袋式垒砌墙体沿空留巷技术研究与应用.pdf

论文题目论文题目 袋袋式式垒垒砌砌墙墙体体沿沿空空留留巷巷技技术术研研究究与与应应用用 作者姓名作者姓名 杜杜 兆兆 文文入学时间入学时间2015 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向矿矿山山压压力力与与岩岩层层控控制制 指导教师指导教师 郭郭 忠忠 平平职职称称教教授授 论文提交日期论文提交日期2018 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期2018 年年 6 月月 万方数据 Research and Application of Gob Side Entry Retaining Technology by Bag Filling Material for Building Walls ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTEROFPHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by DU Zhaowen Supervisor Professor Guo Zhongping College of Mining and Safety Engineering May 2018 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 沿空留巷开采技术亦称无煤柱开采技术，在煤矿采煤工作面中具有节约煤炭资源、 延长矿井服务年限的直接价值效果。本文在前人研究的基础上，综合运用理论分析、数 值模拟和现场监测等多种研究方法对 8101 工作面沿空留巷进行了系统研究。 论文获得的 主要研究成果如下 （1） 分析了覆岩运动破坏一般规律和沿空留巷条件下覆岩运动破坏形式， 阐述了沿 空留巷以及留巷墙体在两次冲击动压下的承载原理。 （2）建立了沿空留巷围岩“叠加层板”力学模型，推导了支护阻力理论公式，确定 了支护强度和留巷宽度。发明了一种具有让压功能的金属锚杆，同时提出了袋装垒砌墙 体新技术。 （3） 运用 FLAC3D仿真软件模拟了不同宽度下巷旁支护体的垂直应力和顶板下沉量 并确定了支护体的最佳宽度。 同时， 进一步模拟了支护体在最佳宽度下的围岩塑性分布、 垂直应力、水平应力、两帮和顶板位移变化情况。 （4）在工作面进行了袋式垒砌新技术工业性试验。监测并分析了单体支柱载荷、顶 板离层量、锚杆受力状况、两帮变形量以及顶底板移近量的变化情况。 关键词关键词袋式垒砌；沿空留巷；支护系统；数值模拟；围岩变形 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 II ABSTRACT The technology of gob side entry retaining, known as the technology of no pillar mining, has the direct value effect of saving coal resources, prolonging the service life of mine and improvingthe investmentbenefitofwells.Basedonpreviousstudies,thispaper systematically studied the working face of 8101 in a coal mine by means of theoretical analysis, numerical simulation and field monitoring. The main achievements of this paper are as follows 1 The general rule of overlying rock movement and the condition of gob side entry retaining are analyzed. The bearing principle of the gob side entry retaining and the retaining wall under the one or two impact dynamic pressure is expounded. 2 The mechanical model of “stacked laminates“ in the surrounding rock of the goaf is established, and the theoretical ula of support resistance, the strength of support and the width of the retaining wall are determined. In order to increase the surrounding rocks binding force and improve the strength and elongation of the anchor, the supporting and specific parameters of the roadway are designed, and a new combined mechanism of the anchor bolt is put forward. At the same time a new technology for building walls in bags. 3 FLAC3D simulation software is used to simulate the vertical stress and roof subsidence of the side supporting body under different widths, and the optimum width of the support body is determined. At the same time, the plastic distribution, vertical stress, horizontal stress and roof displacement of surrounding rock under specific width are simulated, and the stability of surrounding rock is better. 4 The industrial test of new technology of bagged softball was carried out on the working face. The load of single pillar, the amount of roof separation layer, the stress of bolt, the amount of deation on two sides and the change of the amount of roof and floor movement are monitored and analyzed. Keywords Bag assembled; Gob side entry retaining; Support system; Numerical simulation; Deation of surrounding rock 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 III 目目录录 摘摘要要......................................................................................................................I I 目目录录................................................................................................................. IIIIII 1 1绪论绪论................................................................................................................... 1 1 1.1课题的提出及研究意义..............................................................................................1 1.2国内外研究现状..........................................................................................................2 1.3课题主要研究内容及技术路线..................................................................................7 2 2沿空留巷覆岩运动规律及支护理论研究沿空留巷覆岩运动规律及支护理论研究...................................................... 9 9 2.1覆岩运动和破坏一般规律..........................................................................................9 2.2沿空留巷墙体承载原理............................................................................................11 2.3沿空留巷覆岩结构特征............................................................................................14 2.4沿空留巷上覆岩层垮落形式及破断位置................................................................15 2.5沿空留巷巷内支护机理............................................................................................19 2.6沿空留巷巷旁支护机理........................................................................................20 2.7本章小结....................................................................................................................21 3 3沿空留巷模型建立及支护参数确定沿空留巷模型建立及支护参数确定............................................................ 