利民煤矿迎回采面沿空掘巷围岩稳定控制技术研究.pdf

S a Study o Surro along G 江苏 国家 国家 国家 利民煤 围岩 on the oundin Goaf fo 苏省高校优势 家自然科学基 家自然科学基 家自然科学基 硕士 煤矿迎 岩稳定 Stabili ng Rock orward C 作 导 中国 二○ 势学科建设 基金资助项 基金面上项 基金资助项 士学位论 迎回采面 定控制技 ity Con k in a R d to Mi Collier 者种德 师柏建 国矿业大 ○一四年 设工程资助项 项目（51204 项目（51174 项目（51204 论文 面沿空 技术研 ntrol T Roadw ining F ry 德雨 建彪 教授 大学 年五月 项目PAPD 4166） 4195） 4167） 空掘巷 研究 Techno way Dr Face in 授 ology o riving n Limi of in 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 利民煤矿迎回采面沿空掘巷 围岩稳定控制技术研究 Study on the Stability Control Technology of Surrounding Rock in a Roadway Driving along Goaf forward to Mining Face in Limin Colliery 作 者 种德雨 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○一四年五月 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 Thesis Originality 本人郑重声明所呈交的学位论文利民煤矿迎回采面沿空掘巷围岩稳定控 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 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 万方数据 万方数据 论文审阅认定书 论文审阅认定书 Thesis approval identification 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 万方数据 致 谢 致 谢 Acknowledgements 本篇论文是在尊敬的导师柏建彪教授悉心指导下完成的， 论文每一个环节都 凝结着导师的心血和智慧。在研究生的三年时间里，无论是在我的学习、工作还 是日常生活中，柏老师都给予了我无私的关怀和帮助。柏老师优秀的人品，严谨 求实的治学态度，平易近人的待人态度无不成为学生前进道路中的航标；柏老师 的德才双馨和行为师表，无不深深地激励着我不断进取、不懈奋斗、诚实低调做 人、谨慎踏实做事。这些都是都是柏老师留给学生的巨大的财富，今后必将为学 生的工作、学习和生活奠定坚实基础。值此毕业之际，谨向柏老师致以最崇高的 敬意和由衷的感谢 衷心感谢侯朝炯教授、师母夏军武教授对学生在学习、生活和工作各个方面 的指导、关心和帮助。 衷心感谢王襄禹老师、徐营老师、陈勇老师在论文写作过程中给予无私的指 导。三位老师在日常学习、生活中对学生的关心和帮助，学生铭记在心，衷心地 祝您们阖家幸福，工作顺利 在闫帅老师、于洋师兄、赵地杰师兄、潘跃文师兄的带领下，我成功地完成 了在科研项目中所承担的工作，他们在学习、生活方面都给了我很多帮助，感谢 他们对我的陪伴与呵护。 同时在论文写作的过程中，得到了课题组于洋、张自政、袁龙飞、马卫波、 张继、李萌、胡明明、刘禹辰、王术睿、朱才坤、廉常军、郭冠龙的无私帮助， 再在此对他们表示由衷的感谢。不管是在乌海棋盘井矿、平沟矿，晋城曲堤矿、 永红矿，长治沁新矿、新源矿，临汾同富新、金山、昊锦塬等矿，都留下了我们 共同战斗的足迹。感谢所有同窗，同门师兄弟三年来的陪伴与勉励。 深深感谢父母的养育之恩，感谢父母对我所做选择一如既往的支持。 感谢所有给予我关心、帮助的老师和同学。 最后，感谢百忙之中评阅我的硕士论文和出席论文答辩的各位专家、教授。 正是有了大家的指导、关心、帮助、理解和支持，论文才得以顺利完成。在 此，深表感谢，谢谢大家 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 迎回采面沿空掘巷不仅具有传统沿空掘巷在采出率、应力环境、维护条件方 面的优势，而且能有效缓解紧张的采掘接替关系，在国内矿区有不少成功应用实 例。迎回采面沿空掘巷关键阶段“迎采段”要经历毗邻回采面侧向老顶断裂至再 稳定的全过程动压作用，要先后经历 3 次附加应力扰动，巷道围岩变形量大、维 护困难。 本文针对利民煤矿 0913 回风顺槽迎回采面沿空掘巷特有的应力环境，为能 有效的保持巷道围岩的稳定，采用理论分析、数值计算结合工业性试验的研究手 段，取得了以下 6 个方面的研究结论 （1）通过分析迎采巷道所受应力的差异及毗邻工作面回采产生的波动高应 力对迎采沿空巷道掘进的影响，确定了迎回采面沿空掘巷的时空效应 4 阶段，并 剖析了各阶段迎采巷道的稳定性，得到“迎采段”是沿空掘巷围岩稳定控制的关 键阶段； （2）通过分析关键阶段“迎采段”应力分布曲线的分布形式、峰值点、应 力集中系数、 增长率等， 确定了毗邻回采面附加采动应力对掘进的强烈影响区间， 从而确定了合理的掘巷时机； （3） 通过分析迎采巷道在留设不同宽度窄煤柱条件下， 关键阶段 “迎采段” 留设窄煤柱宽度与应力分布、位移场及围岩变形量的相关性，结合理论计算及窄 煤柱设计原则，确定合理的窄煤柱宽度为 5 m； （4）针对迎采巷道所受应力扰动特点，认为保持迎回采面沿空掘巷巷道围 岩整体稳定的关键是有效固结顶板和窄煤柱帮，提高其承载能力，保持围岩小结 构的稳定； （5）根据迎采巷道各段差异化的应力环境，提出了“动态分段”控制巷道 围岩稳定，针对迎采段巷道复杂的应力环境，提出了在“迎采段”采用高强度高 预紧力锚杆支护配合单体液压支柱π 钢梁控制围岩的支护技术； （6）确定了利民煤矿试验巷道各段的支护参数，并进行了工业性试验，有 效的控制巷道围岩变形，满足生产要求，经济和社会效益显著。 该论文有图 52 幅，表 8 个，参考文献 62 篇。 关键词关键词迎回采面；沿空掘巷；掘巷时机；动态分段控制；锚杆支护 万方数据 万方数据 II Abstract Gob-side entry driving Forward to Adjacent Mining Face GEDFMF not only has advantages of traditional gob-side entry driving in aspects like recovery rate, stress environment and maintain conditions, but also can solve the urgent succeed of mining and excavation effectively. The technology has been put into practice successfully in many mining areas. The key stage of GEDFMF, the section of heading for Adjacent minging face, will experience the whole dynamic pressure effect from basic roof fracture to stabilization. Thus, it will experience 3 times additional stress disturbance, which will bring about large surrounding rock deation and difficult support. Based on the specific stress environment of GEDFMF in 0913 air-return entry, Limin Colliery, the thesis adopted comprehensive research s, like theoretical analysis, numerical calculation and engineering test, to maintain the stability of the surrounding rock, and acquired research conclusions in 6 aspects as below 1 By analyzing the differences of stress loading on the entry forward to adjacent mining face, and the influence of fluctuating high stress generated by adjacent working face on GEDFMF, the study acquired the time-space effect in four stages and analyzed the stability in each stage, got that the section of heading for adjacent minging face is the key to control the stability of surrounding rock in roadway driving along goaf. 2Through analyzing stress distribution curve mode, peak point, stress concentration coefficient and increasing rate in the key stage the section of heading for adjacent minging face, the study determined the influencing interval of additional mining stress of adjacent working face on entry driving, and then determined the reasonable driving time. 3 By analyzing the relationship between different width of narrow coal pillar in key stage, the section of heading for adjacent minging face, and stress distribution, displacement field and surround rock deation, the reasonable width of narrow coal pillar was determined as 5m based on the theoretical calculation and designing principles for narrow coal pillar. 