五阳煤矿7603工作面动压回采巷道围岩控制技术研究.pdf

全日制硕士学位论文 五阳煤矿五阳煤矿 7603 工作面动压回采巷道围岩控制工作面动压回采巷道围岩控制 技术研究技术研究 申请人姓名 王雷超 指 导 教 师 陈晓祥 副教授 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 矿业工程 研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二○一二○一五五年年六六月月 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD353 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 五阳煤矿五阳煤矿7603工作面动压回采巷道围岩控制工作面动压回采巷道围岩控制 技术研究技术研究 Study on Control Technology of Dynamic Pressure Roadway of Wuyang Coal 7603 Island Face 申请人姓名申请人姓名 王雷超王雷超 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士工学硕士 学 科 专 业学 科 专 业 矿业矿业工程工程 研 究 方 向研 究 方 向 矿山压力与岩层矿山压力与岩层控制控制 导师导师 陈晓祥陈晓祥 职称职称 副教授副教授 提 交 日 期提 交 日 期 2015年年4月月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2015年年6月月 河南理工大学 万方数据 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 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学位论文 五阳煤矿 7603 工作面动压回采 巷道围岩控制技术研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或 集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的 贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅，允许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和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用 影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 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。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 致致 谢谢 光阴似箭，时光荏苒，三年的硕士学习生涯即将结束，值此论文完成之际， 我谨以最诚挚的心情向我的导师陈晓祥老师致以最崇高的敬意。在本论文的选题、 理论研究、现场实践、论文撰写、直至论文定稿，陈老师都给予了精心指导和严 格要求。感谢陈老师在三年研究生学习期间对我学习上的全力指导和生活上的无 私关怀，陈老师对我的教诲，将成为我受益终身的财富。 感谢河南理工大学能源科学与工程学院对我的培养，感谢为我授课的所有老 师感谢在论文开题、写作及预审等环节提出宝贵意见的老师 感谢学院领导和老师对我的关心和支持，感谢韦四江副教授、张盛副教授等 在论文撰写中给予的帮助与指导。 感谢山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿的相关工作人员在我论文 完成过程中所提供的帮助。 感谢师兄徐仪昌、范增哲、刘军和师弟杜贝举、屠耸、吴俊鹏，还有同门付 东辉在论文写作期间给予的各方面的帮助和支持。 感谢朝夕相处的同窗室友席志渊、郝亚勋、胡海洋及全班同学，在这三年里 是他们在生活上和学习上给予了我莫大的帮助，是他们让我的学习生活充满了乐 趣。 深深感谢我的父母，是他们一路鼓励、支持我走到现在，祝愿他们永远健康 快乐 最后衷心感谢各位专家、教授在百忙中评审本论文并提出宝贵意见 王雷超 2015 年 3 月于河南理工大学 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 本文以山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿 7603 孤岛工作面运输巷 为工程背景，运用沿空煤体力学分析了孤岛面覆岩压力分布规律，可知 7603 运输 巷位于高应力区域；根据巷道径向位移公式，运用 Matlab 数值分析软件作图分析 得出影响 7603 运输巷围岩变形因素主要有两方面因素巷道围岩压力和围岩体物 理力学参数， 并提出了 7603 运输巷两帮“平移”大变形影响因素的对比模拟方案。 运用 FLAC3D 软件建立数值模型，分别模拟对比方案，对模拟数据分析可知运 输巷变形量随着围岩压力的增加而增加，同时随着围岩物理力学参数的减小而增 加。根据 7603 运输巷两帮大变形的理论和模拟分析，结合 7603 运输巷的具体工 程，提出了“携顶底，控两帮”的支护思想，并且设计出六种对比模拟方案，经 过模拟对比分析数据得出了最优的巷道支护方案， 掘进时 7603 运输巷两帮移近量 仅为 295mm；回采时，7603 运输巷两帮移近量随着工作面的靠近逐渐增加，最终 移近量约为 419mm，能够满足安全生产的需要。工业性实践，在 7603 运输巷道掘 进过程中，巷道两帮平均移近量 346mm 左右；工作面回采过程中，两帮移近量约 为 490mm。可见，巷道围岩变形破坏得到有效控制，保证了巷道正常的生产使用， 为孤岛工作面回采巷道控制两帮大变形技术积累了宝贵的经验。 关键词关键词高应力；动压；回采巷道；大变形；围岩控制 万方数据 II 万方数据 III Abstract Base on Shanxi Luan Environmental Energy Development Co., Ltd. 7603 island face Wuyang mine roadway transportation engineering, using coal along the empty mechanics analysis the pressure distribution of the surface overlying rock islands, coming to 7603 transportation roadway in the high stress areas ; base on radial displacement ula base on roadway, numerical analysis using Matlab software mapping analysis results affect surrounding rock deation 7603 transportation roadway factors are two factors roadway surrounding rock pressure and physical and mechanical parameters, and proposed 7603 transportation study Roadway two to help “translate“ Contrast simulate large deation scheme influencing factors. based on FLAC3D establisheing numerical models, respectively, analog data systems analysis shows Transportation deation of roadway surrounding rock pressure increases and increases with decreasing transportation roadway surrounding rock deation of physical and