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万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 perance, and insulate the contact with water to prevent inflation, it can keep certain compressive ability, so as to maintain the integrity of the whole roadway . It tests the rationality of support parameters through numerical simulation. The engineering practice shows that it has a good result in roadway support. Key wordsdirt band of mud rock, damage of roadway, ultimate self-stable equilibrium arch, roadway support ThesisApplication Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论........................................................................................................................................1 1.1 选题的背景和研究意义..................................................................................................1 1.1.1 选题背景...................................................................................................................1 1.1.2 研究意义...................................................................................................................2 1.2 国内外研究现状..............................................................................................................3 1.2.1 巷道支护理论及其发展...........................................................................................3 1.2.2 锚杆支护理论国内外研究现状...............................................................................4 1.3 研究内容、研究方法和技术路线..................................................................................7 1.3.1 研究内容...................................................................................................................7 1.3.2 研究方法和技术路线...............................................................................................8 2 4-2煤工程地质条件及巷道围岩性质测定.......................................................................10 2.1 地质及水文地质条件....................................................................................................10 2.1.1 地质构造.................................................................................................................10 2.1.2 水文地质.................................................................................................................10 2.2 煤层赋存情况................................................................................................................10 2.3 巷道围岩物理参数测定................................................................................................12 2.3.1 岩石取样.................................................................................................................12 2.3.2 物理力学性质测定.................................................................................................12 2.4 巷道布置及支护现状....................................................................................................16 2.4.1 工作面巷道布置.....................................................................................................16 2.4.2 巷道支护.................................................................................................................17 2.5 小结................................................................................................................................18 3 含泥岩夹矸巷道围岩变形破坏特征研究..........................................................................20 3.1 煤巷锚杆支护监测项目及原则....................................................................................20 3.1.1 监测项目.................................................................................................................20 3.1.2 监测原则.................................................................................................................21 3.2 煤巷锚杆支护监测方案................................................................................................21 3.2.1 顺槽收敛量监测.....................................................................................................21 3.2.2 顶板离层监测.........................................................................................................22 3.2.3 围岩松动圈测量.....................................................................................................23 3.2.4 锚杆锚固力检测.....................................................................................................23 万方数据 目 录 II 3.2.5 锚杆受力监测.........................................................................................................24 3.3 煤巷锚杆支护监测结果分析........................................................................................25 3.3.1 14206 辅运顺槽收敛量监测结果分析...................................................................25 3.3.2 顺槽表面观测结果分析.........................................................................................26 3.3.3 顶板离层监测结果分析.........................................................................................29 3.3.4 围岩松动圈测量结果分析.....................................................................................30 3.4 锚杆锚固力检测结果分析............................................................................................46 3.5 