红柳林煤矿北一盘区4-2煤回风大巷支护技术研究.pdf

论文题目红柳林煤矿北一盘区 4-2煤回风大巷支护技术研究 工程领域矿业工程 硕 士 生杨正春 （签名） 指导导师张恩强 （校内） （签名） 校外导师陈小绳 （校外） （签名） 摘 要 红柳林矿井地处陕北神府矿区，煤层埋藏浅、地质构造简单，但是煤岩层出现严重 烧变和风氧化也比较多见。其中北一盘区 4 -2 煤层东部邻接自燃和风化剥蚀区，巷道围 岩条件较差，特别是首先施工掘进的 4 -2 回风大巷距离火烧区和风化区很近，以往锚网 索支护方案难以满足矿井安全高效掘进的需要，确定 4 -2 煤回风大巷在复杂围岩条件下 巷道的合理支护是该矿急需解决的问题。 本论文首先收集并分析了红柳林煤矿北一盘区 4 -2 煤层的地质资料，对其围岩进行 了岩石力学实验，并得到相关力学参数；针对红柳林煤矿北一盘区 4 -2 煤层赋存特征， 在分析影响巷道稳定主要因素基础上，将北一盘区 4 -2 煤巷道顶板条件划分为巷道顶板 相对完整区和巷道顶板风化破碎区这两个区域，为 4 -2 煤回风大巷支护方案和参数合理 确定提供了比较可靠的基础；接着根据北一盘区 4 -2煤回风大巷设计断面以及围岩参数， 结合理论计算和数值模拟分析，提出了北一盘区 4 -2 煤回风大巷的支护方案；最后，将 支护方案应用于现场实践 ， 同时对回风大巷的围岩进行监测 ， 验证支护方案的可靠程度。 关 键 词红柳林矿井；4 -2煤回风大巷；风化剥蚀区；锚杆支护 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Research on supporting technique of 4-2 layer North No.1 Panel air return tunnel in Hong Liulin Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Yang Zhengchun Signature Instructor Zhang Enqiang Signature Chen Xiaosheng Signature ABSTRACT Hong Liulin Coal Mine locates in Shenfu District, North of Shanxi Province. Though the coal seam is shallow and the geological structure is simple, the serious burn down and Oxidation by wind is common in coal series strata. 4-2 mine layer North No.1 panel is adjacent to spontaneous combustion area and weathering erosion area. The condition of tunnel surrounding rock is bad, especially for the No.4-2 air return tunnel that excavated first, which is very close to the fire burn and strong weathering area. The previous design on cable anchor tunnel supporting is difficult to satisfy the demand of driving in safe high efficient. In this case, it is the crucial work to confirm the reasonable supporting of No.4-2 air return tunnel in the condition of complex surrounding rock. Firstly, the paper collects and analysis the geological condition ination of 4-2 layer North No.1 Panel of Hong Liulin Coal Mine and do the rock mechanics experiments in the surrounding rock to get the relevant mechanics parameters. Secondly, for the mine layer occurrence characteristic, the paper divides the panel 4-2 tunnel roof condition into two areas on the basis of analysis on the main factor that affected to the tunnel stability, these are full piece area and weathering damage area of tunnel roof. The division provides more reliable foundation to panel tunnel supporting plan and parameter’s rationality. Thirdly, the paper combines numerical simulation analysis and theory calculation to provide supporting plan of panel 4-2 main tunnel on basis of design