千秋矿深部回采巷道支护研究.pdf

硕士学位论文 论文题目论文题目 千秋矿深部回采巷道支护研究 英文题目英文题目 The Qianqiu mine deep mining roadway support research 学位类学位类别别 硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 朱师波 学号学号 201102415___ 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 郝全明 职称职称 教授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2013 年 6 月 7 日 分类号分类号 TDTD3 3 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 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。 关于学位论文使用授权的说明关于学位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，即研究 生院有权保留送交学位论文在学校相关部门存档，允许论文在校内被查阅和借 阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。在论文作者同意的情况 下，研究生院可以转授权第三方使用查阅该论文。 （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） 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 随着埋深增加和地质构造条件的日益复杂，再加上冲击地压显现更加强烈，深部巷道 围岩应力显著增大，始终是巷道支护中的一个比较棘手的问题，对于深部回采巷道，其支 护方式大多为联合支护，从实践和理论来看这种支护形式往往达不到理想的支护目的，或 者就是达到一定的支护目的之后其支护成本太高。针对具体的深部回采巷道，选择既经济 又合理的联合支护方式，并对其支护参数进行合理的优化，具有很大的研究价值和实际意 义。 本文以千秋煤矿深部回采巷道的支护为具体工程实例，对巷道围岩的物理力学参数进 行测试，为21141工作面下巷的支护方案的设计提供依据。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100m长的锚网喷联合支护的现场工业性试验，试 验中也配合深孔爆破卸压和煤层高压注水卸压的方式对该巷道进行支护。运用了强支护、 强卸压的支护理念。试验结束后对其进行矿压观测，对支护效果进行评价。最后将试验巷 道的支护效果和现有的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 深井巷道具有良好的支护效果。该技术成功解决了随着埋深增加和地质构造条件的日益复 杂，再加上冲击地压显现更加强烈，深部巷道围岩应力显著增大，致使巷道破坏严重、难 以支护的难题。完全可以满足生产需要，减少大量巷道维修费用。不但为千秋煤矿深部回 采巷道支护提供了有力的技术保障，促进了矿井的安全生产，同时也为类似条件下巷道支 护提供了良好的借鉴，为21141工作面实现高产高效创造了条件。 关键词关键词深部回采巷道；；高应力；锚网喷；联合支护 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract With the increasing of buried depth and geological condition become more and more complex, coupled with the rockburst more intense, deep roadway surrounding rock stress increased significantly, to solve it is much more difficult. For deep roadway, the supporting s always are combined support, from the practice and the theory of this of support is often less than ideal, or to achieve certain purpose with high cost . In view of the deep roadway concrete, economical and reasonable combination support, and optimizing the supporting parameters, has great research value and practical significance. My article based on the concrete engineering of the deep roadway in Qianqiu Coal Mine, and the physical and mechanical parameters of surrounding rock of roadway test, provide the basis for the 21141 working face in roadway support design. The design and calculation of the anchor net spray support scheme depend on engineering analogy and theory, and then testing in 100m long roadway, the experiment also with deep hole blasting of high pressure water injection pressure and unloading coal unloading on the roadway support. With the strong support, strong pressure relief support concept. Base on the observation of the mine pressure, to uate the support effect. And then, compare the effect of roadway supporting with U steel supporting that analyzed existing. The results show that, anchor spray support of high stress in deep tunnel has better supporting effect. This technology successfully solved the problem that the increase of buried depth and complex geological condition, coupled with the rockburst appeared more intense, deep roadway surrounding rock stress increased significantly, which results in serious damage and it’s difficult to support. It meets the need of production, and reduces the amount of roadway repair costs. It not only provide powerful technical support for the coal mine deep roadway supporting, promoting the safe production of the mine, but also provides a good reference to the similar condition of roadway support, creating a high yield and high efficiency condition for the 21141 working face. Key WordsKey WordsDeep roadway; high-stress; anchor net spray; combined support 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 研究的意义和目的 .......................................................................................................... 