毕节市煤矿回采巷道锚网支护研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 毕节市煤矿回采巷道锚网支护研究毕节市煤矿回采巷道锚网支护研究 学位类型学位类型 专业学位 学科 （专业学位类别）学科 （专业学位类别） 矿业工程领域工程硕士 作者姓名作者姓名 卢海亲 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 万文 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 陈久良 高级工程师 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2015 年 6 月 8 日 密密 级级公开 中图分类号中图分类号TD353 万方数据 毕节市煤矿回采巷道锚网支护研究毕节市煤矿回采巷道锚网支护研究 学位类型学位类型 专业学位 学科学科 （专业学位类别）（专业学位类别） 矿业工程领域工程硕士 作者姓名作者姓名 卢海亲 作者学号作者学号 11050105006 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称 万文 教授 实践导师姓名及职称实践导师姓名及职称 陈久良 高级工程师 学院名称学院名称 能源与安全工程学院 论 文 提 交 日 期论 文 提 交 日 期 2015 年 6 月 8 日 学 位 授 予 单 位学 位 授 予 单 位 湖 南 科 技 大 学 万方数据 Bijie city coal roadway bolting with wire mesh research Type of Degree Professional Degree Discipline Type of Professional Degree Mining Engineering Candidate Lu Haiqin Student Number 11050105006 Supervisor and Professional Title Prof. WanWen Practice Mentor and Professional Title Senior engineers ChenJiuliang School School of Energy and Safety Engineering Date March 20th,2015 University Hunan University of Science and Technology 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 万方数据 i 摘摘 要要 毕节市主要含煤地层为上二叠统龙潭组， 绝大多数煤矿煤层直接顶板和直接底板均 有较薄的泥岩，老顶和老底以粉砂岩居多，地质条件与黔西县泰来乡境内的 A 矿相似。 本文以毕节市近年来顶板事故频发为背景， 以黔西县泰来乡境内的 A 矿井下回采巷道支 护改革取得的成功经验为依托， 在充分分析 A 矿支护改革前后对比、 现有锚网支护的基 础上提出了锚网支护优于棚式支护， 根据现场顶板离层监测数据等资料分析了 A 矿所采 用的支护方案较为合理，在此基础上，利用 FLAC3D计算机软件对原锚网支护方案进行 了数值模拟，并进行了围岩应力和巷道位移量的分析，通过调整锚杆间排距、数量及长 度，得出最优的锚网支护方案。 根据 A 矿井下回采巷道支护改革的工程实践表明， 采用锚网支护， 明显优于棚式支 护。在顶板管理方面，每年节约 60 万元的巷道维护费；在巷道掘进速度方面，每年多 掘进巷道工程量约 500m；在安全方面，采用锚网支护后，有效地控制了巷道的变形， 掘进和回采期间未发生过冒顶和片帮事故。 根据 A 矿回采巷道顶板离层等方面的数据分析， 分析煤矿所采用的支护参数较为合 理，能有效控制巷道变形，有效遏制巷道冒顶、片帮事故的发生。 采用 FLAC3D计算机软件对 A 矿 1903 运输巷锚杆支护方案进行数值模拟，得出原 支护方案巷道变形量均在安全范畴。通过调整锚杆间排距、长度及数量，利用 FLAC3D 软件数值模拟分析，得出最佳的巷道支护方案。优化后巷道在顶板、左帮和右帮等方面 的支护效果显著。 毕节市作为主要产煤市，近年来煤矿企业在毕节工业强市中发挥着重要的作用，但 据统计，毕节市范围内仅有 1/3 的煤矿在回采巷道采用了锚网支护。实践证明，支护效 果均较好，实施锚网支护后的煤矿近年来顶板事故基本为零。为有效遏制煤巷顶板事故 及片帮事故的发生，确保职工生命财产安全，实现毕节市煤矿高产、高效、健康发展， 在煤矿井下回采巷道推广使用锚网支护是必要的。 关键词回采巷道 支护方案 变形监测 数值模拟 支护参数优化 万方数据 ii ABSTRACT The mainly coal-bearing strata of Bijie city is Upper Permian Longtan ation, in many mines the immediate roof and immediate floor contain the thin mudstone, and the main roof and main floor contain more siltstone, and the geological conditions are similar to mine A which is in the area of Qianxi country town. This paper is based on the frequently immediate roof in Bijie city in recent years and is rely on the successful experiences in the re of mining gateway supporting system of mine A in Qianxi country town area. Under the foundation of mine A’s sufficient supporting re comparison and current bolt net support to put forward that bolt net support is better than shed ding support, according to statistics of spot main roof separation monitoring, and analysis that the supporting system is reasonable. Under this basis, using the computer software of FLAC3D to numerical simulation the er melt shed support system and analysis the displacement of surround rock stress and roadway, and by the means of adjusting the row support scheme; deation monitoring; numerical simulation; support parameter optimization 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................ i ABSTRACT .................................................................................................................. ii 第一章第一章 绪论绪论 ............................................................................................................ - 1 - 1.1 课题研究意义及选题背景 .............................................................................. - 1 - 1.1.1 研究意义 ................................................................................................... - 1 - 1.1.2 选题背景 ................................................................................................... - 1 - 1.2 国内外锚杆支护研究现状 .............................................................................. - 3 - 1.2.1 国外研究现状 ........................................................................................... - 3 - 1.2.2 国内研究现状 ........................................................................................... - 4 - 1.2.3 存在的主要问题 ....................................................................................... - 5 - 1.3 主要研究内容及技术路线 .............................................................................. - 5 - 1.3.1 主要研究内容 ........................................................................................... - 5 - 1.3.2 技术路线 ................................................................................................... - 6 - 第二章第二章 锚杆支护理论及机理锚杆支护理论及机理 ................................................................................ - 7 - 2.1 锚杆支护理论 .................................................................................................. - 7 - 2.1.1 悬吊理论 ................................................................................................... - 7 - 2.1.2 组合梁理论 ............................................................................................... - 8 - 2.1.3 组合拱理论 ............................................................................................... - 8 - 2.1.4 最大水平应力理论 ................................................................................... - 9 - 2.1.5 松动圈理论 ............................................................................................. - 11 - 2.1.6 锚杆支护围岩强度强化理论 ................................................................. - 11 - 2.2 锚杆支护机理 ................................................................................................ - 11 - 2.2.1 顶锚杆作用机理 ..................................................................................... - 