ．1 圆形巷道⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．1 ．2 椭圆形巷道⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．2 矩形巷道围岩应力分布规律与粘弹性变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．2 ．1 矩形巷道围岩应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．2 ．2 矩形巷道围岩粘弹性变形特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 3 ．3 不连沟煤矿F 6 2 0 4 运输顺槽围岩控制技术分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 第四章厚煤层项板下矩形回采巷道围岩控制理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．1 针对F 6 2 0 4 运输顺槽的巷道支护思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 回采巷道在厚煤层项板条件下围岩控制机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．2 ．1 水平方向应力分布特征对巷道项板冒落影响及机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．2 ．2 非均匀应力作用下的巷道围岩塑性区范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 3F 6 2 0 4 运输顺槽塑性圈计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 锚索 锚杆 H 型钢带 金属网的巷道支护设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．3 ．1 基础支护形式锚杆 H 型钢带 网⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．3 ．2 锚索加强支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．4F 6 2 0 4 巷道支护工程质量规定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 第五章支护效果数值模拟与现场监测分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．1 支护方案数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 2 ．3 ．4 厚煤层顶板条件下F 6 2 0 4 运输顺槽锚杆、锚索支护分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 5 ．2 巷道围岩变形监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．2 ．1 监测技术方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 X I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 ．1 论文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 6 ．2 展望与不足⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 攻读学位期间发表的学术论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 X I I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 论文研究的背景及意义 第一章绪论弟一早殖比 1 ．1 ．1 论文研究的背景 2 0 1 4 年，中国的原煤生产总量高达3 8 ．7 亿吨【1 1 。改革开放以来，我国经济进入飞速 发展时期，在此期间煤炭行业也经历了几个黄金石时间段【2 ，3 1 。十七大首次对我国2 0 2 0 年实现G D P 比2 0 0 0 年翻两番提出要求。由于我国目前产业结构仍以第一、第二产业为 主，能源消耗仍以煤炭为主，在未来若干年内煤炭的需求量仍不会产生较大幅度的降低。 我国煤炭开采多采取地采形式，需要在井田范围内开挖一系列开拓、准备、回采巷道， 大部分巷道位于煤层底板线水平附近，沉积岩地层中岩石由于其自身形成原因致使巷道 围岩性状错综复杂。随煤炭开采规模的发展，不同地质条件下遇见的开采相关技术问题 日益凸显，如巷道支护问题随矿井井型、运输方式、地质条件、断面特征、服务年限等 因素的扩展变得困难，甚至影响煤矿安全、高效的生产【4 5 】。