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4 Through the numerical simulation results, the displacement of the surrounding rock in the roadway is relatively large, and the deation and collapse are larger. The top and bottom of the roadway and the two plates are supported. Near the amount of significantly smaller, did not appear a large deation, indicating that the roadway with two support programs reasonable. 5 Based on the above theoretical analysis and field personnel response, analyze the specific factors that affect the roadway support, use the numerical simulation to compare the effect of the support scheme, and finally determine the mining roadway support scheme the roof adopts the left- Reinforced steel mesh; two with the use of left-handed longitudinal reinforcement bolts plastic mesh support; and on-site construction results to monitor and analyze, the support program design is reasonable, the effect is significant. The research of this paper not only solves the problem of roadway support in 112201 working face, but also provides a more accurate support scheme for 11-pillar support. Through theoretical analysis, numerical simulation and similar simulation, the 112201 working face Strengthen the support to ensure the overall stability of the roadway for the follow-up high-yielding production is of great significance, but also for similar geological conditions mine roadway support to provide a successful engineering analogy program. KeywordsShallow buried coal seam; Mining roadway; Roof breakage; Support to optimization ThesisApplication research 目录 I 目录 1 绪论绪论.........................................................................................................................................1 1.1 研究背景和意义..................................................................................................................1 1.2 浅埋煤层巷道控制技术与理论综述..................................................................................2 1.2.1 浅埋煤层的煤矿压力出现定律................................................................................2 1.2.2 浅埋煤层工作面覆岩运动规律................................................................................4 1.2.3 巷道围岩控制技术....................................................................................................5 1.2.4 巷道锚杆支护理论....................................................................................................6 1.3 本文的研究内容及方法......................................................................................................9 1.3.1 研究内容....................................................................................................................9 1.3.2 研究方法..................................................................................................................10 2 巷道围岩力学性质巷道围岩力学性质...............................................................................................................12 2.1 石窑店煤矿 112201 工作面概况......................................................................................12 2.1.1 矿井概况..................................................................................................................12 2.1.2 煤层条件..................................................................................................................13 2.1.3 工作面概况..............................................................................................................14 2.2 岩样采集及试件加工........................................................................................................14 2.3 实验原理及流程................................................................................................................15 2.3.1 单轴压缩实验..........................................................................................................15 2.3.2 劈裂实验..................................................................................................................16 2.3.3 单轴抗剪实验..........................................................................................................17 2.4 实验结果及分析................................................................................................................18 2.4.1 顶板岩石力学参数..................................................................................................18 2.4.2 煤的力学参数..........................................................................................................19 2.5 小结....................................................................................................................................21 3 回采巷道变形机理与锚杆（索）支护作用回采巷道变形机理与锚杆（索）支护作用...................................................................... 23 3.1 巷道变形力学机理............................................................................................................23 3.1.1 松动压力作用..........................................................................................................23 3.1.2 变形压力作用..........................................................................................................23 3.1.3 