凌志达煤矿掘进工作面支护优化研究与应用.pdf

分类号分类号 TD353TD353密密级级公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 凌凌志志达达煤煤矿矿掘掘进进工工作作面面支支护护优优化化研研究究与与 应应用用 原登亮原登亮 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称矿业工程矿业工程 指指导导教教师师姓姓名名李李 兴兴 华华职职称称教教授授 副副指指导导教教师师姓姓名名王王 义义 武武职职称称高高级级工工程程师师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二 0 0 一七年一七年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 凌志达煤矿凌志达煤矿掘进工作面支护优化研究掘进工作面支护优化研究 与应用与应用 作者姓名作者姓名 原原 登登 亮亮入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 矿业工程矿业工程研究方向研究方向矿矿山山压压力力及及其其控控制制 指导教师指导教师 李李 兴兴 华华职职称称 教教授授 副副指导教师指导教师王王 义义 武武职职称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2017 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2017 年年 6 月月 万方数据 THE SUPPORT OPTIMIZATION RESEARCHAND APPLICATION OFAHEADING FACE IN LINGZHIDA COALMINE ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Yuan Dengliang Supervisor Professor Li Xinghua College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。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。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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、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。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，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆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；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；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。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名导师签名导师签名 日日期期日日期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生在规定的学习年限内在规定的学习年限内，， 按照培养方案及个人培养计划按照培养方案及个人培养计划，， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 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，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 1 摘要摘要 本文从凌志达煤矿15203煤巷掘进巷道支护存在的问题着手， 取现场岩石试 样放置室内实验室进行试验，确定岩石强度准则，分析其变形特征，同时作为 数值计算力学参数。 根据显示拉格朗日算法， 运用FLAC3D数值计算软件基于M-C 强度准则，对凌志达煤矿15203煤巷掘进巷道相同应力及位移边界条件下，不同 支护方式所具有的巷道变形量、应力集中程度、巷道顶底板破坏特点进行了数 值模拟；结合现场实测数据，对比分析，提出最优方案，用于掘进巷道的现场 支护，从而保证安全生产。主要结论如下 （1）基于摩尔库伦准则，对内摩擦角和内聚力采用线性拟合求解；掘进巷 道顶板石灰岩内摩擦角35.6，内聚力16.525，10MPa-40MPa围压下，峰值强度分 别为127.24MPa、 153.936MPa、 172.154MPa、 199.731MPa。 15煤内摩擦角为18.52， 内聚力2.894，2-8MPa峰值强度分别为11.479MPa、17.897MPa、21.188MPa、 23.665MPa。 （2） 理论计算巷道支护参数并结合巷道围岩锚固潜力及巷道锚固稳定性系 数计算公式，最后确定优化后的锚杆间排距为800mm1200mm。 （3）由于15煤层直接顶中泥岩和石灰岩分布不均匀，导致巷道顶板锚固 区可分为四种情况；根据理论计算结果，通过FLAC3D数值模拟软件对四种情况 下的巷道支护情况进行模拟，研究巷道围岩变形规律及特征；结果表明采用 四种支护参数，巷道的围岩变形量均能满足安全生产的要求。因此，在实际掘 进中，应当针对不同顶板条件，选用最合适的支护参数，可以明显提高巷道掘 进速率，降低生产成本。 （4）巷道顶部离层及钻孔窥视检测结果表明采用优化后的支护参数，两 巷道顶底板最大移近量为41mm，两帮最大移近量68mm，顶底板变形速率最大 2.4mm/d，两帮变形速率最大为2.72mm/d，仅在K2灰岩（稳定岩层）的含水层中 出现几处小的裂隙发育。优化后的锚（网）-索联合支护方式很好地控制了围岩 的变形，对围岩强度起到了有效强化，在保证工程质量安全的前提下，大幅提 高了掘进速度，实现了凌志达煤矿采掘接替平衡。 关键词关键词掘进工作面支护优化强度准则数值模拟现场观测 万方数据 山东科技大学硕士学位论文ABSTRACT ABSTRACT This article starts from the problem of roadway support of 15203 coal roadway in ling zhi da coal, take the rock sample placed indoor laboratory test to determine the rule ofrock strength criterion,and analyse its deation characteristics, at the same time was taken as the mechanical parameters of numerical calculation. According to the Lagrange algorithm, by using FLAC3D numerical calculation software on the base of M-C strength criterion to numerical the different supporting s of deation, stress concentration degree, the damage characteristics of roof and floor under the same stress and displacement boundary conditions, on the based of the actual date of the field, At last the optimal scheme is proposed to be used for the site support of the roadway to ensure the safe production by comparative analysis. The main conclusions as follows 1Based on Moore Kulun criterion,the linear fitting for internal friction Angle and cohesion is applied. The inner friction Angle of the roof of the roadway is 35.6, the cohesion force is16.525, confining pressure is 10MPa-40MPa, the peak intensity is 127.24MPa, 153.936 MPa, 172.154 MPa, 199.731 MPa. the cohesion force of 15 coal is18.52, the cohesion force is 2.894, the peak strength of 2-8mpa is 11.479 MPa, 17.897 MPa, 21.188 MPa, 23.665 MPa. 2Combining with the theoretical calculation of the roadway supportingparametersandroadwaysurroundingrockanchorage potential and roadway anchor stability coefficient calculation ula, finally determine the optimized spacing between bolts is 800mm 1200mm. 3Because the mudstone and limestone distributionofdirect roof in 15 coal seam is not uni;according to the calculation result,thefour situations of roadway support is simulated by FLAC3D numerical simulation,by studying roadway surrounding rock deation rule and characteristics; the results show that by using the four kinds of supporting parameters, the deation of surrounding rock of roadway can getthe requirements of safe production. Therefore, in the actual excavation it is necessary to select the most suitable supporting parameters for different roof conditions, which can significantly improve the tunneling speed and reduce production costs. 