余吾煤业煤柱内沿空掘巷底鼓控制技术研究.pdf

硕士学位论文 余吾煤业煤柱内沿空掘巷底鼓控制 技术研究 Study On Floor Heave Control Technology of Gob-side Entry Driving inside Coal Pillar in Yuwu Coal 作 者袁龙飞 导 师柏建彪 教授 中国矿业大学 二○一四年四月 江苏省高校优势学科建设工程资助项目PAPD 国家自然科学基金面上项目（51174195） 国家自然科学基金项目（51204166） 国家自然科学基金项目（51204167） 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 余吾煤业煤柱内沿空掘巷底鼓控制技术研究 Study on Floor Heave Control Technology of Gob-Side Entry Driving inside coal-pillar in Yuwu Coal 作 者 袁龙飞 导 师 柏建彪 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 矿山压力及其控制 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一四年四月 万方数据 75 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 Declaration of Dissertation Originality 本人郑重声明所呈交的学位论文 余吾煤业煤柱内沿空掘巷底鼓控制技术研究 ，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 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 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 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 转眼间，三年的研究生求学生活即将结束，站在毕业的门槛上，回首往昔， 奋斗和辛劳成为丝丝的记忆，甜美与欢笑也都尘埃落定。衷心感谢我的恩师柏建 彪教授在学习及生活上给我的孜孜教诲、精心培养和悉心关怀。柏老师无论是在 生活上还是在学习中都给予了极大的关心和帮助，柏老师优秀的做人品格，严谨 的治学态度，平易近人的工作作风和对科研精益求精、不懈追求的精神，深深地 感染并激励着我努力学习、诚实做人、踏实做事，所有这些都对我产生了极大的 影响。今后将继续对我的工作、学习和生活产生不可估量的作用。三年的学习生 活中，导师柏建彪教授在生活与学术上都给予了极大的关心和指导，并且在论文 的撰写过程中给予了悉心的指导，值此论文完成之际，在此谨向柏老师致以崇高 的敬意和衷心的感谢。 在论文撰写过程中，得到了陈勇老师的悉心指导，在此对尊敬的陈老师表示 深深的谢意。 同时，非常感谢王襄禹副教授、徐营副教授、闫帅老师的指导和热心帮助 得到了课题组李文峰博士、王猛博士、张自政博士，胡明明、廉常军、马卫波、 张继、李萌、朱才坤、王术睿、种德雨、刘禹辰等硕士帮助，也不会忘记在生活 上给予我热情帮助的室友刘长安、 李宁、 胡成林， 衷心感谢这些帮助过我的同学， 在这里请接受我真挚的谢意。 特别感谢在精神和经济上给与我极大鼓励和支持的父母是你们的无私和关 爱，为我铺平了求学的道路，保证了论文的顺利完成。 还要感谢女友高艺滋在学习和生活上的支持、鼓励。 最后，感谢各位专家和教授在百忙之中评审本文，并期待得到更多的指导和 启迪。 袁龙飞 2014 年 4 月 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 受采动支承压力作用，新型双 U 型巷道布置方式的瓦排巷处于工作面侧向 支承应力的叠加区，巷道围岩变形严重，尤其底鼓，对矿井的安全生产造成极大 的影响。本文在前人研究的基础上，以余吾煤业煤柱内沿空掘巷底鼓控制为研究 目标，运用现场调研、理论分析、数值模拟和工业性试验等相结合的方法，提出 了煤柱内沿空掘巷底鼓控制技术， 并将研究成果成功应用于余吾煤业 S1202 工作 面，主要研究成果如下 （1） 通过分析不同煤柱宽度条件下巷道围岩应力分布和底板岩层移动规律， 以及超前支承压力和工作面后方巷道围岩应力分布和变形规律， 掌握了煤柱内沿 空掘巷围岩变形的基本规律。 （2）得到了煤柱内沿空掘巷底鼓机理，提出了高强高预紧力锚杆支护、加 固帮和角支护以及墩柱加强顶底支护等巷道底鼓技术， 并重点分析了采动作用期 间墩柱加强支护控制底鼓作用效果，确定了墩柱加强支护的合理参数。 （3）将以上成果应用于余吾煤业 S1202 工作面瓦排巷，通过实践表明该技 术有效地控制了 S1202 工作面瓦排巷的底鼓， 满足了工作面回采期间及回采后巷 道的使用要求，证明了该底鼓控制技术的合理性和可靠性。 该论文有图 62 幅，表 7 个，参考文献 74 篇。 关键词关键词沿空掘巷；底鼓；窄煤柱；锚杆支护；墩柱 万方数据 II Abstract By mining abutment pressure effect, roadway layout of new type of double U tile drainage lane in a coal face lateral bearing stress superposition area, surrounding rock deation is serious, especially the floor heave of roadway, cause great influence to the mine safety production. In this paper, on the basis of previous studies, in the control of floor heave of gob-side entry driving in coal pillar in Yuwu Coal as the research target, With the combination s of using field investigation and theoretical analysis, numerical simulation and industrial test, puts forward the control technology of floor heave of gob-side entry driving in coal pillar, and the research achievement has been successfully applied to S1202 working face in Yuwu Coal, the main research results are as follows （1）By analyzing the stress distribution of surrounding rock of roadway under the conditions of different coal pillar width and floor strata movement regularity, and ahead of the abutment pressure and behind the working face roadway surrounding rock stress distribution and deation regularity, mastered the basic regularity of deation of gob-side entry driving in coal pillar. （2）The mechanism of floor heave of gob-side entry driving in coal pillar, puts forward the bolt support with high strength and high pre-tightening force, reinforce side and angle support and pier column reinforcement of surrounding rock control technology, using the numerical analysis by mining during pier column reinforcement effect, identified the parameters of bolt support with high strength and high pre-tightening and pier column strengthening supporting parameters. （3）Applying the above results to S1202 face tile row roadway in Yuwu Coal, through practice shows that this technology effectively control the floor heave of S1202 face tile row roadway, satisfy the use requirement during mining face, proved the rationality and reliability of the floor heave control technology. There are 55 Figures ，7 Tables and 74 references. Keywords Gob-side entry driving ; Floor heave ; Narrow pillar; Bolt support ; Pier Column 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 ....................................................................................................................... I 目目 录录 .................................................................................................................... III 图清单图清单 ................................................................................................................... VII 表清单表清单 ................................................................................................................... XII 变量注释表变量注释表 ......................................................................................................... XIII 1 绪论绪论 ...................................................................................................................... 