1 1.1.1 研究的意义 ............................................................................................................ 1 1.1.2 研究的目的 ............................................................................................................ 2 1.2 煤矿深井巷道支护的研究现状 ..................................................................................... 2 1.2.1 深井巷道支护理论的研究现状 ........................................................................... 2 1.2.2 深井巷道支护技术的发展现状 ........................................................................... 5 1.2.3 深井巷道支护设计的研究现状 ........................................................................... 6 1.3 主要研究内容及研究思路............................................................................................. 6 2 千秋煤矿21141 工作面下巷围岩物理力学性质研究 ........................................................... 8 2.1 煤、岩样的选取及尺寸 .................................................................................................. 8 2.2 试验所需的设备、工具和仪器 ..................................................................................... 9 2.3 试样的基本性质 ............................................................................................................ 9 2.4 煤岩物理力学参数的测定 ............................................................................................ 11 2.4.1 煤岩视密度 .......................................................................................................... 11 2.4.2 2 号煤层的煤的坚固性系数的测定 ............................................................... 12 2.4.3 煤岩抗拉强度 ...................................................................................................... 14 2.4.4 煤岩单轴抗压强度 ............................................................................................. 15 2.4.5 煤岩杨氏模量 ...................................................................................................... 18 2.4.6 煤、岩石的三轴压缩试验 ............................................................................... 19 2.5 煤岩物理力学参数测定结果 ....................................................................................... 21 3 千秋煤矿21141 工作面下巷支护方案的研究 ..................................................................... 26 3.1 矿井概况 ......................................................................................................................... 26 3.2 21141 工作面下巷支护情况及其存在问题分析 ..................................................... 27 3.3 21141 工作面下巷支护方案的设计 .......................................................................... 28 3.3.1 21141 工作面下巷支护改进途径 ................................................................... 28 3.3.2 锚网喷支护参数的设计 ................................................................................... 29 3.4 理论验算锚喷网支护设计参数的可行性 ................................................................... 32 4 锚网喷联合支护方案的工业性试验 ...................................................................................... 36 4.1 爆破卸压 ......................................................................................................................... 