mechanical parameters increases. According to 7603 transportation roadway two sides large deation theory and simulation analysis, combined with specific engineering 7603 transportation Roadway, proposed “ bring the top and bottom, to help control the two sides,“ the supporting ideas, and design a six comparative simulation programs, through simulation comparison analysis of data obtained optimal roadway plan, closer of two sides only 295mm, while the optimal solution has been mining face simulations 7603 transportation roadway two to help with the face amount closer close to gradually increase and eventually moved closer to about419mm, meeting the needs of production safety. When the industrial practice, in 7603 the transport roadway excavation process, closer to the average amount of roadway between two closer to the amount of 346mm; Coal Mining process, two groups closer to about 490mm. Comprehensive data shows that deation and failure of effective control, ensuring normal production and using of the roadway for the island face mining roadway between two large deation control technology has accumulated valuable experience. Key words High stress; Dynamic pressure; Mining Roadway; Deation characteristics ; Rock control 万方数据 IV 万方数据 V 目目 录录 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 论文研究的背景和意义 ....................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................... 2 1.2.1 孤岛面巷道变形机理研究现状 ..................................................................................... 2 1.2.2 孤岛巷道控制研究现状 ................................................................................................. 2 1.3 存在的问题 ........................................................................................................... 4 1.4 本文的研究内容及方法 ....................................................................................... 5 1.4.1 研究内容 ........................................................................................................................ 5 1.4.2 研究方法 ........................................................................................................................ 6 1.5 研究技术路线 ....................................................................................................... 6 2 7603 孤岛面运输巷概况孤岛面运输巷概况 .............................................................................................. 9 2.1 工程地质概况 ....................................................................................................... 9 2.1.1 矿井地质概况 ................................................................................................................ 9 2.1.2 7603 工作面工程地质概况 .......................................................................................... 10 2.2 原有支护方式及评价 ......................................................................................... 11 2.2.1 原有支护方式及变形特征 .......................................................................................... 11 2.2.2 钻孔窥视围岩破坏特征 ............................................................................................... 12 2.2.3 巷道变形影响因素分析 .............................................................................................. 14 3 孤岛面动压回采巷道变形机理分析孤岛面动压回采巷道变形机理分析 ........................................................................ 15 3.1 孤岛面应力分布规律 ......................................................................................... 15 3.1.1 沿空煤体应力分布 ....................................................................................................... 15 3.1.2 沿空煤体应力分析 ....................................................................................................... 