2222 3.1沿空留巷力学模型建立............................................................................................22 3.2巷旁支护阻力计算....................................................................................................23 3.3最大岩体自重法计算支护体强度............................................................................26 3.4墙体宽度计算............................................................................................................27 3.5墙体承载力核定........................................................................................................27 3.6沿空留巷支护设计及参数........................................................................................28 3.7本章小结....................................................................................................................32 4 4巷旁支护体宽度模拟分析巷旁支护体宽度模拟分析.............................................................................3434 4.1研究区域概况............................................................................................................34 4.2FLAC 3D模拟软件介绍.............................................................................................36 4.3模型建立....................................................................................................................37 4.4充填体围岩变形分析................................................................................................41 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 IV 4.5本章小结....................................................................................................................52 5 5工程实践应用工程实践应用.................................................................................................5454 5.1沿空留巷施工工艺....................................................................................................54 5.2沿空留巷矿压观测方案............................................................................................56 5.3矿压观测结果分析....................................................................................................58 5.4本章小结....................................................................................................................61 6 6主要结论及展望主要结论及展望.............................................................................................6262 6.1主要结论....................................................................................................................62 6.2创新点........................................................................................................................62 6.3展望............................................................................................................................62 参考文献参考文献............................................................................................................... 6464 致致谢谢................................................................................................................... 6969 攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果...................................................................................7070 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VI Contents 1 1Introduction.........................................................................................................1 1 1.1The research significance of the project.............................................................................. 1 1.2Research status at home and abroad....................................................................................2 1.3The main research content and technical route.....................................................................7 2Study on the movement rule and support theory of the overlying roadway.............. 9 9 2.1Overburden movement and damage general rule..................................................................9 2.2The bearing principle of the wall along the empty lane........................................................11 2.3Characteristics of overlying strata along the hollow roadway...............................................14 2.4The collapse and breaking position of overlying strata along the hollow roadway...........15 2.5The mechanism of support in the roadway.........................................................................19 2.6The supporting mechanism of the roadway roadway...........................................................20 2.7The summary of this chapter........................................................................................... 21 3Establishment and parameter determination of the roadway model.......................2222 3.1The mechanics model of the roadway is established........................................................... 