section and surrounding rock parameter. Lastly, the paper applies the supporting plan to the spot practice and monitors to the air return tunnel’s surrounding rock, and tests the reliability of supporting plan. Key words Hong Liulin Coal Mine, 4-2 Coal Tunnel, Weathering and Erosion Area, Cable Anchor Supporting Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 研究背景 ......................................................................................................... 1 1.2 研究意义 ......................................................................................................... 1 1.3 巷道支护技术发展 ......................................................................................... 2 1.3.1 国外巷道锚网支护技术状况 .............................................................................2 1.3.2 国内锚杆支护技术发展状况 .............................................................................4 1.3.3 锚杆支护理论的发展 .........................................................................................5 1.4 研究内容、方法及技术路线 ......................................................................... 7 1.4.1 主要研究内容 .....................................................................................................7 1.4.2 研究方法及技术路线 .........................................................................................7 1.5 本章小结 ......................................................................................................... 8 2 北一盘区 4-2煤回风大巷地质条件及围岩特征 ..................................................... 9 2.1 矿井概况 ......................................................................................................... 9 2.2 地质概况 ....................................................................................................... 10 2.2.1 矿井地层 .......................................................................................................... 10 2.2.2 地质开采条件 .................................................................................................. 12 2.3 煤层顶底板力学参数测定 ........................................................................... 14 2.4 巷道围岩特征 ............................................................................................... 20 2.4.1 围岩条件特征分析 .......................................................................................... 20 2.4.2 巷道顶板条件分区 .......................................................................................... 26 2.5 本章小结 ....................................................................................................... 