11 - 2.2.2 帮锚杆作用机理 ..................................................................................... - 13 - 第三章第三章 锚杆支护设计方法锚杆支护设计方法 .................................................................................. - 15 - 3.1 工程类比法 .................................................................................................... - 15 - 3.2 数值分析法 .................................................................................................... - 16 - 3.3 理论计算法 .................................................................................................... - 18 - 3.4 动态系统设计方法 ........................................................................................ - 20 - 第四章第四章 回采巷道支护方案选择研究回采巷道支护方案选择研究 .................................................................. - 21 - 4.1 某煤矿支护方案选择 .................................................................................... - 21 - 4.1.1 棚式支护 ................................................................................................. - 21 - 4.1.2 锚网支护 ................................................................................................. - 22 - 4.2 本章小结 ........................................................................................................ - 24 - 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 第五章第五章 巷道变形监测巷道变形监测 .......................................................................................... - 25 - 5.1 顶板离层监测 ................................................................................................ - 25 - 5.1.1 顶板离层概述 ......................................................................................... - 25 - 5.1.2 顶板离层仪布置 ..................................................................................... - 25 - 5.1.3 顶板离层仪监测数值分析 ..................................................................... - 26 - 5. 2 巷道表面收敛量 ........................................................................................... - 28 - 5.3 本章小结 ........................................................................................................ - 29 - 第六章第六章 锚网支护参数优化研究锚网支护参数优化研究 ........................................................................ - 31 - 6.1 工程概况 ........................................................................................................ - 31 - 6.1.1 地质概况 ................................................................................................. - 31 - 6.1.2 矿井基本情况 ......................................................................................... - 33 - 6.1.3 围岩及煤层力学参数 ............................................................................. - 33 - 6.2 原支护方案 .................................................................................................... - 35 - 6.2.1 巷道支护参数 ......................................................................................... - 