四台煤矿沿空掘巷围岩控制技术研究.pdf

硕士学位论文 四台煤矿沿空掘巷围岩控制技术研究 Research on Surrounding Rock Control Technology of Driving Roadways along Goaf in Sitai Coal Mine 作 者刘 权 导 师马立强 教授 中国矿业大学 二○一四年五月 国家自然科学基金项目（50904063）资助； 教育部新世纪优秀人才支持计划项目（NCET-12-0957）资助； 江苏省高校“青蓝工程”项目资助； 江苏省优势学科建设项目（SZBF2011-6-B35）资助； 中央高校基本科研业务费专项基金资助项目（2013RC02、2014YC01）资助； 国家自然科学基金重点资助项目（U136121）资助； 江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目（CXZZ13-0946）资助； 煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题（SKLCRSM13X03）资助； 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 四台煤矿沿空掘巷围岩控制技术研究 Research on Surrounding Rock Control Technology of Driving Roadways along Goaf in Sitai Coal Mine 作 者 刘 权 导 师 马立强 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 矿山压力与岩层控制 答辩委员会主席 张东升 评 阅 人 王少义、谢耀社 二○一四年五月 万方数据 74 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 四台煤矿沿空掘巷围岩控制技术研究 ， 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 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 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 刘权 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 致致 谢谢 时光荏苒，岁月如梭，短暂而又充实的研究生学习经历就这样接近尾声了。 春夏交替之际，不仅是繁花盛开的季节，也是毕业学子离别母校的季节。在这三 年的时光中，有许多值得我珍藏的记忆，这些记忆陪伴我成长，给我以启迪，让 我心中不由生发出感动，感恩与怀念。在此，借论文完稿之际，向给予我关心、 帮助的老师、同学、朋友们致以最诚挚的感谢。 衷心地感谢恩师马立强教授。饮其流时思其源，成吾学时念吾师。在论文的 选题、搜集资料和写作阶段，马老师都倾注了极大的关怀和鼓励。我从导师那里 领略了严谨的治学态度和坚韧的探索精神，将使我终生受益。借此机会，我再次 向马老师致以深深地谢意 感谢金志远博士、周焘硕士、夏明硕士、胡成林硕士、于全想硕士、孙鹏飞 硕士、谭志文硕士、孙强硕士、梁继猛硕士等对我的帮助、支持与理解 感谢已在古都西安投身煤炭事业的曹新奇师兄， 远赴新疆奉献青春的李奇奇 师兄，在首都北京建功立业的李昕宇师兄。在我初来课题组时，正是三位师兄在 学习中给予我莫大帮助。在此，衷心祝愿三位兄弟身体健康，前程似锦 感谢大同煤矿集团塔山煤矿匡铁军总工程师，四台煤矿总工程师牛福龙，辛 学军副科长， 刘科学副科长， 技术员张希文， 郭传鹏等在现场给予的支持与帮助 感谢父母多年来的默默付出、支持与鼓励感谢女友的陪伴、理解、关心以 及在精神上的鼓励与帮助 感谢所有曾经关心和帮助过我的朋友们 感谢论文中引用文献的作者们 感谢中国矿业大学-我亲爱的母校，对我的培养 最后，感谢各位评阅专家、学者在百忙之中审阅本论文，并殷切希望得到您 的指正和赐教 刘权 2014 年 5 月 6 日 万方数据 I 摘摘 要要 本论文以四台煤矿 81215 工作面回风平巷为研究背景，采用现场调研、理论 分析、数值模拟和现场工业性试验等方法，对两硬条件下沿空掘巷围岩控制技术 进行了研究和分析，该技术研究的成功实施对两硬条件下沿空掘巷实现安全、高 效开采具有重要意义。本论文主要研究成果如下 （1）以关键层理论为指导，建立了两硬条件沿空掘巷上覆岩层结构的力学 模型， 对沿空掘巷上覆岩层在掘巷后和本工作面采动影响时的稳定性进行了分析， 为研究两硬条件沿空掘巷采用锚杆支护时如何有效控制巷道变形提供了理论基 础。 （2）采用极限平衡理论和弹塑性理论计算合理的最小护巷煤柱宽度。运用 FLAC-3D数值模拟方法，在沿空掘巷后和 81215 工作面回采时针对不同煤柱宽度 进行煤柱内应力与位移分析， 发现煤柱内垂直应力随着煤柱宽度的逐渐增加而增 大， 而回采巷道变形量随着煤柱宽度的逐渐增加呈现先变小后增大再平衡的规律。 通过对不同煤柱宽度条件下煤柱内部应力变化规律和 81215 工作面回采巷道变 形规律的分析，发现保留 6m 煤柱能够满足采场围岩稳定性。 （3）以实验室测得的 81215 工作面岩层力学参数为依据，对沿空掘巷巷道 围岩应力、变形和破坏范围进行理论计算。运用数值模拟方法分析不同支护参数 对巷道稳定性的影响，对巷道围岩锚杆支护参数进行优化设计，选择较为合理的 的巷道支护参数。 （4）现场工业性试验。81215 工作面回风平巷掘进影响稳定后，巷道两帮 相对移近量最大达到37mm， 实体煤帮移近量为15mm， 沿空煤帮移近量为22mm。 顶底板变形量最大达到 23mm，其中顶板下沉量为 8mm，底鼓量为 15mm。从巷 道整体变形看，采用锚杆锚索钢筋托梁金属网联合支护技术，能够有效控制 围岩变形，保证了巷道在使用期内的安全与稳定，进一步完善两硬条件沿空掘巷 围岩控制技术，对沿空掘巷支护设计科学化和矿井安全高效生产具有重要意义。 该论文有图 51 幅，表 12 个，参考文献 80 篇。 关键词关键词两硬条件；沿空掘巷；围岩控制；巷道支护 万方数据 II Abstract Using the on-site research, numerical simulation, theoretical analysis and on-site industrial tests and so on，the surrounding rock control technique of driving roadways along goaf under two hard conditions is studied and analyzed with the background of Sitai coal mine 81215 face tailgate. This paper has important significance for mining efficiently and safely with driving roadways along goaf under two hard conditions. The main conclusions of the study are given below 1 Based on the theory of dominant stratum, a mechanical model of overburden structure of driving roadways along goaf under two hard conditions is established. In order to provide theoretical basis for studying how to effectively control the roadway deation on the roadway along gob with bolting under two hard conditions，the stability of the overburden on the roadways along goaf after exploiting the roadway and during mining the working face were analyzed. 2 The reasonable minimum pillar width was calculated with limit equilibrium theory and elastic-plastic theory. The stress and displacement of coal pillar for different width after drilling the roadway and during mining No.81215 face by using FLAC-3D numerical s were analyzed. It is found that the pillar vertical stress increases with the increase of the coal pillar width, while the roadway deation with the coal pillar width gradually reduces first, then increases and finally balances. With the analysis on the rule about the internal stress variation of pillar coal under different width and roadway deation of the No.81215 face, it is found that retaining 6m pillar can meet stability of surrounding rock in stope . 