27 3 北一盘区 4-2煤层浅埋薄基岩巷道锚杆支护作用机理 ....................................... 28 万方数据 目录 II 3.1 围岩变形破坏因素及破坏特征 ................................................................... 28 3.2 围岩控制原则 ............................................................................................... 31 3.3 锚杆支护理论及作用机理 ........................................................................... 33 3.3.1 巷道锚杆支护理论 .......................................................................................... 33 3.3.2 锚杆支护作用机理 .......................................................................................... 43 3.4 本章小结 ....................................................................................................... 44 4 北一盘区 4-2煤回风大巷支护方案研究 ............................................................... 45 4.1 北一盘区 4-2煤回风大巷地质条件探查 ...................................................... 45 4.2 支护设计原则 ............................................................................................... 47 4.3 支护方案研究 ............................................................................................... 48 4.3.1 岩巷段支护方案 .............................................................................................. 49 4.3.2 煤巷段支护方案 .............................................................................................. 52 4.4 本章小结 ....................................................................................................... 54 5 北一盘区 4-2煤回风大巷支护方案数值模拟 ....................................................... 56 5.1 数值模拟模型的建立与支护计算方案 ....................................................... 56 5.1.1 数值模拟计算模型 .......................................................................................... 56 5.1.2 支护计算方案 .................................................................................................. 60 5.2 围岩塑性破坏区分布特征 ........................................................................... 61 5.3 围岩变形特征 ............................................................................................... 63 5.4 围岩垂直应力分布特征 ............................................................................... 64 5.5 本章小结 ....................................................................................................... 66 6 北一盘区 4-2煤回风大巷效果观测及评价 ........................................................... 67 6.1 现场监测方案制定 ....................................................................................... 