现有煤巷锚杆支护稳定性评价....................................................................................48 3.6 本章小结........................................................................................................................48 4 含泥岩夹矸巷道围岩变形机理..........................................................................................50 4.1 含夹矸煤巷自稳平衡拱模型........................................................................................50 4.2 巷道支护方案及参数确定............................................................................................52 4.2.1 煤柱侧锚杆长度计算.............................................................................................52 4.2.2 开采侧锚杆长度计算.............................................................................................53 4.2.3 顶部锚杆长度计算.................................................................................................54 4.2.4 锚索长度计算.........................................................................................................54 4.2.5 支护参数确定.........................................................................................................55 4.3 本章小结........................................................................................................................56 5 含泥岩夹矸巷道支护效果评价含泥岩夹矸巷道支护效果评价..........................................................................................57 5.1 数值模拟分析................................................................................................................57 5.1.1 巷道变形量.............................................................................................................57 5.1.2 应力场分布特征.....................................................................................................58 5.1.3 塑性区分布特征.....................................................................................................59 5.1.4 锚杆受力分析.........................................................................................................60 5.2 工业试验效果................................................................................................................60 5.3 本章小结........................................................................................................................61 6 结论......................................................................................................................................62 致 谢......................................................................................................................................63 参考文献..................................................................................................................................64 附 录......................................................................................................................................68 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景和研究意义 1.1.1 选题背景 我国是世界上第一大煤炭生产与消费国家， 煤炭资源在我国一次能源生产和消费中 的比例占 70以上，随着近几年新能源的开发和利用，煤炭在能源领域的消费比重有所 下降，但煤炭仍是我国的主体能源[1]， 2016 年国家能源消费总量 43.4 亿吨标准煤，其 中煤炭消费大约占能源消费比重的 63，2016 年国家煤炭产量 36.5 亿吨左右[2]，煤炭 生产对保障国民经济稳定发展起着重要作用。 神府矿区位于陕西省神木、府谷两县境内，地理坐标为东经 11005′-11050′，北纬 3852′-3927′，东以煤层露头为界，北至陕西与内蒙古边界与东胜矿区毗邻，南为煤层 露头并沿窟野河南下至麻家塔沟，矿区储量占全国探明储量的 15[3]。 神南矿区属神东矿区在陕西范围内详查区的一部分，规划南北长约 32km，东西宽 约 19.5km，面积约 625.67km2，其中含煤面积 499.27 km2。神南矿区现有大型生产矿井 5 对，分别为陕煤集团红柳林煤矿井、柠条塔矿井、张家峁矿井、孙家岔龙华矿井及海 湾矿井[4]，另外区内沿考考乌苏沟两侧及乌兰木伦河西侧分布有中小矿井 30 多对。 神府矿区南区煤层埋藏浅，煤层赋存稳定，近水平，开采条件简单。同时，区内各 煤层煤质优良，区内各矿井均采用斜井或平硐开拓。区内地表地形平坦，地表多为风沙 滩地及半固定沙丘，河流、沟谷遍布整个矿区。区内地表生态环境脆弱，煤层上覆基岩 较薄，开采过程易导致上覆第四系含水层潜水量减少。区内煤层赋存总体为风积沙、薄 基岩、浅埋深等特点。 张家峁矿井位于神府矿区南区东南部，井田面积 51.9798 km2，地质储量 8.65 亿 t， 可采储量 5.43 亿 t。矿井有可采煤层 7 层，分别为 2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-2和 5-3煤层， 各煤层均属低硫、低磷、低灰、富油高发热量煤，其中 3-1、4-2和 5-2煤为主采煤层。设 计生产能力 6.0Mt/a，2006 年 12 月 1 日开工建设，2011 年 11 月份顺利通过了国家能源 局组织的张家峁煤矿 6.0Mt/a 竣工验收，2012 年经生产能力核定为 10.0Mt/a，服务年限 为 41a。矿井采用平硐开拓方式，各煤层采煤方法为走向长壁采煤法，全部垮落法管理 顶板，3-1、4-2和 5-2煤为主采煤层采用综采一次采全高回采工艺[5.6]。 张家峁矿井开拓、回采巷道均沿煤层布置，井下主要硐室采用砌碹支护，其余各类 开拓及回采巷道均采用锚网梁、锚网梁索及锚网梁索喷等联合支护形式。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 1.1.2 研究意义 张家峁矿井在生产过程中，通过不断对巷道锚杆（索）联合支护形式进行优化[7]， 虽然各类支护形式在矿井巷道围岩控制上取得了一定的效果， 但巷道围岩控制上仍存在 一些问题，尤其矿井 4-2煤层工作面顺槽采用锚网梁支护后，掘进期间巷道的变形很小， 在后期工作面回采期间， 工作面胶运、 辅运顺槽超前工作面回采范围巷道围岩比较稳定， 巷道未出现大面积的围岩破坏。 工作面辅运顺槽滞后工作面回采 20-60m 范围顶板开始发生一定程度的下沉，同时 辅运顺帮部围岩破坏较大，在顺槽煤柱侧在煤层夹矸上下发生了大面积片帮，支护锚杆 失效的现象图 1.1图 1.3。同时，工作面辅运顺槽回采后保留做下一个工作面回风顺槽， 必须对巷道进行二次支护，以保障巷道的正常使用及安全生产。 张家峁矿井 4-2煤层埋藏深度 0.00～263m， 煤层厚度 1.70～4.05m， 平均厚度 3.34m。 煤层结构较复杂，一般含 2～3 层夹矸，岩性多为炭质泥岩，少数为粉砂岩。 图 1.1 4-2煤泥岩夹矸分布情况 图 1.2 辅助运输顺槽顶部下沉情况 图 1.3 辅运顺槽帮部片帮情况（煤柱侧、开采侧） 由于张家峁矿井 4-2煤层工作面顺槽巷道围岩失稳现象在矿井 14206 工作面回采时 万方数据 1 绪论 3 尤为突出，矿井目前暂无该类工程支护设计经验，同时对巷道顶板下沉、帮部片帮原因 不清，顺槽支护设计缺乏一定的理论依据。针对以上问题，本论文根据 4-2煤层巷道地 质条件，通过理论分析、现场实测及及工程试验等工程技术手段，研究张家峁矿井 4-2 煤层工作面顺槽围岩变形规律，提出合理的顺槽支护方案。 论文主要从以下三方面进行了研究，一是 4-2煤层顺槽掘进、回采期间围岩的稳定 性，二是煤层中的夹矸层对顺槽围岩稳定的影响，三是受前两个方面影响，如何合理控 制巷道的围岩的破坏。由于张家峁 4-2煤层在赋存条件及夹矸的岩性上具有的局域性的 特点，并不具有普遍性，本论文依据目前国内外成熟巷道支护理论，结合张家峁矿井 4-2 煤层含夹矸特点及巷道掘进、回采不同阶段的围岩稳定性进行了系统的分析，研究能够 有效控制张家峁 4-2煤层工作面顺槽的支护方式及参数。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 巷道支护理论及其发展 20 世纪 60 年代， L.V.Rabcewlez 提出了一种新隧道设计施工方法， 称为新奥法 [8,9]。 