4The roadway roof separation and borehole detection results show that the largest moving distance of the roof and floor of the roadway is 万方数据 山东科技大学硕士学位论文ABSTRACT 41mm, the largest moving distance of two shift approach is 68mm, the maximum deation rate of roof and floor is 2.4mm/d, the maximum deation rate of two shift approach is 2.72mm/d by using the optimized parameters, only in the K2 limestone stable rockappear a few small fracture.The optimized way of anchor network - rope combined support to well control the deation of surrounding rock,played an effective strength of surrounding rock reinforcement, it greatly improves the driving speed under the premise of ensuring engineering quality safety to acheve the mine excavation balance. Key word Tunneling working face； Support optimization； Strength criterion；Numerical simulation；Site observation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 1 目目录录 摘要摘要............................................................................................................ⅠⅠ 目录目录............................................................................................................ⅣⅣ 1 1绪论绪论........................................................................................................1 1 1.1问题的提出...........................................................................................................1 1.2研究背景及意义...................................................................................................2 1.3国内外研究现状...................................................................................................3 1.4主要研究内容和研究方法...................................................................................7 2 2矿井概况矿井概况............................................................................................... 9 9 2.1地理位置...............................................................................................................9 2.2矿区地质概况.......................................................................................................9 2.3煤层赋存特点.....................................................................................................11 2.4工作面概况.........................................................................................................12 2.5本章小节.............................................................................................................13 3 3煤岩物理力学参数测定煤岩物理力学参数测定.....................................................................1 14 4 3.1煤岩力学试验条件及试验设计.........................................................................14 3.2煤岩试件单轴抗压强度的测定.........................................................................16 3.3煤岩试件抗拉强度测定.....................................................................................22 3.4煤岩试件三向压缩试验.....................................................................................23 3.5本章小结.............................................................................................................26 4 4巷道锚杆巷道锚杆- -索支护参数优化研究索支护参数优化研究.......................................................2 28 8 4.1支护参数理论计算.............................................................................................28 4.2支护参数优化的数值模拟研究.........................................................................36 4.3数值模拟方案分析.............................................................................................38 4.4不同支护参数的巷道锚杆受力分析.................................................................38 4.5本章小结.............................................................................................................49 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 2 5 5巷道巷道围岩变形特征实测分析围岩变形特征实测分析.............................................................5050 5.1掘进巷道支护方案.............................................................................................50 5.2巷道围岩变形观测.............................................................................................51 5.3巷道支护效果分析.............................................................................................60 5.4本章小结.............................................................................................................62 6 6结论与展望结论与展望.........................................................................................6 63 3 6.1结论.....................................................................................................................63 6.2展望.....................................................................................................................63 参考文献参考文献....................................................................................................6 64 4 致致谢谢........................................................................................................6868 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果...........................................................................6969 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents Contents 1Introduction............................................................................................................1 1.1Raising of problems............................................................................................................. 