67 6.2 数据分析及评价 ............................................................................................ 68 万方数据 目录 III 6.3 本章小结 ....................................................................................................... 71 7 结论 ......................................................................................................................... 72 致 谢 ......................................................................................................................... 73 参考文献 ..................................................................................................................... 74 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景 红柳林煤矿位于陕西省神木县城以西约 15km 处，于 2011 年 10 月投入生产。目前 矿井核定生产能力 15.0Mt/a。红柳林煤矿从开发建设起就一直将创建世界一流矿井作为 坚定不移的战略目标，是陕煤化集团着力打造的具有世界领先水平的特大型现代化安全 高效矿井。 红柳林煤矿可采 2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-2共 6 层煤层，其中在井田东部边界附近， 由于自燃和风化剥蚀造成了上部部分煤层不同程度的缺失。全井田共划分为 6 个盘区， 目前矿井正在开采东部的北一盘区和南一盘区内无压茬关系的 5-2煤层。根据煤层压茬 关系和矿井开采接续安排，红柳林煤矿需要尽快开始回采北一盘区的 4-2煤层，以便能 及时释放其压覆的 5-2煤层。因此矿井正在实施北一盘区 4-2号煤层开发的有关盘区开拓 准备工程。 由于北一盘区 4-2煤层的东部、南部邻接火烧[1-2]和风化剥蚀区[3-4]，其强度低、松散 破碎，造成 4-2煤巷道围岩条件恶化，特别是首先试验掘进的盘区 4-2煤回风大巷距离火 烧区和强风化区很近，巷道支护遇到新的难题。以往的锚网索巷道支护方案难以满足矿 井安全高效的需要，急需解决 4-2煤复杂围岩条件巷道的合理支护技术。因此以“红柳 林煤矿北一盘区 4-2煤回风大巷支护技术研究”课题开展专项研究，针对红柳林煤矿北 一盘区 4-2煤回风大巷的具体条件和面临的具体问题，分析掌握北一盘区 4-2号煤回风大 巷围岩基本特性的基础上，在工作面现场试验观测研究基础上，提出红柳煤矿北一盘区 4-2煤回风大巷的支护方案和参数，为北一盘区 4-2煤的安全高效开采提供保障，也为整 个矿井 4-2煤的安全高效开采探索经验。 1.2 研究意义 陕北地区煤层赋存条件多数非常简单，煤矿产能普遍较大，机械化程度高，相应地 矿井巷道断面普遍较大。由于巷道围岩普遍较好，因此陕北地区煤矿巷道广泛采用了锚 网支护方式，普遍支护效果良好。红柳林煤矿在掘进工作面也一直采用锚杆支护，并且 支护效果良好。但在 4-2煤巷道掘进中，遇到了部分煤层及顶板岩层发生风氧化甚至烧 变的复杂情况。根据北一盘区回风大巷掘进揭露，当其接近至 4-2煤层底板附近，根据 井下探查和地质资料，4-2煤层顶板岩层中存在明显风氧化岩层，岩性明显变差，巷道围 岩条件变得复杂起来，特别是部分盘区大巷和顺槽受到 4-2号煤层火烧、严重风化区影 响，使巷道掘进支护出现严重困难。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 巷道围岩的稳定是围岩与支护体共同作用的结果[5]，围岩本身就是支护结构或支护 结构不可分割的重要组成部分。由于大断面巷道的断面积大，围岩应力将更加集中，围 岩破碎区、塑性区范围相对更大，围岩变形量也会迅速增长，巷道开挖将致使巷道围岩 煤体的节理裂隙更加发育。巷道开挖后，如不采用及时有效地进行支护，将难以控制巷 道围岩的变形和离层，将可能使巷道围岩很快发生失稳，围岩承载能力逐步减低，支架 围岩关系恶化，最终严重影响巷道围岩稳定性。 当围岩松散破碎时，围岩稳定性很差，锚杆锚索锚固力往往大幅度下降，常规的锚 网支护将难以有效控制围岩进一步的变形破坏。 陕北地区尽管一般煤层埋藏浅、地质构造简单，矿井开开采条件普遍优越。但煤层 火烧，煤岩层出现严重风氧化和烧变也比较多见，在巷道掘进支护中遇到风氧化煤岩围 岩条件也不少见。在巷道围岩条件普遍良好的陕北矿区，研究风氧化围岩条件的巷道支 护问题具有重要的现实意义和理论价值。该研究对红柳林煤矿和整个陕北煤矿的安全高 效生产也具有重要的意义。 1.3 巷道支护技术发展 1.3.1 国外巷道锚网支护技术状况 在 100 多年前，国外的一些矿山企业就开始应用锚杆支护。如英国在 1872 年就采 用过金属锚杆，美国 1900 年使用过木锚杆[6]。地下工程中大量采用锚杆支护是在 20 世 纪 40 年代末期。此外，锚杆支护在煤矿、非煤矿山、隧道及其他岩土工程中得到迅速 发展，成为一种极具发展前景的支护方式。 澳大利亚是目前使用锚杆支护技术最普遍、效果最好的国家之一[7]。