1100m埋深沿空留巷坚硬顶板主动卸压控制研究.pdf

硕士学位论文 1100m 埋深沿空留巷坚硬顶板 主动卸压控制研究 Active Relieving Control of Hard Roof over Gob-side Entry Retaining in 1100m Deep Mine 作 者姚亚虎 导 师张 农 教授 中国矿业大学 二○一四年五月 教育部科学技术研究项目（113030A） 国家自然科学基金青年科学基金资助项目（51104152） 万方数据 中图分类号 TD353 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 1100m 埋深沿空留巷坚硬顶板 主动卸压控制研究 Active Relieving Control of Hard Roof over Gob-side Entry Retaining in 1100m Deep Mine 作 者 姚 亚 虎 导 师 张 农 教 授 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 巷道围岩控制 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一四年五月 万方数据 71 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 Declaration of Thesis Originality 本人郑重声明所呈交的学位论文1100m 埋深沿空留巷坚硬顶板主动卸压 控制研究 ，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工 作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 Certificate of Thesis Authority 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学 位论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版 和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为 教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案 馆、 图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、 浏览。 另外， 根据有关法规， 同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 2014 年 月 日 2014 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 Thesis Approval Identification 研究生 姚 亚 虎 在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案 的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本 学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同， 论文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文 送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 Acknowledgements 本文是在导师张农教授的悉心指导下完成的，承蒙张老师的亲切关怀和精 心指导,百忙之中仍抽出宝贵时间给予我学术上的指导和帮助。 在论文选题、 研 究路线的设计、论文框架的构建乃至最后的文理疏通、审阅定稿等每一步工作 中，导师都倾注了大量的心血和智慧。张老师对学生认真负责的态度，严谨的 科学研究方法，敏锐的学术洞察力，勤勉的工作作风以及勇于创新的精神是我 今后学习和工作的榜样，师从三载，受益终身。在此,谨向张老师致以深深的敬 意和由衷的感谢 感谢许兴亮副教授、李桂臣副教授、阚甲广副教授、郑西贵副教授、季明 老师、赵一鸣老师在三年的研究生学习中的关怀与指导。尤其感谢师兄韩昌良 博士三年来如导师如兄长的照顾，他内敛而不内向的性格，有想法但不露锋芒 的作风是我学习的榜样。 感谢课题组张明、王龙江、李涛、孟子浩、徐华君等硕士在现场工作中付 出的辛勤劳动，感谢刘宁宁师兄和北京科技大学朱斯陶博士在论文的构思与撰 写过程中给予的启发，感谢毛彦鑫、张志义、师旭、王晓卿、张明、王龙江、 史英男、陈瑶、姜凯等同窗陪我度过丰富多彩的三年研究生生活。 在研究生学习阶段，得到了深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室薛俊 华高级工程师、煤矿瓦斯治理国家工程研究中心朱胜利、王珏等高级工程师的 无私的帮助和支持，使现场工作得以顺利开展，在此向他们表示衷心的感谢 特别感谢平煤十二矿魏思祥总工、吴建宇副总、董国胜副总，总工办李松 主任、司海涛技术员，技术科陈跃停科长、孙亚辉副科长、胡彦涛技术员在现 场工程实践中提供的协调与支持。 慈鸦尚还哺，羔羊犹跪足，深深的感谢二十七年来父母的养育之情，二十 载求学路上他们给予了细致入微的关爱和支持，才得以顺利完成学业，他们的 付出是我一生都难以报答的。感谢姐姐、弟弟和女友在我的求学路上提供的关 心与帮助。 最后感谢在百忙之中评审论文并提出宝贵意见的各位专家，感谢论文所有 引用文献作者们的辛勤工作，感谢所有帮助和关心过我的人 姚亚虎 2014 年 5 月 万方数据 I 摘摘 要要 本文采用理论分析、数值计算和工业性试验相结合的方法，研究了沿空留 巷基本顶破断及其对留巷围岩小结构的影响规律，分析了预裂爆破后坚硬顶板 结构的形成与稳定，模拟了预裂爆破对留巷围岩的卸压效果，提出了坚硬顶板 预裂爆破与围岩控制方案。工业性试验取得成功，主要成果如下 （1） 提出了沿空留巷基本顶四种可能的破断位置， 通过理论计算确定了基 本顶不同位置的最大弯矩。结果表明非坚硬顶板条件下，基本顶破断一般发 生在墙体外侧或实体煤上方；坚硬顶板的破断只发生在实体煤上方。 （2） 理论计算并对比分析了非坚硬顶板和坚硬顶板条件下不同因素对留巷 小结构变形的影响基本顶破断位置越靠近煤壁、关键块体长度越长实体煤帮 和墙体变形越小，反之越大；实例分析的坚硬顶板条件下充填墙体和实体煤帮 变形分别是非坚硬顶板时的 4 倍和 2.5 倍，因此应该采取人为干预措施。 （3） 提出了预裂爆破后基本顶两种结构形式和三种受力模型， 计算了不同 受力条件的巷旁支护阻力。两种结构包括铰接与切落；墙外铰接时破断块体对 顶板侧向边界有压力作用；墙外切落时破断岩层与顶板侧向边界无力学联系； 基本顶二次破断时垮落块体对原位基本顶有支撑作用，对墙体形成保护。 （4） 通过分析形成铰接结构的几何条件与平衡条件， 认为形成充分卸压的 切落结构应该尽量增大爆破弱化区域半径，以达到破断顶板与原位顶板的不接 触；研究了坚硬顶板二次破断后稳定结构的形成条件，认为爆破弱化区域半径 过大时不利于留巷小结构的稳定。因此爆破弱化区域半径 R 存在一个合理的取 值范围 22222 maxmax 2/ 2/ 2 /2/ 2LmhmLRLhmLL  。 （5）采用 UDEC 模拟了坚硬顶板在未切放顶、单线切顶放顶和双线切顶 放顶三种情况下的卸压效果。结果表明①基本顶分别在实体煤上方破断原 位铰接、墙体外侧破断错位铰接和墙体外侧直接切落。②预裂爆破调整了坚硬 顶板的破断位置与结构形态，缩小了留巷围岩变形量，卸压越充分变形量缩小 程度越大。③预裂爆破优化了沿空留巷围岩应力场，爆破后侧向支承压力峰值 明显下降，应力峰值点向围岩浅部转移。 文章最后结合平煤十二矿条件提出了坚硬顶板预裂爆破与围岩控制方案， 并进行了工程验证。 论文共有图 38 幅，表 6 个，参考文献 80 篇。 关键词关键词沿空留巷，坚硬顶板，预裂爆破，主动卸压 万方数据 II Abstract This paper used the that combine theoretical analysis, numerical simulation and industrial test, studied the broking of main roof over gob-side entry retaining and its effect to structural stability. Analyzed structual and stability of hard roof after pre-splitting blasting, Simulated the effect of pre-splitting blasting relieving, Proposed the Pre-splitting Blasting scheme of hard roof and surrounding rock controlling scheme. The industrial tests have successed and results are as followed. 1 Proposed four possible breaking positions of main roof over gob-side entry retaining, identified the maximum bending moment of main roof in different locations by theoretical calculations. Believed that in non-hard roof circumstances, the breaking of main roof occurs at the top of the outer wall or over entity coal. The breaking position of hard roof only occurs at the top of entity coal. 2 Theoretical calculated and contrastively analyzed the influence law of different factors to small structural deation in the conditon of hard roof and non-hard roof. Closer breakage location of main roof to coal wall is, longer the length of the key block is, smaller the deation of coal-wall and filled-wall will be. On the contrary, greater will be. The deation of filled-wall and coal-wall under hard roof is 4 and 2.5 times greater than that under non-hard roof, so manual intervention measures should be taken. 