1 1.1 课题的提出及研究意义 ..................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 2 1.3 研究内容、方法及技术路线 ............................................................................. 7 2 煤柱内沿空掘巷底板力学分析煤柱内沿空掘巷底板力学分析 ............................................................................ 9 2.1 新型双 U 型巷道布置方式 ................................................................................ 9 2.2 试验巷道地质条件 ...........................................................................................10 2.3 煤柱内沿空掘巷底鼓力学模型 ........................................................................12 2.4 计算结果及分析 ...............................................................................................19 2.5 本章小结 ...........................................................................................................21 3 煤柱内沿空掘巷围岩稳定性分析煤柱内沿空掘巷围岩稳定性分析 .......................................................................22 3.1 数值计算模型建立 ...........................................................................................22 3.2 掘进期间巷道围岩稳定性分析 ........................................................................24 3.3 受采动影响期间巷道围岩稳定性分析.............................................................31 3.4 本章小结 ...........................................................................................................40 4 煤柱内沿空掘巷底鼓控制技术煤柱内沿空掘巷底鼓控制技术 ...........................................................................42 4.1 煤柱内沿空掘巷底鼓机理 ................................................................................42 4.2 煤柱内沿空掘巷底鼓控制技术 ........................................................................43 4.3 煤柱内沿空掘巷支护参数设计 ........................................................................52 4.4 本章小结 ...........................................................................................................57 5 工业性试验工业性试验 ..........................................................................................................59 5.1 S1202 工作面瓦排巷支护参数 ..........................................................................59 5.2 矿压监测与支护效果分析 ................................................................................62 5.3 本章小结 ...........................................................................................................66 万方数据 IV 6 主要结论主要结论 .............................................................................................................68 参考文献参考文献 .................................................................................................................70 作者简历作者简历 .................................................................................................................74 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ..............................................................................................75 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................76 万方数据 V Contents Abstract .................................................................................................................. II Contents ................................................................................................................... V List of Figureures ................................................................................................. VII LIST of TABLELES ............................................................................................. XII List of Variables .................................................................................................. XIII 1 Introduction .......................................................................................................... 1 1.1 The Raise of Problem and the Meaning of Research ............................................ 1 1.2 Current Research States and Abroad .................................................................... 2 1.3 Research Contents, s and Technical Route ............................................... 7 2 Floor Mechanical Analysis of the Gob-Side Entry Driving inside Coal Pillar ... 9 2.1 The New Layout of the Double U-Shaped Roadway ............................................ 