新奥法的核心是维护和利用矿井围岩自身的承载能力为基点， 将原岩应力通过支护作用 承载至由围岩自身承载，使围岩与支护结构共同形成稳定体。 20 世纪 70 年代， M.D.Salamon 等人于提出了“能量支护理论”[10,11]，该理论认为， 围岩支护是支护结构与围岩之间相互作用，支护材料予以一定的变形空间，围岩下沉、 收敛等过程中释放一定的能量，能量被支护部分吸收，能量释放后趋于平衡。 20 世纪 80 年代，于学馥教授等人提出轴变论[12,13]，认为，巷道围岩变形后可自行 稳定。围岩破坏是由于围岩承载的应力超过岩体极限强度引起的，巷道围岩变形是使得 应力二次重分布，二次重新发布时高应力下降，低应力上升，直到巷道稳定。 中国矿业大学的董方庭教授等提出的松动圈理论[14-17]认为， 巷道支护的对象主要是 松动圈围岩自重和松动围岩的碎胀变形，它反映了巷道稳定程度。 中国矿业大学的何满朝教授提出的“关键部位耦合组合支护理论”[18,19]，认为深部巷 道支护破坏大多是由于支护体与围岩体在强度、刚度和结构等方面存在不耦合造成的。 中国矿业大学侯朝炯教授等人提出的锚杆“围岩强度强化理论”[20,21]，提出锚杆与围 岩相互作用组称锚固体，锚固体c、、 * c 、 * 随锚杆支护强度的增加而提高，锚固体 强度得到强化，达到一定程度就可保持围岩稳定。锚杆支护围岩强度强化理论揭示了锚 杆支护的作用原理和加固深部、破碎巷道围岩的实质，并为合理确定锚杆支护参数提供 了理论依据。 西安科技大学的黄庆享教授等提出了巷道支护的“极限自稳平衡拱理论”[22-25]。该理 论认为，巷道顶板拉应力和压应力的分界面形成“自稳平衡拱”，自稳平衡拱内的岩石是 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 支护控制对象，同时巷道帮部失稳引起顶板自稳隐形拱扩大，提出巷道两帮通过有效支 护控制后，顶部平衡拱的高度缩小，巷道支护应按照“治顶先治帮，治帮先治底，结合 部是关键”的原则进行。 神华神东煤炭集团公司邵水才与西安科技大学黄庆享教授等人根据三道沟煤矿含 夹矸泥岩的 5-2煤层顺槽外错滑移机理，提出了采用长锚杆加强副帮夹矸层上部煤体的 支护方法，为含夹矸泥岩的煤层巷道提供了支护对策[26-28]。 1.2.2 锚杆支护理论国内外研究现状 目前，锚杆支护理论相对成熟，各种锚杆支护理论均在矿山工程施工中得到一定的 应用，并取得了良好的工程效果。 锚杆支护可显著提高围岩的稳定性，因而在各国隧道、矿山等工程领域加强对其研 究，并得到在巷道支护中全面的应用。北美洲煤矿采用锚杆联合支护方式的比例达 93 以上；欧洲煤矿巷道采用锚杆联合支护总量的 85；发达国家煤矿巷道采用锚杆联合支 护的平均比例在 72以上[29,30]。锚杆联合支护有以下几个方面的特点 （1）以矿山巷道 围岩地质特征为基础，针对性提出巷道支护技术理论并在生产中应用[31-34]； （2）加大锚 杆材质研究，锚杆材质研究逐步向增加其强度，以适应巷道大变形的锚杆[35-39]； （3）完 善锚杆施工作业配套设备及工具； （4）研究针适应煤层地质条件对性的支护方法，如采 用了“地质力学评估计算机模拟进行初步设计现场施工、监测信息反馈修改完善 设计”的方法。此设计方法目前得到了最普遍的应用[40,41]； （5）逐步完善支护效果测试 技术[42]。 我国锚杆支护技术始于 50 年代，国家科技项目攻关中将锚杆支护定为煤矿巷道支 护的主要方式，使锚杆支护有了快速的发展，逐步进入了以锚网、锚网梁、锚网梁索、 锚网梁索钢带和锚梁网喷等组合锚杆支护阶段，并在全国普遍应用[4345]。 （1）国外研究现状及发展 自 20 世纪初，单体锚杆及锚杆组合支护技术被广泛应用，支护理论也不断得到完 善和发展。1940 以后，锚杆联合支护理论逐步成熟，施工技术及工艺快速发展，目前是 在各国煤矿支护中广泛应用。具有代表性的理论 ①锚杆支护悬吊理论[46,47] 悬吊理论认为锚杆支护的作用就是将巷道顶板较软弱岩层悬吊在上部稳定岩层 上，增强较软弱岩层的稳定性。但实际应用中存在一定的局限性，其将锚固体与原岩体 分开，与实际生产中情况不尽一致。如图 1.4 所示。 万方数据 1 绪论 5 图 1.4 锚杆支护悬吊理论 ②锚杆支护组合梁理论[48] 认为巷道顶板锚杆支护范围内将分层的岩层连接成一个完成的岩层，形成组合梁。 如图 1.5 所示。 图 1.5 锚杆支护组合梁理论 ③锚杆减跨理论[49,50] 减跨理论认为巷道顶部下沉的高度与巷道的宽度成正比关系，围岩支护减小顶板 岩层的支撑点距离，减少巷道顶板的弯曲下沉量，提高顶板的稳定性。 ④最大水平应力理论[51,52] 该理论是由澳大利亚学者 W.J.Gale 提出，该理论认为，煤矿巷道围岩的水平应力通 常大于垂直应力，水平应力一般方向性明显，最大与最小水平应力比为 1.52.5。巷道围 岩开挖后引起应力重新分布时，垂直应力向巷道两侧分布，水平应力趋向于顶、底板转 移。其原理如图 1.6 所示。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 铅直应力铅直应力 水平应力 水平应力 滑面效应 滑面效应煤 帮 移 近 图 1.6 最大水平应力原理 最大水平应力理论，阐述了巷道水平应力对巷道变形的影响。 （2）国内研究现状及发展 1956 年国内开始在煤矿巷道支护中使用锚杆， 近几十年来， 国内很多学者对锚杆作 用机理做了大量深入研究与探讨，在上述这些经典锚杆支护理论的基础上，进一步揭示 了锚杆支护的实质，提出了下面几个具有代表性的理论 ①全长锚固中性点理论[53,54]。东北大学王明恕教授提出全长锚固中性点理论。该理 论认为在靠近岩石表面部分，锚杆阻止围岩向表面变形，剪力指向表面。 ②锚杆支护围岩强度强化理论[55,56] 围岩强度强化理论是针对软岩煤巷围岩特点提出的， 巷道锚杆支护可以提高锚固区 围岩的力学参数（E、c、） ，改善锚固体的力学性能；锚杆锚固的岩体处于破碎区、 塑性区和弹性区中的 2～3 个区域。锚杆加固巷道围岩特别是处于峰后区围岩强度得到 强化，提高峰值强度和残余强度。 ③锚固力与围岩变形量关系理论[57] 该理论认为，锚杆对围岩的锚固作用是通过锚固力来实现的，锚固力是依赖围岩变 形而产生和发展的。锚杆产生锚固力的是围岩峰后的剪胀变形。锚杆的锚固作用使得围 岩在较高的应力状态下获得稳定平衡。 ④锚固平衡拱理论[58] 该理论认为，锚杆的作用是提高围岩的残余强度及承载能力。在围岩的开挖岩面， 锚杆与围岩构成锚固支护体。锚固体通过锚杆的约束作用和抗剪作用，使塑性破坏后的 煤岩体一并构成承载和适应围岩变形卸载的平衡拱。 ⑤极限自稳平衡拱理论[59] 万方数据 1 绪论 7 该理论认为，一是巷道顶板中拉应力和压应力的分界面形成“自稳平衡拱”，自稳平 衡拱内的岩体为易冒落岩体和极限平衡岩体，是支护控制的对象。二是巷道底板破坏将 引起两帮破坏加大， 而巷帮失稳将引起顶板自稳隐形拱扩大。 巷道支护设计应当考虑“底 板-两帮-顶板”相互影响，按照极限平衡圈进行整环支护设计。三是巷道围岩控制应当按 照“治顶先治帮，治帮先治底，结合部是关键”的原则进行。四是支护锚杆设计按照“垂 直岩壁原则，均布原则，放射状原则”原则。锚杆支护时必须按照“早，强密，贴”的要 求，提高工程质量。其原理如图 1.7 所示。 图 1.7 巷道极限自稳平衡圈（黄庆享，2014） 1.3 研究内容、研究方法和技术路线 根据本课题研究解决的问题，确定以下研究内容、研究方法及技术路线。 1.3.1 研究内容 （1）收集整理张家峁煤矿 4-2煤层赋存地质条件、水文地质条件，并实测煤层、顶 底板及夹矸特性。 （2） 从张家峁煤矿已掘的巷道中表现出来的巷道矿压显现现象中去分析巷道掘进、 回采期间的变形破坏影响因素。 （3） 运用张家峁煤矿的巷道监测数据， 分析张家峁煤矿 4-2煤巷巷道围岩变形机理， 建立含夹矸煤巷极限自稳平衡拱模型，并针对巷道支护后围岩失稳问题，对张家峁煤矿 4-2煤顺槽支护设计予以优化。 （4）采用数值模拟、工业试验等方法，对支护优化设计效果进行评价。 根据研究内容，论文针对张家峁 4-2煤 14206 工作面辅运顺槽巷道破坏的主要特征 进行研究，进行支护优化，并在 14207 顺槽进行工业试验。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 8 1.3.2 研究方法和技术路线 本论文结合张家峁煤矿 4-2煤层顺槽巷道实际情况，对该煤层顺槽巷道支护进行研 究，采用的研究方法如下。 （1）现场实测 收集整理矿井 4-2煤层地质资料，分析工程施工地质条件；实测巷道围岩力学参数； 对 4-2煤工作面顺槽收敛变形、岩层离层状态及围岩松动范围进行观测。 （2）理论分析 通过 4-2煤 14206 辅运顺槽巷道现场实测资料，依据实测数据、破坏的特征，研究 4-2煤巷道围岩变形破坏规律。 （3）数值计算 通过对围岩破坏机理的认识，结合“治顶先治帮”的支护设计原则，提出 4-2煤工作 面顺槽夹矸泥岩层控制及巷道整体支护方案，计算确定支护方式、支护参数。 （4）计算机数值模拟 利用岩土数值计算程序 FLAC[60-61]，分析支护优化后对 14206 顺槽围岩应力分布特 征，得出围岩的控制效果。 （5）工业试验 在 14207 顺槽进行支护试验，实际应用进一步验证优化的成果。 研究的技术路线，如图 1.8 所示。 万方数据 1 绪论 9 巷道围岩特性测定 理论分析现场实测 确定合理的支护方案、参数 工业试验 形成研究结论 含泥岩夹矸4-2煤巷变形破坏规律及支护研究 4-2煤层赋存地质条件 4-2煤顺槽围岩破坏规律及机理 数值模拟 图 1.8 技术路线图 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 10 2 4-2煤工程地质条件及巷道围岩性质测定 2.1 地质及水文地质条件 2.1.1 地质构造 张家峁煤矿 4-2煤层地质赋存条件相对简单，开采区域无褶区、断层、地堑等及岩 浆岩构造，煤层赋存稳定。煤层为单斜构造，整体上向西缓倾的，煤层倾角一般为 1 左右，局部地段可达 3，故属构造简单一类区。 2.1.2 水文地质 4-2煤层水文地质条件比较简单，地面无水库、河流等水体，工作面周围无小窑采空 区等水体。14206 工作面主要的含水层为上覆砂岩含水层、上覆煤层烧变岩含水层及地 表风积沙含水层。3-1煤烧变岩位于本工作面的西南部，距离切眼 1200 米，3-1煤烧变岩 区为富水区，且受到大气降水及松散层潜水的补给。顶板砂岩含水微弱，对工作面影响 很小。 14206 综采工作面与 3-1煤工作面采空区的最近水平距离为 38 米，垂直距离为 40 米，根据岩移规律，基岩的移动角度按 70计算，14206 回采顶板垮落后，顶板裂隙未 涉及到 3-1煤采空区区域，上覆 3-1煤采空区内的积水不会进入 14206 采空区。 14206 工作面北部上覆有 3-1煤烧变岩富水区，该区域为强富水区，14206 推采至此 区域内就会出现瞬间出水量较大的情况，预计最初水量会达到 50 m/h，随着积水量的 减少，涌水量会迅速的减小。另外，工作面顶板砂岩层的预计水量为 10 m/h。 14206 工作面回采期间最大涌水量为 80m/h，正常涌水量为 10m/h。 2.2 煤层赋存情况 4-2煤层位于延安组， 可采区域埋藏深度 20m～270m。 14206 工作面范围内煤层埋藏 深度为 58.4m～134m，煤层底板标高 1118.96～1131.427m，巷道上部基岩层厚度 20～ 38m，其余均为红土或松散黄土层，基载比[62]为 0.4 左右
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