3 Based on mechanical parameters of No.81215 face rock measured in laboratory, theoretical calculations on the surrounding rock stress, deation and damage ranges for the roadway along goab were carried out. By analyzing the impact on stability of the roadway in different supporting parameters using numerical simulation analysis, the bolting parameters of the roadway are optimized design and selecting reasonable support parameters. 4 A industrial test on site was carried out. After drifting the tailgate of No.81215 working face, the relative surrounding rock deation of tunnel walls are closer to the amount of 37mm, the rock deation of the side along the gob is closer to 15mm, the rock deation of the side along the working face is closer to 22mm. The largest deation amount of the roof to floor reaches 23mm, which roof subsidence is 8mm, the floor heave is 15mm. Taking the roadway overall deation 万方数据 III into consideration, the deation of surrounding rock can be effectively controlled, the safety and stability of roadway is ensured in the use of period, and the surrounding rock control technique of driving roadways along goaf under the two hard conditions is further improved. It has important significance for the driving roadways along goaf retaining design scientific and coal mine safety and high efficiency production. There are 51 diagrams, 12 tables, 80 references in the thesis. Key words two hard conditions; driving roadways along gob; Surrounding Rock Control; the roadway supporting 万方数据 IV 目 录 摘 要摘 要 ....................................................................................................................... I 目 录目 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 研究目的和意义 ................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 1 1.3 主要研究内容 .................................................................................................... 7 1.4 研究方法与研究技术路线 ................................................................................. 7 2 沿空掘巷工程地质条件概况沿空掘巷工程地质条件概况 ................................................................................ 9 2.1 四台煤矿 81215 工作面布置概况 ..................................................................... 9 2.2 四台煤矿 81215 工作面顶底板围岩及煤层分布特征 ...................................... 9 2.3 本章小结 ...........................................................................................................12 3 沿空掘巷围岩变形特征及其稳定性研究沿空掘巷围岩变形特征及其稳定性研究 ...........................................................12 3.1 沿空掘巷上覆岩体破断结构特征 ....................................................................13 3.2 沿空掘巷关键块 B 的参数研究 ........................................................................15 3.3 沿空掘巷上覆岩体破断结构稳定性分析 .........................................................17 3.4 本章小结 ...........................................................................................................18 4 沿空掘巷窄煤柱稳定性研究沿空掘巷窄煤柱稳定性研究 ...............................................................................19 4.1 窄煤柱宽度设计原则 .......................................................................................19 4.2 窄煤柱宽度设计理论分析法 ............................................................................19 4.3 沿空掘巷围岩稳定性数值模拟研究 ................................................................21 4.4 本章小结 ...........................................................................................................31 5 沿空掘巷围岩支护技术研究沿空掘巷围岩支护技术研究 ...............................................................................32 5.1 试验巷道原有方案 ...........................................................................................32 5.2 支护参数计算 ...................................................................................................34 5.3 支护参数的数值模拟 .......................................................................................40 5.4 本章小结 ...........................................................................................................48 6 沿空掘巷现场工业性试验沿空掘巷现场工业性试验 ..................................................................................51 6.1 81215 工作面回风平巷支护方案 ......................................................................49 万方数据 V 6.2 监测内容及工具 ...............................................................................................50 6.3 监测方法及测站布置 .......................................................................................53 6.4 巷道变形与分析 ...............................................................................................56 6.5 本章小结 ...........................................................................................................66 7 结论结论 .....................................................................................................................67 7.1 主要结论 ...........................................................................................................67 7.2 不足与展望 .......................................................................................................67 参考文献参考文献 .................................................................................................................69 作者简历作者简历 .................................................................................................................73 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ..............................................................................................74 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................75 万方数据 VI Contents Abstract .................................................................................................................. II Contens .................................................................................................................. VI List of Figures ..................................................................................................... VIII List of Tables .......................................................................................................... XI List of Variables .................................................................................................... XII 1 Introduction .......................................................................................................... 1 1.1Research Purpose and Meaning ............................................................................ 1 1.2 Current Research Status ....................................................................................... 1 1.3 Main Research Contents ...................................................................................... 7 1.4 Research Approaches and Technical Rout ............................................................ 7 2 Engineering Geological Conditions of Driving Roadways along Goaf ............... 9 2.1 Generol Situation of No.81215 working face of Sitai Coal Mine .......................... 9 2.2 Roaf and Floor Rock and Coal Seam Distribution Characteristics of No.81215 face of Sitai Coal Mine .............................................................................................. 9 2.3 Chapter Summary ...............................................................................................12 3 Study on Surrounding Rock Deation Characteristics and Stability of Driving Roadways along Goaf ...............................................................................13 3.1 Overlying Rock Fracture Structure Characteristics of Driving Roadways along Goaf .........................................................................................................................13 3.2 Study Parameters of the Key block B of Driving Roadways along Goaf..............15 3.3 Analisis the Stability of Overlying Rock Fracture Structure of Driving Roadways along Goaf................................................................................................................17 3.4 Chapter Summary ...............................................................................................18 4 Study on Stability for Narrow Pillar of Driving Roadways along Goaf ............19 4.1 Width of Design Principle of Narrow Pillar .........................................................19 4.2 Theory Analysis of Design Principle of Narrow Pillar .........................................19 4.3 Numerical Simulation Study of Surrounding Rock Stability of Driving Roadways along Goaf................................................................................................................21 4.4 Chapter Summary ...............................................................................................31 5 Study on Support Technooloy of Surrounding Rock of Driving Roadways along Goaf .........................................................................................................................32 5.1 Original Program of Test Roadway .....................................................................32 5.2 Supporting Parameter Calculation .......................................................................34 万方数据 VII 5.3 Numerical Simulation of Supporting Parameter ..................................................40 5.4 Chapter Summary .........................