如何提高围岩稳定性的控制 效果引起广泛关注。 保证巷道围岩稳定是采矿工程作业的前提，巷道支护是矿井生产中的一项至关重要 的工作。综合巷道断面形式、大小、用途、围岩特征、埋深等因素对巷道围岩支护效果 的要求及影响，确定合理的方案，并严格执行实施、检查。避免巷道支护事故，提高系 统工作效率。不同地区地质条件有其自身特殊性，巷道围岩条件也受多种自然因素的综 合影响而千差万别，尤其是厚煤层的赋存条件，当巷道沿项或沿底掘进时，由于一般煤 体自身的强度相对岩石较低且节理裂隙受应力二次分布影响，节理易发育弱化煤体的围 岩条件，导致巷道围岩强度较低，易变形、破碎，巷道顶板围岩塑性破坏圈较大，顶板 位移量较大。此种条件下巷道支护不能仅仅采用工程类比法进行支护方案的确定，围岩 性质和巷道断面类型的微弱区别将会产生两种差异很大的支护效果，单独依靠工程类比 法无疑增加了巷道支护风险。目前厚煤层分布地区较为广泛，开采厚煤层时回采巷道顶 板及两帮围岩控制对正产生产起决定性作用[ 6 , 7 1 。 综合分析其他矿井厚煤层开采实例，总结出影响厚煤层顶板巷道支护效果的因素如 下 1 煤层属于沉积岩地系，在形成过程中经各种地质作用后，煤层中裂隙较多， 遇水膨胀较为严重，因此，煤层强度较弱。 2 厚煤层顶板中采用传统的锚杆、锚索 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 支护方式，其锚固范围内形成的锚固体仍在厚煤层中，由于煤层强度弱，锚固体自身强 度不足以支撑上覆围岩，且煤层的应力传递能力较弱，不能达到锚杆锚索支护形式的预 期支护效果。 3 煤层中存在的原生裂隙在巷道开挖以后，受围岩应力二次分布的影 响，裂隙再次扩展，导致顶板再次弱化，易破碎冒落，巷道围岩应力重新分布后，围岩 塑性破坏区域面积较大，即使采取增加支护密度的措施仍不能完全消除安全隐患。近年 来，巷道冒顶事故占矿井安全事故的比例显示出巷道支护己然成为影响矿井生产效率的 主要因素之一哺J 。 重点考虑以上厚煤层开采中巷道支护主要影响因素及生产过程中遇见的主要问题， 结合不连沟煤矿F 6 2 0 4 工作面运输顺槽的厚煤层顶板条件下的巷道支护实际情况，结合 F 6 2 0 4 运输顺槽数值模拟分析，F 6 2 0 4 工作面主采煤层为6 } } 煤，平均厚度为1 9 ．4m ，该 工作面运输顺槽沿底掘进，顶板中含有厚度达1 5 ．7 m 煤体，在采用锚索构件时锚索长度 不足以穿透顶板中厚煤层，煤层强度较低，不能承担锚索支护中锚固承载层的作用；又 由于煤层中的原生裂隙、再生裂隙分布较为广泛，致使巷道顶板围岩强度较弱，顶板围 岩塑性区域面积较大；这些地质因素均增加了冒顶事故的隐患。由于顶板煤层中裂隙较 多，煤层应力传递能力则相对较差，锚杆与锚索支护过程中联合作用效果较弱，由于煤 层自身特性导致锚杆、锚索锚固效果也相对较差，而支护结构在顶板中需要承受较大的 围岩重力，锚索脱离煤层而失效的情况将时有发生。数值模拟实验时上述现象在单一的 锚杆、锚索联合支护方案中均得到体现。如果仅仅依靠增加支护密度的方法来加强支护、 提升支护效果相对不明显，且增加矿井经济开支、造成支护材料浪费、影响巷道掘进速 度与采掘计划，制约了矿井生产系统整体工作效率的发挥。 1 ．1 ．2 论文研究目的与意义 我国煤矿井下巷道8 0 ％以上是煤巷、半煤岩巷，巷道围岩多为松软体或遇水软化膨 胀岩体。建设安全、高效矿井的一项重要工作就是要确保巷道的安全、快速掘进，同时 要求在减少巷道的支护与维护成本的基础上保证巷道使用期间的围岩稳定，因此，研究 与发展巷道支护理论、技术是发展现代化矿井进程中重要的工作之一。 本文以目前我国原煤主产区部分矿井开采特厚煤层为环境背景，针对其生产过程中 厚煤层顶板下矩形回采巷道支护存在的主要困难，具体工程实例选用不连沟煤矿F 6 2 0 4 工作面运输顺槽，分析F 6 2 0 4 工作面运输顺槽围岩性质，通过实验结果获取围岩具体强 度参数，采用矩形巷道围岩应力分布与变形特征理论分析巷道围岩变形、破坏特征。确 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 定巷道围岩应力分布后即可利用相关本构模型推算出围岩塑性区域范围、顶板围岩运移 规律、项板冒落几率较高的范围。进而确定锚杆、锚索的类型、长度、支护密度。在厚 煤层顶板条件下锚索支护无锚固承载层，在此情况下分析、设计合理的支护方案解决运 输顺槽支护困难，为其他相似矿区提供较为成熟的支护理论作指导，在工程类比法中作 为成功的案例作为参考，从而保证厚煤层采煤方法中矩形回采巷道围岩稳定控制。 保证F 6 2 0 4 工作面运输顺槽厚煤层顶板、两帮围岩稳定性，首先，提高了F 6 2 0 4 工 作面运输顺槽掘进速度、安全性。其次，对6 } } 煤层其他回采巷道支护方案提供相似度非 常高的参照，同时对盘区采掘衔接起有利作用，提升盘区作业效率，增加系统安全可靠 性。对整个矿井生产起重要作用。研究矩形巷道应力分布、变形特征为回采巷道支护提 供重要的理论依据，为研究项板煤层运移、破坏规律奠定理论基础，结合普氏拱理论在 厚煤层顶板中的应用，最终设计出合理、经济的支护方案。将上述研究运用到实际工作 中，分析支护效果后，对支护方案进行合理修正，此研究内容具有重要的工程实践潜力。 1 ．