膨胀压力作用..........................................................................................................23 目录 II 3.2 锚杆索支护理论.............................................................................................................24 3.2.1 悬吊理论..................................................................................................................24 3.3 锚杆索支护机理.............................................................................................................24 3.3.1 顶板锚杆作用机理...................................................................................................24 3.3.2 帮锚杆作用机理......................................................................................................25 3.3.3 锚索作用机理..........................................................................................................26 3.4 锚杆支护和锚索支护的协调作用关系............................................................................27 3.5 本章小结............................................................................................................................28 4 112201 回采巷道顶板破坏特征回采巷道顶板破坏特征...........................................................................................29 4.1 实验过程............................................................................................................................29 4.1.1 基本原理..................................................................................................................29 4.1.2 初始参数..................................................................................................................30 4.1.3 技术参数..................................................................................................................31 4.1.4 相似材料..................................................................................................................32 4.1.5 模型铺设..................................................................................................................33 4.1.6 测试及处理过程......................................................................................................33 4.1.7 实验过程..................................................................................................................35 4.2 实验结果及分析................................................................................................................36 4.2.1 实验结果..................................................................................................................36 4.2.2 实验数据处理..........................................................................................................42 4.3 小结....................................................................................................................................47 5 巷道围岩松动圈范围巷道围岩松动圈范围测定测定...................................................................................................48 5.1 监测方法............................................................................................................................48 5.1.1 钻孔窥视法..............................................................................................................48 5.1.2 钻孔窥视法..............................................................................................................49 5.2 监测断面与布置方式确定................................................................................................51 5.3 松动圈测试数据分析与结果............................................................................................52 5.3.1 顶孔松动圈测试及钻孔窥视..................................................................................52 5.3.2 左帮孔松动圈测试..................................................................................................57 5.3.3 右帮孔松动圈测试..................................................................................................59 5.4 围岩松动圈分类................................................................................................................60 5.5 小结....................................................................................................................................61 目录 III 6 锚杆支护数值模拟分析锚杆支护数值模拟分析.......................................................................................................62 6.1 数值计算方法....................................................................................................................62 6.1.1 离散元法的原理......................................................................................................62 6.1.2 数值模拟程序..........................................................................................................62 6.2 计算模型与力学参数........................................................................................................63 6.2.1 计算模型的建立......................................................................................................63 6.2.2 边界条件..................................................................................................................63 6.2.3 力学参数的选取......................................................................................................63 