15 3.1.3 孤岛面应力状态 .......................................................................................................... 16 3.2 巷道围岩变形量理论分析 ................................................................................. 17 3.3 FLAC3D 数值模拟 ............................................................................................. 23 万方数据 VI 3.3.1 FLAC3D 简介 ............................................................................................................... 23 3.3.2 建立模型 ...................................................................................................................... 24 3.3.3 数值模拟方案的确立 .................................................................................................. 25 3.3.4 模拟分析数据测站布置 .............................................................................................. 25 3.3.5 垂直应力对巷道围岩变形的影响 .............................................................................. 26 3.4 本章小结 ............................................................................................................. 42 4 孤岛面动压巷道围岩支护参数优化研究孤岛面动压巷道围岩支护参数优化研究 ................................................................. 43 4.1 优化方案分析 ..................................................................................................... 43 4.2 数值模拟模型建立及结果分析 ......................................................................... 45 4.2.1 建立模型 ...................................................................................................................... 45 4.2.2 不同支护方案支护效果对比分析 .............................................................................. 45 4.3 最优方案的确定 .................................................................................................. 49 4.3.1 最优方案的确定 .......................................................................................................... 49 4.3.2 最优方案支护后回采过程中巷道围岩应力、变形规律 .......................................... 52 4.4 本章小结 ............................................................................................................. 60 5 现场工业性试验现场工业性试验 ......................................................................................................... 61 5.1 监测目的 ............................................................................................................. 61 5.2 表面位移监测数据及分析 ................................................................................. 61 5.2.1 测站布置及测试要求 .................................................................................................. 61 5.2.2 监测数据分析 .............................................................................................................. 61 5.3 锚杆受力监测 ..................................................................................................... 63 5.3.1 测站布置方式 .............................................................................................................. 63 5.3.2 监测数据分析 .............................................................................................................. 64 5.4 锚索受力监测 ..................................................................................................... 65 5.4.1 测站布置方式 .............................................................................................................. 65 5.4.2 监测数据分析 .............................................................................................................. 66 万方数据 VII 5.5 围岩钻孔窥视 ..................................................................................................... 67 5.5.1 观测钻孔布置方式 ...................................................................................................... 