9 2.2 Geological Conditions of Experiment Roadway ..................................................10 2.3 Floor Heave Mechanical Model of the Gob-side Entry Driving inside Coal Pilla 12 2.4 Calculation Results and Analysis ........................................................................19 2.5 Brief Summary ...................................................................................................21 3 Surrounding Rock Stability Analysis of the Gob-Side Entry Driving inside Coal Pillar ........................................................................................................................22 3.1 Building of the Numerical Calculation Model .....................................................22 3.2 Surrounding Rock Stability Analysis during the Excavation of Roadway ............24 3.3 Surrounding Rock Stability Analysis during Influenced by the Mining ...............31 3.4 Brief Summary ...................................................................................................40 4 Floor Heave Control Technology of Gob-Side Entry Driving inside Coal Pillar .................................................................................................................................42 4.1 Floor Heave Mechanism of Gob-side Entry Driving inside Coal Pillar ................42 4.2 Floor Heave Control Technology of Gob-side Entry Driving inside Coal Pillar ...43 4.3 Support Parameters Designed of Gob-side Entry Driving inside Coal Pillar ........52 4.4 Brief Summary ...................................................................................................57 5 Industrial Test ......................................................................................................59 5.1 S1202 Face Tile Row Roadway Support Parameters ...........................................59 万方数据 VI 5.2 Mine Pressure Monitoring and Supporting Effect Analysis .................................62 5.3 Brief Summary ...................................................................................................66 6 Main Conclusions ................................................................................................68 References ...............................................................................................................70 Author Resume .......................................................................................................74 Declaration of Dissertation Originality .................................................................75 Dissertation Date Collection ...................................................................................76 万方数据 VII 图清单图清单 List of Figureures 图序号 图名称 页码 图 1-1 沿空掘巷弧形三角块结构的平面示意图 3 Figure1-1 Sructure model of gob-side entry retaining ARC basic triangular 3 图 1-2 研究技术路线 8 Figure1-2 Research technical route 8 图 2-1 传统双 U 型巷道布置方式 9 Figure2-1 Traditional double U-shaped roadway layout 9 图 2-2 新型双 U 型巷道布置方式 10 Figure2-2 The new layout of the double U-shaped roadway 10 图 2-3 巷道应力分布示意图 10 Figure2-3 Stress distribution diagram of roadway 10 图 2-4 S1202 工作面采掘平面图 11 Figure2-4 Mining plan view of the S1202 face 11 图 2-5 1201 钻孔柱状图 12 Figure2-5 1201 drilling histogram 12 图 2-6 煤柱内沿空掘巷底板力学模型示意图 13 Figure2-6 Floor mechanical model of gob-side entry driving inside coal 13 图 2-7 半无限体 M 点受力示意图 14 Figure2-7 M Point of Semi-Infinite Force Diagram 14 图 2-8 水平应力与底板深度关系曲线 19 Figure2-8 Curve of horizontal stress and floor depth 19 图 2-9 垂直应力与底板深度关系曲线 20 Figure2-9 Curve of vertical stress and floor depth 20 图 2-10 水平应变与底板深度关系曲线 20 Figure2-10 Curve of horizontal strain and floor depth 20 图 2-11 垂直应变与底板深度关系曲线 20 Figure2-11 Curve of vertical strain and floor depth 20 图 3-1 数值计算模型 23 Figure3-1 Numerical simulation model 23 图 3-2 掘进期间不同煤柱宽度下垂直应力分布图 25 万方数据 VIII Figure3-2 The vertical stress distribution under the different yield pillars width during the excavation 25 图 3-3 掘进期间沿煤柱宽度方向垂直应力分布 25 Figure3-3 The vertical stress distribution along the different yield pillars width direction during the excavation 25 图 3-4 掘进期间不同煤柱宽度下水平应力分布图 27 Figure3-4 The horizontal stress distribution under the different yield pillars width during the excavation 27 图 3-5 掘进期间沿煤柱宽度内水平应力分布 27 Figure3-5 The horizontal stress distribution along the different yield pillars width direction during the excavation 27 图 3-6 掘进期间不同煤柱宽度下剪切应力分布图 29 Figure3-6 The shear stress distribution under the different yield pillars width during the excavation 29 图 3-7 不同煤柱宽度下底板垂直应力分布曲线 29 Figure3-7 The vertical stress distribution curve of roadway floor under the different yield pillars width 29 图 3-8 不同煤柱宽度下巷道底板位移分布曲线 30 Figure3-8 The distribution curve of roadway floor displacement under the different yield pillars wid