35 - 6.2.2 力学模型的建立 ..................................................................................... - 36 - 6.2.3 力学模型及参数的确定 ......................................................................... - 36 - 6.2.3 数值模拟分析 ......................................................................................... - 36 - 6.3 锚杆支护参数优化研究 ................................................................................ - 39 - 6.3.1 可行性支护方案的确定 ......................................................................... - 39 - 6.3.2 最佳可行方案的确定 ............................................................................. - 40 - 6.3.3 优化后的支护布置方式 ......................................................................... - 40 - 6.3.4 优化方案数值分析 ................................................................................. - 41 - 6.4 本章小结 ........................................................................................................ - 44 - 第七章第七章 结论与发展前景结论与发展前景 .................................................................................... - 45 - 7.1 主要结论 ........................................................................................................ - 45 - 7.2 研究发展前景 ................................................................................................ - 45 - 参考文献参考文献 ................................................................................................................ - 47 - 致致 谢谢 .................................................................................................................... - 49 - 万方数据 湖南科技大学工程硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究意义及选题背景课题研究意义及选题背景 1.1.1 研究意义研究意义 据 BP 世界能源统计 2012 发布的数据显示， 2012 年， 中国煤炭产量为 37.3亿吨， 占全世界比重为 47.5。煤炭是我国各种能源中最为丰富的资源，已探明的资源量占世 界总量的 11.1。随着经济迅速发展及石油资源的逐步衰竭，我国对煤炭资源需求量日 趋增长，估计在今后 40 年以内，煤炭仍然是我国的主导能源[1]。但是，我国煤矿以中、 小型矿井居多， 这些矿井基本上都是采用平硐开拓、 立井开拓或斜井开拓方式进行开采， 而每年这些煤矿井下巷道掘进工程量达千万米，以前采用传统的棚式支护，导致煤矿每 年投入到巷道维护的费用非常大， 而且顶板事故时有发生。 因此， 为了保持巷道的完整， 改善工作条件和工作环境， 防止顶板事故的发生， 推广煤矿井下回采巷道选用锚网支护， 对确保矿井安全生产和员工生命财产安全方面起着至关重要的作用[2]。 井工开采的矿井与露天开采的矿井在开拓方式、回采工艺等方面是截然不同的，井 工开采的矿井需要布置井下巷道， 而与井下巷道密切相关的就是巷道围岩力学参数以及 巷道支护方式选择，只有在充分分析巷道围岩参数后，才能合理地确定巷道的布置层位 以及支护参数。由于多数矿井煤层埋藏较深，甚至有些煤层埋藏深度达千米，并且受煤 层赋存条件制约和采动的强烈影响，所以巷道在掘进与维护上存在安全性差、支护难、 维护费高的问题[3]。加上煤矿井下巷道顶板事故频发，严重威胁井下职工的生命安全。 所以，推行井下巷道特别是回采巷道采用锚杆支护是十分必要的[4]。 实践表明，锚杆支护不但支护成本低、劳动强度小，而且成巷速度快、井巷断面利 用率大，是一种备受人们认可的有效的采准巷道支护形式 [5]。 1.1.2 选题背景选题背景 贵州是云贵基地的重要组成部分，有“江南煤海”之称号，全省有74个县（区） 煤炭生产。含煤地层分布面积达 70000km2，约占全省总面积的 40％。贵州省煤炭资 源主要分布在毕节市和六盘水市，所占比例分别为 49和 29。截止 2010 年底，煤 炭保有资源储量 590.15 亿吨，其中炼焦用煤 109.69 亿吨。 毕节市煤炭资源丰富，是贵州省主要优质无烟煤产地，全市有九个县（区）煤炭 生产。全市国土面积为 26853km2，其中含煤面积为 12000km2，约占全市国土面积的 45。据贵州省煤田地质局资料，毕节市预测全市煤炭资源总量2000m以浅为 759.7 万方数据 第一章 绪论 - 2 - 亿 t，占全省资源总量的 31.4，其中1000m以浅资源量为 569.8 亿 t，占全省1000m以 浅资源量的 35.9[6-7]。 毕节市区域内主要含煤地层为龙潭组， 其它几个地层煤层较薄， 厚度变化较大。 全市现有合法煤矿 487 个，规模为 11328 万吨/年。