6.3 数值计算结果分析............................................................................................................64 6.4 巷道支护参数....................................................................................................................67 6.4.1 运输巷道支护参数..................................................................................................67 6.4.2 回风巷支护参数......................................................................................................69 6.5 支护方案数值模拟验证....................................................................................................70 6.5.1 运输巷支护模拟......................................................................................................70 6.5.2 回风巷支护模拟......................................................................................................73 6.6 方案比较............................................................................................................................75 6.7 巷道围岩变形监测.............................................................................................................76 6.8 小结.....................................................................................................................................77 7 结论结论.......................................................................................................................................78 致致 谢谢.........................................................................................................................................79 参考文献参考文献...................................................................................................................................80 附附 录录.........................................................................................................................................85 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景和意义 煤炭资源在中国能源系统中发挥重要作用，在一次性能源结构中的比例约为 70。 一般来说，中国的煤炭资源丰富，但煤炭资源是不可再生资源，因此，合理开发各种条 件下的煤炭资源，减少煤矿安全事故的发生，对于促进国民经济可持续性发展，具有十 分重要的意义[1-5]。 近年来，国家对煤炭开采的重心逐步转移向资源储量更丰富的西部地区，西部地区 成为全国的能源基地[6-8]， 但是在赋存条件上， 西部矿区较东部有其特殊性， 主要表现在 （1）埋深很小，一般在 50m200m 的范围，矿压显现波及地表，破坏保护层，巷道变 形较大、难以支护[9]；（2）地表起伏较大，多为沟谷坡体地貌，使得工作面来压后巷道 承载力不同。由于上述特点，工作面的矿压显现必然受到地表沟谷坡体的影响。从收集 到的数据看，这种矿区煤层回采困难，某些区域段矿压显现异常、剧烈，且无规律性， 顶板直接切顶，裂缝会变长直达土地表面，会引发震动、支撑结构因压力而坍塌，在这 种情况下围岩的形状会发生出乎意料的改变，巷道也因此受到难以复原的破坏，经过不 断地整改却还是不能正常使用，严重制约了回采工作的安全高效进行[10]。 通过查阅资料和现场调查， 初步判断矿压异常现象是由于浅埋深处的地表沟谷坡体 的影响所致，但目前针对此类工况下工作面回采巷道的围岩稳定性控制方面的研究较 少。传统的巷道支护理论很难完全适应这类巷道的支护问题，这类巷道受力机理是未知 的，支护参数有较大的盲目性，缺少控制围岩稳定性的科学依据。 综上所述，系统的研究该类赋存条件下巷道围岩的受力机理及应力场的演化规律， 并探索一种适用于此类巷道围岩稳定性控制的支护技术， 对于回采巷道顶板结构稳定性 控制和支护参数优化具有重要的指导意义。 石窑店煤矿围岩巷道和支护物的变形、 破坏以及巷道中的动力现象都是矿压显现的 结果，换言之矿压显现是巷道应力分布的直观体现。因此矿压的显现规律研究是确定巷 道支护方式及参数的必然途径。 石窑店煤矿此前未进行过工作面矿压显现规律研究及回采巷道支护方案研究， 主要 依据其他相似矿井采用工程类比的方法确定工作面回采巷道支护方案， 因此该矿井现支 护方案可能存在过度支护或支护不足的问题。 本文以石窑店煤矿 2-2号煤层 112201 工作面回采巷道为工程研究背景，通过实验室 测试、相似模拟、数值模拟及工程数据实测等手段，对该矿 112201 工作面回采巷道顶 板结构稳定性破坏和支护技术进行研究，以期对巷道开挖后的稳定性控制得到准确结 西安科技大学工程硕士学位论文 2 论。本文研究提高了石窑店煤矿巷道围岩稳定性的控制、降低了巷道返修的成本，同时 对保证石窑店煤矿安全高效生产也具有重要意义， 同时为其他类似条件矿井浅埋煤层巷 道支护技术研究提供一定参考依据。 1.2 浅埋煤层巷道控制技术与理论综述 当我们回过头来再次开采浅埋煤层时，不再用原来的方法，而是使用多巷法，在巷 道的内部会设置煤柱，用来保护巷道，这些柱子的长度一般在 8 到 25 米之间，这些柱 子的煤资源不能被再利用，同时在采空区造成了局部应力集中，再者煤碳埋深浅、基岩 薄和表层覆盖松散型砂土，增加了煤层开采的难度，极易诱发地质灾害．对浅埋煤层矿 压规律的研究，概括起来主要有以下共同特点 （1）顶板不易形成稳定结构，来压时工作面存在明显的动载现象，易造成工作面 顶板台阶式下沉，严重时可能会出现支架被压死； （2）顶板沿采空区边缘几乎垂直断裂，地表快速下沉，迅速压实采空区，支架有 动载现象，顶板破断时，支架讯速达到甚至超过额定工作阻力，来压明显同时又难以控 制，来压结束以后压力也快速减小； （3）来压形成的地质运动迅速传导至地表，形成沟堑，周期来压的步距和地面裂 缝的间距基本相同。 1.2.1 浅埋煤层的煤矿压力出现定律 在国外的许多研究中，大多是针对如何有效的制约处于浅埋煤层上空的岩石 [1323]， 澳大利亚人 B.霍勃尔瓦依特团队亲自测量了位于新南威尔士的利用长壁法开采的 煤矿压力 [17]并根据测量结果得出处于这种情况的顶板被破坏现象以及岩石运动特点。 二十多年前， L.Holla也观察了开采浅辉煤矿时，其顶层岩石运动轨迹 [18]，利用钻孔把 将地面与煤层锚固，通过实际操作测量得到采煤竖直长度是顶板坍塌的竖直长度的九 分之一， 顶层的岩石在通过工作面时速度非常快， 造成的压力很大不能得到有效的控制。 在开采浅层的煤矿时地面很容易下沉，为了解决这个问题英美两国会利用房柱式， 这种方法可以预测地面下沉也可以计算柱子所要承担的压力，还可以评价地质条件 [19-23]。有些国家例如印度等由于技术不完善无法将长壁法纳入备选方法，他们主要研究 了利用房柱式预测地面下沉，并由此计算柱子所需承担的压力 [20-23]。 二十多年以前，国家开采了位于西北的神东矿区，许多研究工作者也据此开始探讨 开采浅埋煤层时所产生的矿场压力问题。 成效最为显著的是西安科技大学的侯忠杰等所 得到的研究成果 [23-50]。 他们做了大量的工作， 实际测量了位于大柳塔煤矿的浅埋煤层在 挖掘时产生的压力，也在实验室做了无数次的仿真实验，根据以上工作得到了在这种条 件下，挖掘现场出现压力的特征煤层在工作面上会使得上空的岩石因为压力而脱落， 1 绪论 3 进而使得工作上空的顶板沉陷，但是支架却难以承受突如其来的压力，由此引发不可预 料的后果。 候忠杰等在相同的条件下根据前人的研究结论进行了深入研究。 他通过相关理论更 加精确地表达了，浅埋煤层上空岩石因压力而脱落的具体原因，还提到了组合关键层的 思想，还按照这种思想得出了哪种情况下煤层上空的岩石是关键层，哪种条件下岩石会 因为压力而脱落。如果地面比较厚且较为松散，并且煤层上覆盖的岩石中有两层比较坚 固，那么这两层就是所谓的关键层。其原因是两层坚固的岩石以及中间的岩石能够构成 完整的一体，外表一起产生变化，同时被破坏，也就是不可避免的组合效应。组合关键 层是由两层及以上关键层所形成的。 所以处于地面较厚而又松散的组合关键层有很多特 征和其他条件下的关键层是类似的，例如变形特点、支承特点等，它们之间的不同之处 在于关键层比组合关键层薄很多。浅埋煤层的组合关键层被破坏后，被砌筑的梁会失去 原来的稳定性，进而使得正在开采的矿场压力异于常态。 以黏土砖为材料的梁的结构和浅埋煤层中的岩石脱落有很大关系， 黄庆享等据此对 岩石老顶的梁结构做了深入探讨，还研究了它不稳定的原因，并且得到了荷载传递的结 论。并依据以上的研究得出公式，用来计算采煤时支架所要承受的力的值。根据这些结 论，在开采一般的煤矿时，在关键层的上方有一层质地较软岩石，它就是用来承受和传 递荷载的，我们把它叫做荷载层。关键层和荷载层的状态时同步的，关键层要承担荷载 层的所有压力。 我国制造的用来采煤的长壁机械有很多出口到印度的， 赵宏珠根据这些机械设备对 处于印度的煤矿压力进行了探讨。煤层的开采倾斜角度在五度到七度之间，开采的高度 约为三米，PV 煤矿距离地面六十五米，处于顶板的岩石是砂岩，其厚度大概是四十米， 地表的土有三米厚。根据测量的结果得出开采空间上方的岩石被破坏时，有些情况下 破坏并不会延伸到地面，在开采之中这些岩石会呈现一种平衡状态，这些岩石并不会全 部作用于支承，只有二分之一的岩石会有实际作用，所以在挑选支架时可以适当减少其 阻力。但这个煤矿在工作时工作空间被压塌过。根据以上描述可以得出，特定条件下矿 场的压力并不简
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