4 According to the stress disturbance characteristics of GEDFMF, the thesis deemed that the key to maintain the whole stability of GEDFMF is to solidify the roof and narrow coal pillar rib, which means improving their bearing stability can maintain 万方数据 III the stability of small structure of surrounding rock. 5 According to the different stress environment in different section of GEDFMF, the thesis put forward dynamic staged control technology for the stability of surrounding rock. In allusion to the complex stress environment of GEDFMF, the thesis proposed united support technology, namely high strength high pre-stress bolt, signal hydraulic support and π-shape steel beam during the key stage. 6 The study determined the support parameters of each section of testing entry in Limin Coal Mine. The engineering test illustrated that the technology could control the surrounding rock effectively, and could meet the production requirements, which contributes to the significant economic and social benefits. The paper has a total of 52 figures, 8 tables, and 62 references. Key wordshead for adjacent advancing coal face; roadway driving along goaf; the driving opportunity; dynamic sectional control; anchor bolt support 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 ........................................................................................................................ XI 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................... XII 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义..................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状..................................................................................................... 2 1.3 研究内容与技术路线............................................................................................. 9 2 迎回采面沿空掘巷掘进时机的确定迎回采面沿空掘巷掘进时机的确定 ..................................................................... 11 2.1 迎回采面沿空掘巷时空效应............................................................................... 11 2.2 迎采巷道围岩应力分布规律............................................................................... 14 2.3 迎回采面沿空掘巷掘进时机的确定................................................................... 19 2.4 本章小结............................................................................................................... 20 3 迎回采面沿空掘巷窄煤柱合理宽度的研究迎回采面沿空掘巷窄煤柱合理宽度的研究 ......................................................... 22 3.1 窄煤柱宽度的理论计算....................................................................................... 22 3.2 窄煤柱稳定性的数值分析................................................................................... 24 3.3 窄煤柱宽度的确定............................................................................................... 33 3.4 本章小结............................................................................................................... 34 4 迎回采面沿空掘巷围岩稳定控制技术迎回采面沿空掘巷围岩稳定控制技术 ................................................................. 36 4.1 迎采巷道围岩控制原理....................................................................................... 36 4.2 迎采巷道的动态分段控制技术........................................................................... 40 4.3 本章小结............................................................................................................... 49 5 工业性试验工业性试验 ............................................................................................................. 51 5.1 试验巷道生产地质条件....................................................................................... 51 5.2 试验巷道支护参数............................................................................................... 51 5.3 迎采巷道矿压观测方案....................................................................................... 