67 5.5.2 窥视结果分析 .............................................................................................................. 68 5.6 回采过程数据监测与分析 ................................................................................. 72 5.7 本章小结 ............................................................................................................. 73 6 结论与展望结论与展望 ................................................................................................................ 75 6.1 主要结论 ............................................................................................................. 75 6.2 展望 ..................................................................................................................... 76 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 77 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 81 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................ 83 万方数据 VIII 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文研究的背景和意义 我国煤炭资源丰富，煤炭产量居世界首位，同时煤炭能源占一次能源生产和 消费总量的 76和 69。国家能源中长期发展规划纲要（2004～2020 年） 明确 指出中国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源 战略”。可见，在目前相当长的一段时间内，我国能源煤炭的主导性不可替代。 在煤炭开采过程中，工作面连续布置，势必在工作面回采巷道产生动压扰动， 形成动压巷道，这为巷道支护带来了极大的困难，对安全生产构成威胁，为了避 免工作面之间连续的开采带来的动压干扰，采区工作面采用跳采方式进行接替， 在采区内形成了两侧均采空的工作面，这样的工作面称为孤岛工作面[15]。随着煤 炭资源的逐渐枯竭，又由于煤炭是不可再生资源，因此如何更多的开采出煤炭资 源，是当前急需解决的问题，对孤岛工作面的开采就是解决这一问题的有效方法 之一。 从 20 世纪 80 年代初期开始，我国各大矿区就有了对孤岛工作面的开采研究， 比如兴隆庄矿[6]、枣庄矿务局柴里煤矿[7]和兖矿的南屯煤矿[8]都有对孤岛工作面进 行了开采。可是，孤岛工作面覆岩应力集中度高，围岩破坏程度大，均严重威胁 工作面安全生产。如兖州矿业济宁二号煤矿[9]2303 孤岛工作面在巷道掘进过程中， 底板在 30 分钟之内臌起 500mm； 三河尖煤矿[10]7141 孤岛工作面发生过矿压事故， 以致提前停采了 7141 孤岛综放面。可见，对孤岛工作面的深入研究对其安全开采 意义重大。 目前，各个矿区均出现了孤岛工作面的开采问题，但其回采巷道的破坏情况 不尽相同。新桥煤矿孤岛面[11]的回采巷道两帮大于顶底板变形量达到了 950mm； 济宁二号煤矿 23 下 03 孤岛综放工作面[12]两帮大于顶底板变形量达到了 1124mm； 潞安环能股份公司王庄煤矿 5109 孤岛工作面[13]两帮大于顶底板变形量达到了 1800mm；红岭公司 15l0l 采煤孤岛面[14]两帮大于顶底板变形量达到了 1800 mm； 五阳煤矿 7508 上分层孤岛工作面[15]帮部煤壁片帮宽度达 2m；王庄煤矿孤岛工作 面[16]两帮大于顶底板变形量达到了1100mm； 莒山煤矿6采区ZF302孤岛工作面[17] 巷道顶底板的变形量仅为两帮的 54；淮南矿业集团谢桥煤矿 11313孤岛工作面 [18]两帮大于顶底板变形量达到了 980mm；韩桥煤矿潘家庵井孤岛面[19]顺槽的两帮 移近量是顶底板的 23 倍。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 因此，为了有效控制孤岛工作面的回采巷道围岩变形，对两帮的控制尤为重 要，其控制效果直接影响着巷道围岩的稳定性，也是成功开采孤岛工作面的技术 难点。本文结合山西潞安环保能源开发股份有限公司五阳煤矿 7603 孤岛工作面具 体工程，通过对孤岛面覆岩应力分布情况的研究，运用理论分析、Matlab 因素分 析、FLAC3D 模拟不同条件因素下的巷道变形情况，分析 7603 孤岛工作面运输巷 两帮大变形机理，提出孤岛面巷道围岩控制最优方案。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 孤岛面巷道变形机理研究现状 孤岛工作面的矿压要比非孤岛工作面矿压显现强烈，应力集中度更高，同时 由于回采过程中动压的扰动，在煤层及顶板滑动体系的基础上再次运动，使原有 的破裂面及断层落差继续增大，进一步产生破坏。 刘金海[19]运用 FLAC3D 软件模拟了孤岛工作面推进过程中煤体垂直应力场分 布规律，得出孤岛面的煤体中垂直应力呈“C”形分布；孤岛工作面超前支承压 力影响距离为非孤岛面的 3～5 倍。 刘晓斐[20]在鹤岗南山矿 237 孤岛工作面采用钻屑法和电磁辐射法进行开采冲 击危险性局部预测，对比显示可以准确预测 237 孤岛工作面冲击地压的危险。 丁元林[21]结合淮南矿业集团谢桥煤矿 11223大采高孤岛工作面，通过大采高 孤岛工作面覆岩压力与一般工作面的对比，得知孤岛面的覆岩断裂程度、煤体 支撑压力均明显增大。 马忠远[22]根据魏家地煤矿二号石门具体工程实践，经过理论分析和现场观测 得出软岩巷道在高应力作用下主要是底鼓量和两帮的变形特别大。 曹安业[23]运用数值分析了孤岛工作面的应力分布情况，指出孤岛面的应力明 显大于其他非孤岛面，增加了支护难度。 刘长友[24]运用 FLAC3D 数值分析了超长孤岛综放工作面的应力环境，分析了 工作面初采与正常推进期间的支撑压力的分布规律，并指出煤柱变小会加剧应力 集中，会增加回采巷道的支护难度。 1.2.2 孤岛巷道控制研究现状 1.2.2.1 巷道支护理论研究现状 20 世纪 20 年代以前为古典力学理论阶段[25]， 该理论指出支护结构体的压力主 要来源于上覆岩层的重量。 万方数据 1 绪论 3 20 世纪 40 年代的松散体理论阶段[26]； 该理论阐述了支护结构上的压力主要来 源于围岩塌落拱内的松散体重量，并且坍落拱的高度受到地下工程跨度和围岩物 理参数等因素的影响。 20 世纪 50 年代，弹塑性力学逐渐应用于到巷道支护问题的研究中，运用弹性 力学来计算巷道的弹塑性圈范围[27]。 20 世纪 60 年代，奥地利的工程师腊布希维茨提出新奥地利隧道施工方法，一 种新隧道设计施工方法 [25]。 20 世纪 70 年代，萨拉蒙M.D.Salamon提出了“能量支护理”[2829]，指出要 利用支护的结构特点，支护结构与围岩相互作用，释放多余的能量，提高支护效 果。 国内学者在围岩控制方面的研究从早期的架棚支护到现在趋于成熟的锚网索 联合支护，形成了以下几种具有代表性的围岩控制理论 董方庭等人提出了围岩松动圈理论[3031]，该理论认为巷道松动圈范围的变大 大，就伴随着变形量的变大，支护难度就越大，因此，巷道支护的目的就是减小 围岩体松动圈的扩大，进而控制巷道变形。 于学馥等人提出了“轴变理论”[32]和“开挖系统控制理论”[33]，该理论运用 弹塑性理论分析研究了巷道坍落度，分析得出围岩应力超过岩体强