3 Proposed two kinds of structure s and three kinds of stress model of main roof after pre-splitting blasting, calculated the support resistance of filling body under different loading conditions. The two kinds of structure s include articulation and cut off. There is a pressure that the broken block to lateral boundaries when they hinged out of filled wall, and there is no mechanical contact when they cut off out of filled wall. The collapse block will surpport the main roof in situ when main roof occurs secondary breaking, and will protect the filled wall. 4 By analyzing the geometrical and equilibrium conditions of hinge structure, believe we shound try to increase the radius of blasting weakened region, in order to achieve the purpose of the breaking roof is not in contact with the roof in situ. Analysed the requirement that the roof can a stable structure after the hard roof occurs secondary breaking, it is not conducive to small structure stability of gob-side entry retaining when blasting weakness area radius is too large. Therefore, the 万方数据 III blasting weakness area radius R exists a reasonable range of values 22222 maxmax 2/ 2/ 2 /2/ 2LmhmLRLhmLL  . 4 Analysised the characteristics of roof collapse, surrounding rock deation and stress distribution in three conditions include not cutting caving, single cutting caving and double cutting caving by UDEC simulation. The results show, ①Three cases, main roof is respectively breaking above the entity coal and ing situ articulated structure, outer the filling wall and ing dislocated articulated structure, outer the filling wall and directly cut off. ②Pre-split blasting adjusted the breaking position and morphology of hard roof, reduced the amount of deation of gob-side entry retaining, more fully relief the reducing degree of deation will be greater. ③Pre-split blasting optimized surroundung rock stress field, lateral support pressure peak decreased after the bursting, peak stress point transfer to shallow rock. 5 In the end of the paper, combined the conditions of Pingdingshan No.12 Mine, proposed the Pre-splitting Blasting scheme of hard roof and surrounding rock controlling scheme, and shown a engineering practice. The paper has together 37 figures, 6 tables and 80 references. Keywords gob-side entry retaining, hard roof, pre-split blasting, active relieving 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ....................................................................................................................... I 目目 录录 .................................................................................................................... IV 图清单图清单 ................................................................................................................. VIII 表清单表清单 ...................................................................................................................... X 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................ XI 1 绪论绪论 ...................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出与研究意义 ..................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 2 1.3 存在的问题 ........................................................................................................ 8 1.4 研究内容与研究方法 ........................................................................................ 8 2 沿空留巷基本顶的破断及对小结构的影响沿空留巷基本顶的破断及对小结构的影响 .......................................................10 2.1 沿空留巷基本顶破断形态 ................................................................................10 2.2 基本顶破断对沿空留巷小结构的影响.............................................................15 2.3 本章小结 ...........................................................................................................22 3 预裂爆破后坚硬顶板结构的形成与稳定预裂爆破后坚硬顶板结构的形成与稳定 ............................................................23 3.1 坚硬顶板预裂爆破的必要性 ............................................................................23 3.2 预裂爆破后顶板结构的形成 ............................................................................23 3.3 预裂爆破后巷旁支护阻力计算 ........................................................................26 3.4 预裂爆破后顶板的结构优化 ............................................................................29 3.5 本章小结 ............................................................................................................33 4 坚硬顶板预裂爆破卸压效果的数值模拟坚硬顶板预裂爆破卸压效果的数值模拟 ...........................................................35 4.1 模型的建立 .......................................................................................................35 4.2 留巷坚硬顶板破断特征 ....................................................................................37 4.3 留巷围岩变形分布特征 ....................................................................................39 4.4 