澳大利亚由于 煤层埋藏条件好，加之锚杆支护技术不断发展和日益成熟，因而锚杆支护使用很普遍， 在煤矿巷道的支护比重中几乎达到了 100。澳大利亚从 20 世纪 60 年代初推行旺格利 采煤法以来，在回采巷道均采用 W 型钢带组合锚杆支护及型钢支护。自 1971 年采用长 壁采煤法以来， 工作面上下顺槽也采用W型钢带组合锚杆支护， 其最大巷道断面达15 m2 以上，尽管其巷道断面比较大，但支护效果非常好。对于复合顶板、破碎顶板及其巷道 交叉点、大断面硐室等难维护的地方，采用锚索注浆进行补强加固，控制了围岩的强烈 变形。 在支护设计方面他们认为水平主应力是巷道布置和支护设计的依据。 1991 年已完 成了澳大利亚主要矿区的地应力图汇编‖工作。其配套机具和支护材料比较先进，已经 达到规范化和系列化的程度。澳大利亚特别重视巷道监测技术，它不仅保证了巷道安全 程度，而且可用于验证和修改初步设计。 目前美国煤巷支护中，锚杆支护率达到了 90以上[8-10]。锚杆支护发展最快的是英 万方数据 1 绪论 3 国[11-12]。在 1987 年以前，英国煤矿巷道支护 90以上采用金属支架，而且主要是矿工 钢拱型刚性支架。由于回采工作面单产低、效率低、巷道支护成本高，因而亏损严重。 1987 年，英国从澳大利亚引进了成套的锚杆支护技术，从而扭转了过去的被动局面，煤 巷锚杆支护得到迅速发展，经过在近 10 年实验的基础上，又做了改进和提高，到 1994 年在巷道支护中所占的比重已达到 80以上。 锚杆支护技术的广泛采用给英国煤矿带来 巨大的活力和经济效益。 德国是 U 型钢支架使用最早、技术上最为成熟的国家[13]，自 1932 年发明 U 型钢支 架以来，U 型钢支架发展迅速，支护比重很快达到了 90以上。而自上世纪 80 年代以 来，随着矿井开采深度日益增加，维护日益困难，德国采用了增加金属支架的型钢质量 和减小棚距的方法来保证巷道的稳定，使巷道支护费用增高，造成施工，运输更加困难 和复杂。即便如此，巷道维护困难的状况仍然难以改观，于是寻求成本低，运输和施工 简单方便、控制围岩变形效果好的锚杆支护变得尤为重要。到 20 世纪 80 年代初期，锚 杆支护在鲁尔矿区实验成功后获得推广，现己应用到千米深井巷道中，取得了许多有益 的经验。法国煤巷锚杆支护的发展也很迅速，到 1986 年其比重已达 50。俄罗斯[11]对 煤矿锚杆支护研究较早，研制了多种类型的锚杆，在库兹巴斯矿区锚杆支护所占比重达 到 50以上。 国外对岩体锚固参数的选择与确定十分重视。就锚杆材质而言，虽然普通锚杆、高 强度锚杆及超高强度锚杆三种类型的锚杆材质均在使用，但以高强、超高强居多，如澳 大利亚近年已开发研究了 AX 超高强度钢，屈服载荷达 240 kN，破断载荷可达 340 kN， 延伸率为 15～27，就锚固剂和锚固方式而言，国外一般使用树脂药卷和全长锚固方 式就外联接固定件，如托盘、螺母及垫圈等，国外非常重视其与锚杆以及围岩表面的接 触和配合关系， 如螺母的配套、 在螺母与托盘间使用增压垫圈等。 总的来说采用高强度、 大延伸率锚杆以及对锚杆施加一定的初锚力（预应力） ，有利于控制围岩变形和增加围 压，这在国外已成共识。对于初锚力，澳大利亚研究证明当初锚力达 60～70 kN 以上 时，可基本阻止巷道顶板下沉。美国的研究表明当锚杆长度相同时，初锚力越大，其 组合梁的垂曲就愈小。总之，高强度预应力锚杆加固体系在国外已呈趋势。 总的来看，国外应用锚杆支护技术的发展有以下特点 （1）结合本国巷道围岩自身 条件，针对性地解决了一些技术难题。如德国 80 年代初针对煤田赋存较深特点，建立 了大型三维实验台模拟 1600 m 井深条件，进行深井巷道支护（包括锚杆）研究； （2） 逐步完善锚杆支护技术。国外锚杆日益向高强度、超高强度发展，研制了适应围岩大变 形的可拉伸锚杆； （3）完善锚杆施工配套机具； （4）各国都建立适合自身条件锚杆支护 设计方法。如澳大利亚在充分考虑水平地应力条件下将锚杆设计看成整个动态过程，即 采用了地质力学评估计算机模拟进行初步设计现场施工、监测信息反馈修改完 善设计‖的方法，此设计方法已在英国、波兰、印度、日本得到应用。法国的设计方法 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 以经验为基础， 适用于地质条件变化相对较大的情况； 德国条件单一， 采用极限移近法。 （5）逐步完善测试技术，确保锚杆支护技术的安全性和经济性。 1.3.2 国内锚杆支护技术发展状况 我国煤矿锚杆支护技术的发展现状，从 1956 年起在煤矿岩巷中使用锚杆支护，至 今己有 50 余年的历史[14]。20 世纪 60 年代锚杆支护开始进入采区。在八五‖期间，原煤 炭工业部把煤巷锚杆支护技术作为重点项目进行攻关，取得了一大批水平较高的科研成 果，并应用于新汶、铁法、兖州、峰峰、淮南等多个矿区，基本上解决了一般条件下巷 道支护问题，但是由于困难条件，如复合顶板、破碎顶板、煤层顶板巷道，以及沿空掘 巷等，锚杆支护的可行性和适用性还没有得到深入细致的研究。 在我国九五‖期间，原煤炭工业部将锚杆支护‖列为煤炭工业科技发展的五个项目 之一，展开了更深入、细致的试验研究。经过教学、科研与生产单位的联合攻关，煤巷 锚杆支护技术有了较大提高，取得了不少宝贵经验，主要有单体锚杆支护，锚梁网组合 支护、桁架锚杆支护，软岩巷道锚杆支护，深井巷道锚杆支护，沿空巷道锚杆支护，可 伸长锚杆，电动、风动、液压锚杆钻机，锚杆支护监测仪器，锚杆与金属支架联合支护 等。特别是 1996～1997 年我国引进了澳大利亚锚杆支护技术，在邢台矿务局进行了现 场演示，并完成了与锚杆支护技术有关的 15 个项目，使我国的煤巷锚杆支护技术，步 入了一个新的发展阶段具体表现为①以地应力为基础的锚杆支护设计方法已初见效果 并逐渐发展成熟；②开始采用高强度全长锚杆支护系统；③开发研制的顶板离层指示仪 和测力锚杆为实施围岩动态监测设计方法提供了技术支持。 