53 万方数据 V 5.4 矿压观测结果及分析........................................................................................... 54 5.5 试验巷道围岩控制效果....................................................................................... 65 5.6 本章小结............................................................................................................... 68 6 结论结论 ......................................................................................................................... 69 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 71 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 VI Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ..................................................................................................................... VI List of Figures ......................................................................................................... VIII List of Tables .............................................................................................................. XI List of Variables........................................................................................................ XII 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Research Background and Significance ................................................................... 1 1.2 Research Status at Home and Abroad ...................................................................... 2 1.3 Research Contents and Technical Route .................................................................. 9 2 Determination of Driving Opportunity in Roadway Driving along Goaf forward to Mining Face ............................................................................................. 11 2.1 Time-space Effect of Roadway Driving along Goaf and Heading for Adjacent Advancing Coal Face ................................................................................................... 11 2.2 Distributing Law of Surrounding Rock Stress in Roadway Heading for Adjacent Advancing Coal Face ................................................................................................... 14 2.3 Determination of Driving Opportunity in Roadway Driving along Goaf and Heading for Adjacent Advancing Coal Face ................................................................ 19 2.4 Brief Summary ....................................................................................................... 20 3 Study on the Reasonable Narrow Coal Pillar Width of Roadway Driving along Goaf and Heading for Adjacent Advancing Coal Face ........................................... 22 3.1 Theoretical Calculation of Narrow Pillar Width .................................................... 22 3.2 Numerical Calculation of Narrow Pillar Stability ................................................. 24 3.3 Determination of Narrow Coal Pillar Width .......................................................... 33 3.4 Brief Summary ....................................................................................................... 34 4 Stability Control Technology of Surrounding Rock in Roadway Driving along Goaf Forward to Mining Face .................................................................................. 36 4.1 Surrounding Rock Control Mechanism in Roadway Heading for Adjacent 万方数据 VII Advancing Coal Face ................................................................................................... 36 4.2 Dynamic Sectional Control Technology of Surrounding Rock in Roadway Driving Along Goaf forward to Mining Face ........................................................................... 40 4.3 Brief Summary ....................................................................................................... 49 5 Industrial Testing .................................................................................................... 51 5.1 Production Geological Condition of Test-roadway ............................................... 51 5.2 Support Parameter of Test-roadway ....................................................................... 51 5.3 Mining Pressure Observation Plan in Roadway Driving along Goaf Forward to Mining Face ............................................................................................