留巷围岩应力分布特征 ....................................................................................42 4.5 本章小结 ...........................................................................................................45 5 沿空留巷坚硬顶板预裂爆破技术与工程应用沿空留巷坚硬顶板预裂爆破技术与工程应用....................................................46 5.1 概述 ..................................................................................................................46 5.2 坚硬顶板预裂爆破技术方案 ............................................................................48 万方数据 V 5.3 沿空留巷围岩控制方案 ....................................................................................53 5.4 沿空留巷维护效果分析 ....................................................................................56 5.5 本章小结 ...........................................................................................................63 6 主要结论主要结论 .............................................................................................................64 参考文献参考文献 .................................................................................................................66 作者简历作者简历 .................................................................................................................70 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ..............................................................................................71 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................72 万方数据 VI Contents Abstract .................................................................................................................. II Contents ................................................................................................................. VI List of Figures ..................................................................................................... VIII List of Tables ............................................................................................................ X List of Variables ..................................................................................................... XI 1 Introduction .......................................................................................................... 1 1.1 The Raise of Problem and Meaning of Research .................................................. 1 1.2 Current Situation of the Research at Home and Abroad ........................................ 2 1.3 Problem ............................................................................................................... 8 1.4 Research Contents and s .......................................................................... 8 2 Broking of Roof over Gob-side Entry Retaining and Effect to Small Structure .................................................................................................................10 2.1 Broking of Main Roof over Gob-side Entry Retaining ...............................10 2.2 Effect of Main Roof Broken on Small Structure of Gob-side Entry Retaining .....15 2.3 Brief Summary ...................................................................................................22 3 Structure and Stability of Hard Roof after Pre-splitting Blasting ...........23 3.1 Pre-splitting Blasting Necessity of Hard Roof .....................................................23 3.2 of Roof Structure after Pre-splitting Blasting .............................................23 3.3 Support Resistance Calculation after Pre-splitting Blasting .................................26 3.4 Optimization of Roof Structure after Pre-splitting Blasting .................................29 3.5 Brief Summary ...................................................................................................33 4 Numerical Simulation on Effect of Pre-splitting Blasting Relieving of Hard Roof .........................................................................................................................35 4.1 Numerical Simulation Model ..............................................................................35 4.2 Broking Characteristic of Hard Roof ...................................................................37 4.3 Deation Characteristics of Gob-side Entry Retaining ...................................39 4.4 Stress Distribution Characteristics of Gob-side Entry Retaining ..............................42 4.5 Brief Summary ...................................................................................................45 5 Pre-splitting Blasting Technology of Hard Roof and Engineering Practice ......46 5.1 Summarize .........................................................................................................46 万方数据 VII 5.2 Pre-splitting Blasting Scheme of Hard Roof ........................................................48 5.3 Surrounding Rock Controll