同时，困难条件下锚杆－锚索支护技术得到了应用，并取得令人满意的支护效果和 经济效益。1995 年，我国国有重点煤矿当年新掘巷道中锚杆支护所占比重为 28.19， 其中岩巷中占 57.2，半煤岩巷占 27.65。煤巷占 15.15。到 1998 年，煤巷锚杆支护 比重提高到了 20.14，半煤岩巷中则提高到了 29.74。 锚杆支护技术还存在不少问题，锚杆支护理论仍未完善，特别是大跨度、全煤巷道 软弱破碎围岩等困难条件巷道的支护加固问题还没有完全解决。 这主要是由于 （1）对锚杆支护机理的认识还不够准确和全面，现有锚杆支护理论 具有很大的局限性。对锚固效果的综合因素效应还难以做到定量把握。 （2）围岩条件复 杂，锚杆支护难度大。我国煤炭资源丰富，赋存条件复杂，制约了锚杆使用范围，特别 是在 IV、V 类巷道及回采巷道，围岩松散、破碎、承载能力较低，而且受到较强的采动 影响。因此，围岩变形量和破裂范围往往都很大，且随着围岩各阶段变形、破坏的发生， 锚固结构须具有相应的变形适应性，并保持足够的承载能力以及对围岩变形的约束能 力，才能使围岩重新达到平衡状态，这给锚杆支护技术的推广应用造成了极大的困难。 万方数据 1 绪论 5 （3）支护形式选择和支护参数设计还存在一定的盲目性，而且在我国并没有统一的支 护设计规范，锚杆支护技术的应用在很大程度上仍处于工程类比法阶段。 （4）机械化程 度较低，钻装（装药卷、安装锚杆）速度较慢，影响巷道快速掘进，不适应综合机械化 采煤的发展。 （5）设备、仪器、仪表不能适应目前需要。 虽然目前在锚杆支护理论和技术方面取得了一定的研究成果，但远不能满足生产的 要求，在锚杆支护参数设计方面还缺乏足够的科学依据，存在一定的盲目性。因而要扩 大锚杆支护技术应用范围，特别是推广应用于 IV、V 类巷道，还应开展大量的工程实验 及理论研究工作。对于一些特殊巷道单独采用锚杆支护不能达到支护要求，必须采用锚 杆、锚索联合支护，充分发挥锚索的补强作用，才能达到满意的效果。 1.3.3 锚杆支护理论的发展 锚杆的支护作用机理尚在探讨之中。目前已提出的观点较多，其中影响较大有悬吊 作用、组合梁（拱）作用、加固（提高 C、φ值）作用、围岩松动圈巷道支护作用等几 种[15-20]。 锚杆的悬吊作用。1952～1962 年，LouisA、PaneK 经过理论分析及实验室和现场测 试提出锚杆的作用机理是将直接顶板悬吊到坚硬岩层上。例如，在缓倾斜煤层中锚杆的 悬吊作用就是锚杆将下部不稳定的岩层（直接顶或块状结构中不稳固的岩块）悬吊在上 部稳固的岩层上，阻止岩块或岩层的垮落。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量，并 据此设计锚杆支护参数。 锚杆的组合梁作用。为了解决悬吊理论的局限性，1952 年在德国 Jacobio 等在层状 地层中提出了组合梁理论。该理论认为在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄状岩层中可利 用锚杆的拉力将层状地层组合起来形成组合梁结构进行支护，这就是所谓的锚杆组合梁 作用。组合梁作用的本质在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁（板）的岩层挤紧， 增大岩层间的摩擦力；同时，锚杆本身也提供一定的抗剪能力，阻止其层间错动。锚杆 把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，这时被锚固的岩层可看作组合梁，全部 锚固层能保持同步变形，顶板岩层抗弯强度得以大大提高。 锚杆的减跨作用。如果把不稳定的顶板岩层看成是支撑在两帮的叠合梁（板） ，由 于可视悬吊在老顶上的锚杆为支点而减少了顶板的跨度，从而降低了顶板岩层的弯曲应 力和挠度，维持了顶板与岩石的稳定性，使岩石不易变形和破坏。这就是锚杆的减跨作 用，它实际上来源于锚杆的悬吊作用。 弹塑性理论的锚杆支护作用原理。弹塑性理论在对围岩的状态作了正确的分析后， 对锚杆支护的作用原理提出了两个不同的观点一个认为利用锚杆提供足够的支护抗 力，加固围岩提高其承载能力、减小其变形量，并且大量的实验室相似模拟试验证实通 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 过锚杆锚固可使围岩的抗压强度峰值提高 50～100（相对于无锚杆情况） ，同时据此 用摩尔理论抗剪强度包络线解释，可以使围岩不产生破碎带，或者说限制围岩弹塑性变 形量的发展，从而使围岩处于稳定的弹塑性围岩状态；另一个观点则认为锚杆的抗拉力 主要用来悬吊平衡破碎带内岩层的重量。这两种观点存在两个实际问题有待阐明。对第 一种观点来讲，由于现有支护（包括锚杆支护）对弹塑性变形相对不及时和支护手段与 围岩的不密贴决定了在围岩处于弹性状态时其支护阻力较小，它不可能有效的阻止并限 制围岩破碎带的产生和发展；对第二种观点，由于锚杆支护的主要对象不是破碎带内岩 石的重量，而是破碎带内产生和发展过程中碎涨变形力，而后者碎胀变形力远大于破碎 带内岩石的重量。 盖尔 Gale的最大水平主应力理论。澳大利亚、英国目前普遍采用最大水平主应力 理论设计锚杆支护参数。该理论认为，矿井岩层的水平应力应在埋深小于 500 米时通常 大于垂直应力；水平应力具有明显的方向性，其中最大水平应力一般为最小水平应力的 1.5～2.5 倍，巷道顶底板的稳定性主要受水平应力的影响，并且有 3 个特点巷道轴向 与最大水平应力方向平行的巷道受水平应力最小（顶底板稳定性最好） ；与最大水平应 力方向呈锐角相交巷道顶底板失稳破坏偏向巷道的一帮；与最大水平应力方向垂直的巷 道受水平应力影响最大（顶底板稳定性最差） ；最大水平应力理论论述了巷道