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摘要 I 摘摘 要要 随着矿井开采深度的增加以及煤层倾角的增大，回采巷道，特别是靠近采空 区一侧的巷道矿压显现特征与浅部的缓倾斜煤层呈现明显不同，同时区段巷道压 力较大、维护困难，巷道维护问题已成为制约生产的主要环节，为此，本文结合 平煤天安八矿实际情况，对深部回采巷道矿压特征进行研究，同时对沿空掘巷留 煤柱宽度及锚杆支护参数进行优化，并通过现场试验进行检验。 采用 FLAC3D数值模拟软件模拟煤层倾角对侧向支承压力的影响，得出随着 煤层倾角的增大，侧向应力峰值及卸压区的范围均减小，且角度越大峰值下降幅 度越大。采用相似模拟实验研究复杂条件下煤层开采侧向支承压力分布，得出深 部开采条件下，支承压力的影响范围较浅部更大，应力集中系数更高；初次跨落 步距较大，根据工作面侧向顶板结构和顶板支撑结构的应力特点，将侧向分为 4 个区域。 采用锚杆支护理论，相似模拟及数值模拟的实验的结果，结合八矿地质条件， 对沿空掘巷留煤柱宽度及锚杆支护参数进行优化。认为煤柱留宽以 3.5-4.0m 为宜。 对优化后支护质量进行检验，在己15-11150 回风巷布置测站，观测顶底板、 两帮移近量及离层情况，实验结果表明位移量及离层情况较小，且过几天后稳定， 说明优化后效果明显。 针对沿空掘巷留小煤柱主要安全隐患是采空区瓦斯向采掘空间涌入和采空区 水对采掘的影响问题的实际，分别采取钻孔抽放瓦斯和工作面俯伪斜布置及探放 水技术，取得了很好的效果 关键词关键词深部；回采巷道；支承压力；锚杆支护优化 河南理工大学工程硕士论文 II Abstract III Abstract With the depth of mining and inclination increasing,the advance stress behavior in mining gateway especially near goaf have obvious diversity compare to shallow slow coal seam,meanwhile,the underground pressure in gateway is great,and difficulty supporting,has become a major part of the production constraints.This article study advance stress behavior in deep mining gaeway,compare to real geology in Pingdingshan,then optimize the width of pillow as driving roadway along goaf and parameter of bolting,at last,test the efferect through field trials. Study coal seam inclination effect to side abutment pressure by FLAC3D numerical simulation software,and find as the inclination increasing,the peak of side abutment pressure and the dimension of the region of stress-relief weaked, the greater the angle,the greater decrease in the peak. To adopt a similar simulation study of side abutment pressure under complex geology,and find the peak and dimension of butment pressure and initial trans-falling length is greater than shollow mining, and divided side direction into four regions according to roof structure and roof supporting structure in working face. According to bolting theory, similar simulation, numerical simulation and real geology in No.8 pit of Pingdingshan, optimized the width of pillow as driving roadway along goaf and parameter of bolting,abtained the width is 3.5～4m is suitable. In order to check the efferect to bolting after optimizing,laying observation station in J15-11150 gateway to observe delamination and displacement of roof to floor and two ribs,and obtain that the delamination and displacement is little,and stabilizing after sevenal days,this indicae optization have evident result. According to the main risk is gas and water to hold small pillar while driving roadway along goaf,carry out drifting gas, down diagonal slice layout and water prospection and dewatering techonology,and it have evident result. Key wordsdeep；；mining gateway；；abutment pressure；；Optimizing of Bolt Support 河南理工大学工程硕士论文 IV 目录 V 目目 录录 摘要摘要 ...................................................................................................................................I ABSTRACT...................................................................................................................III 1 绪论绪论................................................................................................................................1 1.1 研究的背景和意义 ....................