36 4.2 高压注水水力压裂卸压 ................................................................................................ 41 4.3 锚网喷支护在井下的工业性试验 ............................................................................... 44 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 4.3.1 锚网喷支护参数的确定 ..................................................................................... 44 4.3.2 21141 工作面下巷支护施工工艺 ................................................................... 46 4.3.3 安全技术措施 ...................................................................................................... 48 4.4 工业性试验巷道的现场矿压监测 ............................................................................... 49 4.4.1 矿压观测前的准备工作 ..................................................................................... 49 4.4.2 矿压观测的内容和方法 ..................................................................................... 50 4.4.3 观测数据的分析 .................................................................................................. 53 4.4.4 工业性试验效果 .................................................................................................. 64 5 论文的主要结论 ....................................................................................................................... 65 参考文献 ........................................................................................................................................ 67 在学研究成果 ............................................................................................................................... 70 致 谢 ........................................................................................................................................ 71 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 研究的意义和目的研究的意义和目的 1.1.1 研究的意义研究的意义 据我国近几十年的相关资料统计表明，中国的生产矿井的井深正在以平均每年 9.3 米的速度向深部发展[1]。其主要原因是我国处于快速发展的关键时期，由于发展 不断加大，浅部煤炭资源不断减少，只有深部煤炭资源能够满足我国工业、生活等 方面的需要。 矿山灾害事故，在这几年中，呈逐年上涨趋势。究其主要原因就是地应力随着 采矿活动的日益深入而逐渐增大[2]。随着矿井深度的增加，在深部矿井中出现的工 程灾害因素比在较浅部开采时更加明显，具体有采区的地压显现的更为突出、回 采巷道更容易破坏、岩爆发生频率增多和巷道围岩变形增大等因素导致了很多较严 重的矿井事故[3]。此外，巷道表面位移随着岩层压力的增大而明显加大，致使支护 系统严重受到破坏，最终使巷道的维修、维护的难度和费用都明显增大很多。据不 完全调查统计，矿山灾害事故总数的 41％左右都是深部采矿时所发生的巷道围岩的 各种破坏造成的。这些灾害之后要对现场进行维修、加固，严重的还要对巷道进行 重新开挖，这些工作所耗费用再加上对开采工作的顺利进行造成的阻碍影响所带来 的经济损失非常大。 随着矿井开采深度的不断增加，达到深部开采范围之后，地压、变形的持续增 大明显的出现在巷道围岩中。这些造成了深部回采巷道掘进与维护的难度，并且在 施工中安全隐患大大提高。对于大部分深部巷道的支护，其支护的材料费用和维护 费用往往比浅部巷道高出 4-5 倍。对于这类巷道，需要对其进行多次支护、维护、 扩刷和返修。对于深部回采巷道，由于其围岩的不稳定性，巷道在掘出后的很短时 间内就出现巷道表面岩体和支护体的离层，从而严重的对安全生产造成威胁[1]。 本文主要对千秋煤矿 21141 工作面下巷的支护情况进行论述和研究。长期以 来，随着埋深增加和地质构造条件的日益复杂，再加上冲击地压显现更加强烈，深 部巷道围岩应力显著增大，始终是巷道支护中的一个比较棘手的问题，特别是在高 应力状况下，又受到采动动压影响的巷道支护更是煤矿巷道支护中的一个难点。千 秋煤矿西翼工作面下巷冲击地压比较频繁。巷道开挖后变形量大、持续时间长、后 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 期的收敛速率大。由于开采深度的增加，煤岩动力现象、冲击显现趋于严重，巷道 维护难度很大。 千秋煤矿现开采深度已达到 800 米。矿井自 1991 年首次发生冲击以来，随着采 深的不断加大，冲击地压显现愈加强烈。本课题主要是针对千秋煤矿的具体情况提 出的。主要研究深部软围岩高应力回采巷道掘进过程中既能提高掘进速度又能防止 冒顶、保障安全生产的技术手段及提高支架支撑能力、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千秋煤矿目前的煤巷掘进速度慢、维护费用高的生产 难题，而且对整个义煤集团公司多数矿井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。 1.1.2 研究研究的的目的目的 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 道掘进期间冲击地压的发生、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，为千秋煤矿深部回采巷道支护提供技 术支持。 1.2 煤矿深井巷道支护的研究现状煤矿深井巷道支护的研究现状 1.2.1 深井巷道支护理论的研究现状深井巷道支护理论的研究现状 （1）国外研究现状 ○ 1 古典压力理论 支护体在支护中所承受的压力即是其上覆岩层的重力。这是古典压力理论中的 观点。该理论是支护方面比较早的理论，是在上世纪初逐渐发展起来的，其主要代 表人物是郎金WJ.M.Ranklne和海姆A.Haim[1]。 ○ 2 坍落拱理论 巷道围岩具有自承能力这一观点首次被提出是在坍落拱理论中。