其中生产矿井 301 个，占现有 煤矿总数的 61.8，在生产矿井中，煤矿每年掘进回采巷道的工程量达 50 万米，回采 巷道工程量还是很大的，若所有煤矿都采用先进的锚杆支护，则每年节约的巷道维护 费是非常惊人的，在节约成本的同时，也可以确保巷道质量，减少顶板是否的发生。 近年来， 毕节市煤炭产业取得了前所未有的发展。 据统计 毕节市煤炭产量从2001 年的 518 万吨增加到2013年 6926.09 万吨，2013年煤矿矿山企业工业总产值达到 323.43 亿元 [8]。但近年来，毕节市煤矿安全生产形势较为严峻。根据毕节市煤炭行业 管理部门安全科王工提供的 2008 年 1 月 1 日至 2014 年 11 月 3 日的矿井瓦斯、顶板、 机电、透水、运输等方面的数据进行整理，详见表 1.1。通过对毕节市近 6 年来的煤 矿事故类型和事故起数分析来看，毕节市发生的事故起数为 197 起，死亡人数为 279 人。其中煤矿顶板事故起数为 112 起，死亡人数为 126 人，所占比例分别为 56.85和 45.16，在所有事故类型中所占比例最大。 表 1.1 毕节市 2008～2014 年煤矿事故统计 Tab.1.1 Coal mine accident statistics from 2008 to 2014 in Bijie City 序号 事故类型 事故起数 比例 死亡人数 比例 1 瓦斯 23 11.68 83 29.75 2 顶板 112 56.85 126 45.16 3 透水 1 0.51 1 0.36 4 机电 5 2.54 5 1.79 5 运输 38 19.29 39 13.98 6 其它 18 9.14 25 8.96 合计 197 100.00 279 100.00 毕节市近年来顶板事故频发的主要原因为煤矿井下回采巷道仍然采用传统的棚 式支护（工字钢） ，仅有 1/3 的煤矿（含国有大、中型矿井）采用了先进的锚网支护。 目前，毕节市煤矿正处于新一轮的兼并重组期间，资源整合后，毕节市煤矿总数 仍将保持在 300 个左右，为满足国家相关政策要求，今后毕节市煤矿单井规模基本上 是在 45 万 t/a 及以上的，为达到煤矿生产能力，矿井将进一步提高矿井采掘机械化程 度，为满足矿井生产、通风、运输、采掘机械化以及行人要求，井下煤巷断面将比小 型矿井增大一倍左右。选用综采工艺的，运输巷净断面不得小于 12m2，回风巷净断面 万方数据 湖南科技大学工程硕士学位论文 - 3 - 不得小于 10m2；选用高档普采工艺的，运输巷、回风巷净断面均不得小于 8m2。如果 仍然采用传统的棚式支护，那么巷道质量将得不到保证，井下职工的生命安全得不到 保障，而且在生产过程中还会增加反反复复的巷修，将严重制约着煤矿的安全、高效 发展[9]。 在国内外相关理论研究的基础上，以毕节市黔西县泰来乡境内的 A 煤矿为例，通 过巷道支护技术改革，结合井下回采巷道锚网支护取得的成功经验，实践证明，回采 巷道采用锚网支护， 能有效控制巷道顶板离层量和巷道表面收敛量， 较好地遏制冒顶、 片帮事故的发生，通过运用锚网支护技术，保证了巷道质量，减轻了井下工人的劳动 强度，节约了巷道支护成本，改善了井下作业环境，有利于采掘工作的快速推进。 1.2 国内外锚杆国内外锚杆支护研究现状支护研究现状 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 1924 年，前苏联顿巴斯矿最先运用锚喷支护，50年代德国、英国、法国、瑞典 开始运用和研究锚杆支护成套技术。后来经过一段时间后，世界各国锚杆支护技术得 到迅速发展，并逐步成为煤矿井下巷道主要的支护形式。在锚杆支护技术方面，研究 比较全面的国家有美国、澳大利亚[10,11]，获得良好的支护效果。其中澳大利亚已形成 了比较完善的锚杆支护理论和体系，该国煤矿巷道几乎都采用锚杆支护[12]，主要是推 行全长树脂锚固锚杆，并且已经形成了比较全面的锚杆支护体系设计方法，它主要是 把相互关联的各个部分（地质调研、设计、施工、信息反馈等）作为一个系统来考察， 能够更好地确定巷道支护相关参数。 从19世纪末期，从英国开始应用锚杆支护技术，并逐渐得到人们的认可和应用。 通过长期对煤矿井下巷道锚杆支护工程实践，不断发展和完善了锚杆支护理论[13]，英 国煤矿井下巷道锚杆支护比例达到 80左右[14]。 因为锚杆支护可以改变围岩的力学特 性，支护效果较好，锚杆支护技术得到大量的应用[15]。 20 世纪 50 年代初， 美国开始应用锚杆支护， 煤矿井下巷道锚杆支护比例达到 90 以上[16]。近年来，成了煤矿巷道围岩控制的主要支护形式。20 世纪 80 年代，英国国 家煤炭公司将锚杆支护技术应用到煤矿后，在短短数年的时间内就取得了巨大的成功 [17]。 德国自 80 年代以来，随着煤炭资源的开采，煤层埋深逐渐增大，采用传统的 U 型钢支护，导致巷道变形严重，难以满足支护要求，严重制约着煤矿安全、高效生产。 但通过在鲁尔矿区采用锚杆支护试验成功后，便大力推广锚杆支护，目前已解决深井 支护困难的问题。德国煤矿井下巷道锚杆支护比例达到 50以上[18]。 万方数据 第一章 绪论 - 4 - 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 在国内，从 1956 年开始在岩石巷道内应用锚杆支护，至今已发展为煤巷内应用 锚杆支护，经过众多的煤矿企业及工程技术人员的探索和工程实践，锚杆支护已成为 我国煤矿井下巷道主要的支护方式[19]。 锚杆支护具有显著的技术经济优势[20]，主要表现在 （1）被动支护改为主动支护； （2）初期投入成本低； （3）施工方便，工人的劳动强度大大降低； （4）提高巷道断面利用率。 我国煤矿以井工开采为主，而井下巷道支护方式从木支护发展到如今较为先进的 锚杆支护 [21]，整个发展过程是比较非常漫长的。锚杆支护技术应用初期，由于缺乏 科学的支护体系和设计方法，加上支护材料和施工机具技术性能差，巷道变形监测成 套仪器不完善，导致支护强度比较低。后来因为有了科学的支护体系和设计方法，巷 道变形监测技术得到进一步发展，支护材料和配套施工设施性能指标满足要求，锚杆 支护强度才从以往的低强度逐步发展到今天的高强度和强力支护。但未来随着开采强 度和开采深度的增大，为解决通风、生产等问题，巷道断面也相应增大，而且深部巷 道支护更加困难，针对这些问题，有关专家和学者经过刻苦钻研和大量的工程实践， 研究出了高强度锚杆支护技术，在我国绝大多数煤矿中得到广泛运用，取得了巨大的 成功[22,23] 。近年来，开发了强力锚杆、锚索支护系统，解决了深部巷道、受采动影 响的巷道、大断面巷道等支护技术难题，具有成