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.........................................................................................................1 1.2.1 深部工程的发展趋势.................................................................................................................1 1.2.2 沿空掘巷上覆岩层活动规律的研究综述..................................................................................2 1.2.3 沿空掘巷护巷煤柱的研究综述..................................................................................................3 1.2.4 锚杆支护原理及技术的研究综述..............................................................................................4 1.3 本文研究的内容及技术研究路线.............................................................................5 1.3.1 研究内容......................................................................................................................................5 1.3.2 研究方法及技术路线.................................................................................................................6 2 不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究不同倾角条件下支承压力分布规律的数值模拟研究...............................................7 2.1 概述.............................................................................................................................7 2.2 FLAC3D软件简介.......................................................................................................7 2.3 模型的建立及参数的选取 ........................................................................................8 2.3.1 模型的建立..................................................................................................................................8 2.3.2 模拟地质条件、煤岩参数及单元划分......................................................................................9 2.4 计算的结果及分析 ..................................................................................................11 2.4.1 不同倾角侧向支承压力的模拟结果.......................................................................................11 2.4.2 侧支承压力分布特征数据处理................................................................................................15 2.5 小结...........................................................................................................................17 3 煤层开采相似模拟研究煤层开采相似模拟研究..............................................................................................19 3.1 概述...........................................................................................................................19 3.2 相似模拟实验理论 ..................................................................................................19 3.2.1 相似定理...................................................................................................................................19 3.2.2 相似准则...................................................................................................................................20 河南理工大学工程硕士论文 VI 3.3 相似材料模拟实验设计 ..........................................................................................21 3.3.1 实验目的...................................................................................................................................21 3.3.2 模拟实验的相似条件...............................................................................................................21 3.3.3 相似材料的选取.......................................................................................................................21 3.3.4 模拟的地质条件.......................................................................................................................21 3.3.5 模型架及相似系数的确定.......................................................................................................21 3.3.6 相似材料配比及用量...............................................................................................................23 3.3.7 模型的制作...............................................................................................................................25 3.3.8 加载...........................................................................................................................................25 3.4 模型的开采与观测 ..................................................................................................27 3.5 实验结果及分析 ......................................................................................................29 3.5.1 