坍落拱理论解释了 在实际运用中许多工程实例与古典压力理论相矛盾的地方。该理论认为巷道开挖后会 自然形成一个坍落拱，其原有的应力状态会被打破，围岩的冒落是为了适应新的应力状 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 态而对自身所进行的调节。如果岩性较好，支护体只承受坍落拱范围内的围岩重量，而 并不是上覆岩层的所有重量，这样以来围岩可以靠自身的承载能力来实现平衡，就不再 需要支护。该理论为以后的支护创造了一个新途径，其主要代表人物是太沙基 K.TeRzaghi和 M.M.普罗托吉亚可诺夫，太沙基认为坍落拱的形状呈矩形，普罗托 吉亚可诺夫认为坍落拱的形状呈抛物线。 ○ 3 应变控制理论 如果支护结构增加，则相应的应变也随之减小，支护结构对围岩的应变产生很 大的影响，对支护结构的增加，能够很容易的把围岩的应变控制在允许范围之内。 这就是应变控制理论的主要观点。该理论由日本的樱井春辅和山地宏提出[1]。 ○ 4 新奥法 新奥法的核心内容是在土体或岩体中开挖地下空间时，应充分发挥围岩的自 承能力，使围岩和支护体形成一个支撑环，而不是单独依靠支护体来进行支撑。该 支护结构充分利用了围岩自身的承载能力。新奥法是由奥地利工程师 L.YRabcewicz 在总结了前人的基础之上而提出的[1,46,47]。 ○ 5 能量支护理论 能量支护理论认为支护结构吸收的那部分能量和围岩释放的那部分能量可以 通过支护体在支护中进行自动调整。巷道围岩在巷道开挖后，释放一部分能量，同 时支护结构吸收一部分能量。围岩和支护体的总的能量是一定的。该理论由萨拉蒙 等人在 20 世纪 70 年代提出[1,48]。 ○ 6 数值计算法 近些年来，随着计算机技术的不断发展，计算机软件以数值计算法为基础，逐 步形成了 ANSYS、UDEC 和 FLAC 等一些软件程序。这些软件能够对工程现场进行 数值模拟，可以对支护方案的设计和研究提供理论依据[1,49]。 2 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 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 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[1,41,42]。 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 ○ 1 关键层理论 在采场的上覆岩层中，对岩体活动起局部或全部控制作用的岩层叫关键层。关 键层理论是由钱鸣高院士提出的。通过对硬岩层的变形规律和所受荷载进行研究， 来更深入的了解影响地表和工作面沉陷的主要岩层及其变形特征。这是对关键层进 行研究的最实质的东西[1]。 ○ 2 松动圈理论 对于围岩坚硬的裸体巷道来说，巷道的收敛变形随着围岩松动圈的增大而增 大，其支护难度也随之增大。对于这类巷道其围岩松动圈几乎为零，巷道围岩也具 有弹塑性变形，但是不需要任何支护形式对其进行加强。这就是松动圈理论，该理 论由董方庭教授通过大量的理论研究和工业性试验得出[1,43,44]。 ○ 3 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。 ○ 4 轴变理论 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。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - ○ 5 锚杆围岩强化理论 锚杆与围岩共同作用形成共同的锚固体，锚杆的加入使得这个锚固体的力学参 数得到改善，从而围岩的强度得到了强化。该锚固体也使围岩的自承能力得到了充 分的发挥，从而进一步提高了巷道围岩的稳定性。这就是勾攀峰教授和侯朝炯教授 等提出的锚杆围岩强度强化理论。 ○ 6 联合支护理论 在巷道支护上，应充分发挥围岩自身的承载能力，先进性柔性支护，在进行刚 性支护，柔性支护主要起到给围岩做出适当让压的作用。而传统的那种只依靠大刚 度、高强度的支护结构进行支护的理念正被逐步淘汰。这就是联合支护理论，该理 论由冯豫、郑雨天、陆家梁、朱效嘉等教授所提出[1,45]。 ○ 7 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。 1.2.2 深井巷道支护技术的发展现状深井巷道支护技术的发展现状 深井巷道支护技术具有复杂多样性的特点，这是由软岩自身的大变形力学特性 所决定的[6]，单一的支护形式已经满足不了深井巷道支护的需要。所以，在深井巷 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，并且形成了各种各样的系列支护技术，例如主动支护、被动支护、主被 动联合支护。主动支护主要是砌碹、锚杆支护、注浆加固、气垛支护。被动支护主 要是棚式支护，棚式支护又分为木棚支护和刚棚支护，刚棚又分为工字刚棚和 U 型 刚棚。特别是近几年来主被动支护系列技术的发展相当迅速，它已经成为深井巷道 支护的重要技术之一，其最大优点是其中的主动支护能把深部围岩的强度调动起 来，并和浅部支护、被动支护共同作用，进而达到控制巷道的稳定，这将成为今后 深井巷道支护技术的趋势。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - 1.2.3 深井巷道支护设计的研究现状深井巷道支护设计的研究现状 总的说来，对围岩稳定性的研究方法多数是将常用的几种方法手段结合起来进行综 合分析。常用的几种方法主要有现场实测研究、模拟实验研究、工程类比研究和理论分 析研究等[7]。现场实测的主要目的是通过研究影响围岩稳定的各种因素来确定相应的保 护措施。对于影响围岩稳定的各种因素的研究通过对围岩的基本情况和开挖后围岩的变 化情况的测定来得以完成。围岩的地质地层情况、地应力场、岩体特性和开挖后围岩的 变化情况等是现场实测中的主要内容[8]。在现场中的各种因素作用下的现实都反映到了 现场实测资料中，现场实测资料为现场问题的分析提供可靠的依据和保证。因此，对于 一些基本参数的现场测定是很有必要的。但现场实测常受环境、观测仪器和测试技术水 平的限制，有时监测围岩的变化是很困难甚至是不可进行的。并且现场实测成本较高， 研究周期较长，工作量非常大。 模拟试验被广泛的应用于现阶段，是一种很重要的研究方法。相似模拟试验的试验 条件能够被人为的改变和控制，因此可以揭示单因素和多因素等影响因素对围岩的影响 规律。所以它被广泛的应用到采矿、水利、地质、交通、建筑等部门中[9]。 工程类比研究具有简单、快速的特点。它的理念是把现有的相似工程实例的稳定性 情况作为参照物，对当前的工程进行稳定性判断。但由于工程对象往往是在某些方面相 似，其它方面却相差很大，具有复杂性，所以很难找到条件极为相似的工程，因而稳定 性分析就会出现偏差。 1.3 1.3 主要研究内容及研究思路主要研究内容及研究思路 本课题主要以义煤集团有限责任公司千秋煤矿的 21141 工作面下巷支护为研究对 象。主要进行以下研究工作 （1）21141 下巷围岩物理力学性质 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[10,11]。 （2）现场工业性试验研究 以千秋煤矿 21141 工作面下巷支护为具体工程实例，依据设计的锚网喷、深孔爆破 卸压、注水压裂卸压联合支护方案，在 21141 工作面下巷进行支护工业性试验，根据矿 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 7 - 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。 研究思路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，对深井高应力巷道支护技术进行全面系统的研究。在评估试验巷道地质力学的 基础上，总