1 1.2Research background and significance................................................................................2 1.3Research status at home and abroad.................................................................................... 3 1.4Main research contents and research s.....................................................................7 2Mine survey.............................................................................................................9 2.1Geographical position..........................................................................................................9 2.2Geological survey of mining area........................................................................................9 2.3Occurrence characteristics of coal seam............................................................................11 2.4Working situation...............................................................................................................12 2.5The summary of this chapter..............................................................................................13 3Analysis of physical and mechanical parameters of coal and rock..................14 3.1Coal and rock mechanics test conditions and test design....................................................9 3.2The determination of coal and rock specimens unidirectional compressive strength.......16 3.3Test tensile strength of coal rock test.................................................................................22 3.4Triaxial compression test for coal rock test.......................................................................23 3.5The summary of this chapter..............................................................................................26 4Optimized research of roadway anchor and cable support parameters.........28 4.1Theoretical calculation of support parameters...................................................................28 4.2Numerical simulation of support parameter optimization.................................................36 4.3Numerical simulation scheme analysis..............................................................................38 4.4Force analysis of roadway bolt with different support parameters................................... 47 4.5The summary of this chapter..............................................................................................49 5Survey and analysis of deation characteristics of roadway surrounding rock..............................................................................................................................50 5.1The excavation of the roadway support scheme................................................................50 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents 5.2Experiment of roadway surrounding rock deation observation.................................51 5.3Analysis of the effect of roadway support.........................................................................60 5.4The summary of this chapter..............................................................................................62 6Conclusion and prospect......................................................................................63 6.1Conclusion..........................................................................................................................63 6.2Prospect..............................................................................................................................63 Reference.....................................................................................................................64 Thank...........................................................................................................................68 Main achievements during the postgraduate study................................................69 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1绪论绪论 1.1问题的提出问题的提出 现如今煤炭整体正处在低迷时期，围绕矿产资源的开采，掘进巷道逐渐从 技术问题转向“技术-经济-安全”相结合的问题，既要满足生产需求又要降低掘 巷成本。只有有的放矢，解决此类工程技术问题，才能实现不仅既增大生产效 率又相应增加煤矿效益的目标，做到经济安全两头抓。随着工作面推进，回采 巷道要满足不间断的回采作业，则就要求掘进工作能够实现正常的接续，那么 巷道的高效率、高安全性对于矿井生产尤为重要。但是众所周知，巷道的支护 工作是影响巷道掘进效率的主要限制因素之一[1]， 支护工作的效率在一定程度上 也就决定了巷道成型与工作面回采作业的时间，故只有不断优化支护参数才能 减少巷道作业时间，保证回采工作与巷道掘进的有序接替。 随着锚网支护技术的发展，大部分矿井开始应用此技术进行巷道的支护， 与此同时也逐渐暴露出一些问题。 如山西省的凌志达煤矿在开采 15煤层的过程 中出现一些急需解决的难题 （1） 支护材料消耗严重， 造成支护成本增加； （2） 虽然掘进效率