己15煤层开采侧向支承压力分布...........................................................................................29 3.5.2 己15煤层开采岩层几何特征...................................................................................................29 3.6 小结 ..........................................................................................................................30 4 区段煤柱参数及巷道支护方式优化区段煤柱参数及巷道支护方式优化..........................................................................33 4.1 沿空掘巷护巷煤柱宽度的理论分析.......................................................................33 4.1.1 沿空掘巷煤柱护巷巷道矿压显现............................................................................................33 4.1.2 沿空掘巷煤柱力学环境的因素................................................................................................34 4.2 现采用的区段煤柱参数、巷道支护方式的评价...................................................38 4.2.1 区段煤柱参数分析....................................................................................................................40 4.3 沿空掘巷的现场观测研究 ......................................................................................40 4.3.1 测点布置及仪器的使用...........................................................................................................40 4.3.2 实测结果与分析........................................................................................................................41 4.4 回采巷道支护方式、支护参数的分析与优化 ......................................................44 4.4.1 锚杆支护的设计思路...............................................................................................................44 4.4.2 锚杆支护设计方法.................................................................................................................45 4.4.3 锚杆支护初始设计....................................................................................................................46 4.5 小结 ..........................................................................................................................52 5 设计方案应用效果现场试验研究设计方案应用效果现场试验研究.............................................................................55 5.1 实验工作面的基本情况 ..........................................................................................55 目录 VII 5.1.1 工作面位置及地质概况...........................................................................................................55 5.1.2 瓦斯赋存及水文地质情况.......................................................................................................55 5.2 顶板离层检测点的设置及观测方法 ......................................................................55 5.2.1 综合监测...................................................................................................................................55 5.2.2 日常监测...................................................................................................................................57 5.3 巷道围岩位移监测 ..................................................................................................57 5.4 实验结果及分析 ......................................................................................................58 5.4.1 表面位移观测结果及分析.......................................................................................................58 5.4.2 顶板离层观测结果及分析.......................................................................................................63 5.4.3 两帮离层观测结果及分析.......................................................................................................65 5.5 小结 ..........................................................................................................................67 6 沿空掘巷安全保障技术沿空掘巷安全保障技术.............................................................................................69 6.1 沿空掘巷防治采空区瓦斯技术 ..............................................................................69 6.2 沿空掘巷防老空水技术 ..........................................................................................69 7 结论结论..............................................................................................................................73 参考文献参考文献.........................................................................................................................75 学位论文集学位论文集.....................................................................................................................79 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究的背景和意义 平煤集团八矿锚杆支护在集团公司领导和科研院所、大专院校及生产制造厂 家的支持配合下，从无到有，逐步发展壮大，积累了八矿锚杆支护的一整套经验 方法。目前，平煤八矿煤巷锚杆支护率达 60以上，锚杆支护技术应用在丁组煤 层、戊组煤层，支护效果都很好。但在大倾角、大断面、复合顶板的己15煤层， 锚杆支护技术还没有全面推广应用，还处于研究攻关阶段。而且八矿采区巷道系 统复杂，随着矿井开采深度的增加以及煤层倾角的增大，回采巷道，特别是靠近 采空区一侧的巷道矿压显现特征与浅部的缓倾斜煤层呈现明显不同，导致区段巷 道位置确定缺乏科学依据，采用传统的加棚支护和普通锚杆支护及常规的施工方 法已不能满足安全生产的需要。区段巷道压力较大、维护困难，巷道维护问题已 成为制约生产的主要环节。为了合理布置巷道，尽可能减少相邻开采形成的侧支 承压力对下区段巷道的影响，很有必要对八矿特定复杂条件下的矿压显现规律进 行观测研究，并结合其它安全生产要求，提出科学合理的区段煤柱参数。 区段巷道维护效果与支护方式、支护参数密切相关，在研究区段煤柱参数的 同时，研究复杂条件下大变形区段巷道支护特征，优化支护参数，改善支护状况， 对平煤集团八矿当前乃至今后生产有重要影响。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 深部工程的发展趋势 至于“深部”的概念，世界各国的采矿界一致认为，深部开采是由于矿床埋 深较深，而使生产出现一些在浅部矿床开采时很少遇到的技术难题的矿山开采。 而且世界上有深井开采历史的国家一般认为，当矿山开采深度超过 600m 既为深 井开采。另外，世界上主要采矿国家的专家学者针对本国的地下工程引起的岩石 力学问题，各自定义了其深部范围，比如日本把深井的“临界深度”界定为 600m；英国和波兰则将其界定为 750m；德国将埋深超过 800～1000m 的矿井成为 深井，将埋深超过 1200m 的矿井称为超深井开采；南非、加拿大等采矿业发达的 国家，矿井深度达到 800～1000m 才称为深井开采[1-5]，我国深部开采的深度通常 被界定为煤矿 800～1500m，金属矿山 1200～2000m[6-8]。 随着我国煤炭事业的发展，开采深度与开采强度日益增加，回采工作面机械 化程度迅速提高，巷道断面不断加大，带来一系列的问题，如采准巷道矿山压力 河南理工大学工程硕士论文 2 显现强烈，巷道维护状况恶化等。深井巷道矿山压力控制是深部开采面临的急待 解决的重大技术课题之一。随着人类对矿产需求量的日益增加，开采规模不断扩 大，浅部易采的矿产资源日趋枯竭，开采向深部发展是地下矿山的必然趋势。 据统计，国外煤矿矿井开采深度增长速度为 8～12m/a，平均递增速度 10m/a。煤矿开采深度最大的德国，平均采深己超过 900m，超过 1000m 的工作面 占 20，最大开采深度已达 1443m。在俄罗斯，仅顿巴斯矿区就有 30 个矿井的 采深达到 1200m～1350m。波兰的煤矿开采深度己达 1200m，日本和英国的煤矿 开采深度己分别达 1125m 和 1100m，此外，比利时等国的开采深度也己达 1000m 以上。 20 世纪 50 年代，我国的立井深度平均不到 200m，而 90 年代平均己达 600m，相当于平均每年以 l0m 的速度向深部延伸。生产矿井 1980 年平均深度为 288m，而 1995 年平均深度达 428m，平均每年以近 10m 的速度向下延伸，东部 矿井的向下延伸速度每年达 10～25m。早在“八五”期间，国内新建的 65 个矿 井的平均深度就己达 588m，其中深度在 1000m 以上的井筒就有 12 个。据统计， 目前我国许多矿区的开采深度都己超过了 600m～800m，深度超过千米的矿井就 有数十个，最大开采深度己接近 1200m，如沈阳矿务局彩屯煤矿（1197m） 、开滦 赵各庄煤矿（1159m） 、徐州张小楼煤矿（1100m） 、北票冠山煤矿（1059m） 、开 滦林西煤矿（1040m） 、北京门头沟（1008m） 、长广矿区（1000m） 。此外，新汶 矿区的大部分矿山己转入深部开采，平均开采深度达 900m 以上，如孙村煤矿 （1055m） ，华丰煤矿（1070m） 。可以预计，随着对煤炭需求量的不断增加，我 国将有更多的煤矿矿山进入到 l000m 以下深度开采。 研究表明，随着井深的增加，深部岩层压力迅速增长，给深井建设和开采造 成了严重困难，其中支架折损、支护破坏、巷道失稳就是一个最直接的后果。较 早进入深部采煤的国家，如原西德、前苏联等对深部开采的巷道矿压问题进行了 大量研究，前苏联 80 年代统计资料表明，由于井深增加，支架所受力增加了 0.8～2MPa。我国在这方面的研究起步较晚，与我国煤矿深井开采的现状不适应， 一些矿井进入深部开采后在巷道布置和开采部署上仍沿用浅部的方法和理论。在 巷道支护方面，我国发展了可缩性 U 型钢支架和锚喷类支护技术，但在 U 型钢 和连结件材质、壁后充填技术和配套设备、锚杆材质以及相应的配套设备方面与 生产实际需求仍有较大的差距。 1 绪论 3 1.2.2 沿空掘巷上覆岩层活动规律的研究综述 国内外对采场上覆岩层破断特征和活动规律开展了大量的研究[9～11]，提出了 采场上覆岩层的关键层理论、基本顶及关键层的断裂规律，S－R 稳定性原理等。 随着综采放顶煤技术的发展，文献[12，13]对综采放顶煤采场上覆岩层的活动规 律做了进一步的研究，明确提出了综采放顶煤采场上方存在“砌体梁”基本结构。 针对沿空掘巷围岩力学环境和维护特点，对巷道上覆岩层稳定状况、沿工作 面倾斜方向上覆岩层的活动规律研究很少。文献[14～17]通过对工作面及顺槽矿 压观测分析和相似模拟试验研究认为随工作面回采推进，采空区侧煤体及上覆 岩层依次垮落，形成砌体梁结构；侧向煤体支承压力峰值点与采放比有关，且随 采放比增大峰值点远移，有利于留设窄煤柱；分析了巷道上覆岩层结构特征，提 出煤柱宽度 d 与侧向支承压力峰值点深入煤体的距离 x 有关，一般认为 d 小于 x 的一半是比较合理的，此时对巷道稳定有利。文献[18、19]将基本顶沿倾斜方向 形成的结构作为沿空掘巷围岩的大结构，基本顶在工作面端头形成的弧三角形块 视为巷道上方的关键块，定性分析了关键块在巷道不同从阶段的稳定性，认为关 键块在不同阶段是稳定的，为沿空掘巷创造了良好的外部力学环境。 1.2.3 沿空掘巷护巷煤柱的研究综述 在生产实践中，沿空掘巷包括沿采空区边缘掘巷、与采空区之间留窄煤柱的 沿空掘巷。护巷煤柱宽度对巷道稳定性的影响主要有两个方面，一是煤柱宽度影 响巷道围岩应力；二是煤柱宽度影响巷道围岩完整性。 沿空掘巷从 20 世纪 50 年代开始研究和应用，取得了有益的结论[20～24]，主 要有①留设窄煤柱沿空掘巷，巷道位置处于侧向残余支承压力附近，掘巷扰动 了侧向支承压力分布，因而，留设窄煤柱沿空掘巷不仅在掘进期间围岩强烈变形， 而且在掘后稳定期间仍保持较大的变形速度，比沿采空区边缘不留设窄煤柱沿空 掘巷变形剧烈。②留设窄煤柱沿空掘巷，因窄煤柱破碎、煤柱支撑作用极小，增 加了巷道跨度和悬顶距，巷道压力增大、维护困难。③窄煤柱裂隙发育，甚至破 碎，不同程度存在漏风现象。④留窄煤柱改善巷道掘进条件，对加快掘进速度以 及隔离采空区是有利的。 国内外许多学者对煤柱的宽度和稳定性做了大量的研究工作[25～27]，但对煤 柱的合理宽度一直没有统一的认识，其结论差别较大，合理煤柱宽度从 1-5m 直 河南理工大学
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