22 3.2Calculation of side support resistance...............................................................................23 3.3The strength of the support body is calculated by the maximum gravity .....................26 3.4Wall width calculation....................................................................................................27 3.5Wall bearing capacity verification....................................................................................27 3.6Design and parameters of support in alley along goaf......................................................... 28 3.7The summary of this chapter........................................................................................... 32 4Simulation analysis on width of side support of roadway...................................... 3434 4.1Research area overview..................................................................................................34 4.2FLAC 3Dsimulation software introduction......................................................................... 36 4.3Model establishment...................................................................................................... 37 4.4Deation analysis of surrounding rock of filling body....................................................41 4.5The summary of this chapter........................................................................................... 52 5Application of engineering practice..................................................................... 5454 5.1Construction technology.................................................................................................54 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VII 5.2Mine pressure observation scheme...................................................................................56 5.3Analysis of ore pressure observation results.......................................................................58 5.4The summary of this chapter........................................................................................... 61 6 6Main conclusions and prospects.......................................................................... 6262 6.1The main conclusion......................................................................................................62 6.2The innovation points.....................................................................................................62 6.3Expectation...................................................................................................................62 References................................................................................................................6464 Thanks.................................................................................................................... 6969 The main achievements of a masters period.............................................................. 7070 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课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 世界主要一次性能源包括煤、石油、天然气[1]。据美国统计部门统计显示，全球近 几年的能源消费占比中最高的是石油，占比为 34％，其次是煤炭，占比为 30％。从占比 来看，煤炭仍然是世界能源结构的重要组成部分。但是各个国家生产和消费能源的占比 却千差万别， 主要原因是各国的能源储备量、 消费结构不同导致了产消能源占比的差异。 我国煤炭储量及其丰富，约为 1145 亿 t，居世界第三[2,3]。据中国国家能源局印发的能源 发展“十三五”规划显示，2017 年煤炭在一次能源消费结构中的占比为 62，预计到 2020 年消费占比将下降到 58以下[4]。煤炭作为我国实现现代化建设发展过程中的基础 能源，虽然在使用过程中排放出了大量的碳，引起了温室效应、雾霾等诸多问题，但我 国的能源现状是“富煤、贫油、少气”[5,6]。此现状在短时间内很难改变，这就决定了煤 炭在一次能源消费中的霸主地位不可动摇[7-9]。 巷道的稳定是实现煤矿安全高效开采的前提，随着矿井生产能力和机械化程度的不 断提高，传统的留煤柱护巷开采技术已经不能满足矿井的正常采掘接替。传统的留煤柱 护巷开采技术会造成护巷煤柱资源的大量损失，从而降低整个矿井的采出率[10]。工作面 回采后煤柱会产生应力集中，长时间处于高支承压力的煤柱很难保证巷道的稳定。随着 国家对回采巷道支护安全、采出率等方面要求的不断提高，留煤柱护巷开采技术的缺点 逐渐暴露出来，此种技术已经不能满足我们的需求。因此，无煤柱开采技术逐渐发展起 来。煤矿工作面采用无煤柱开采技术对于改善巷道的稳定性具有重要的意义。并且无煤 柱开采技术对于节约煤炭资源、高产高效、提高井工投资效益、延长矿井开采寿命特别 是优质资源与稀有资源等具有十分显著的直接价值效果。 无煤柱开采主要包括区段平巷无煤柱和“充填开采”无煤柱开采。其中区段平巷无 煤柱开采主要包括沿空留巷和沿空掘巷。沿空掘巷在一定程度上也属于留煤柱护巷，只 是沿着采空区边缘预留很窄的煤柱进行掘进，其目的在于支撑上覆岩层，分隔采空区， 防止有毒有害气体进入巷道内部。由于沿空掘巷留的煤柱较窄，很可能被压酥而失去支 撑顶板的能力，致使巷道维护困难。目前，在条件准许的情况下越来越多的煤矿会首选 沿空留巷[11]。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 沿空留巷是将上一个工作面回采时的顺槽完整保留下来，供下一个工作面回采时使 用。其目的在于一条巷道可以重复使用两次，服务两个工作面。其本质技术是在回采工 作面端头支架的后方，跟进工作面推进方向上，通过人工方法构造一堵墙体（亦称巷帮） 取代传统留设煤柱的方式，借助人工墙体巷帮代替传统煤柱支撑顶板、隔离采空区。既 能防止采空区漏风又能满足支护的能力。并据此留出可供下一个工作面使用的顺槽（巷 道），即巷旁支护。人造墙体巷帮，能够形成符合 Y 型通风安全与生产要求的工作面运 输巷道[12-15]。同时，构造的墙体必须保证能够承受二次覆岩动力的冲击作用。 无煤柱技术自上个世纪 70 年代引进我国以来， 许多专家学者一直把此方向作为一个 重要的研究方向。经过几十年的发展，许多矿井在无煤柱开采方面，特别是沿空留巷方 面取得了可喜可贺的成绩，同时也取得了非常显著的经济效益[16]。沿空留巷开采技术的 研究是发展无煤柱开采技术的必经之路，具有非常重要的现实、经济意义。巷旁支护和 巷内支护的合理选择是此技术成败的关键。本文在前人研究的基础上，针对矿井的实际 情况对 8101 工作面进行了袋式垒砌巷旁支护沿空留巷测试研究。 此研究结果对我国沿空 留巷工作面实现安全高效开采、提高资源采出率、降低巷道掘进率、完善沿空留巷新方 法、新技术等具有重要的理论意义和社会应用价值。同时，在一定程度上对类似条件下 的矿井实施沿空留巷具有理论指导和借鉴意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1国外研究现状国外研究现状 沿空留巷开采技术在国外的发展可以追溯到上个世纪 60 年代。 当时世界上就有一些 产煤大国开始重视一次性能源的开采和消费。这些国家采用往复式“Z”形采煤方法来 减少巷道的掘进量，从而提高生产接替的不间断性、回采率和矿井的投资效益。沿空留 巷时采用前进式采煤法和后退式采煤法来实现无煤柱开采。无煤柱开采技术在这些国家 中得到了大力推广。主要是以钢结构骨架结合有机、无机混合物来实施沿空留巷。近些 年来，国外许多专家学者对沿空留巷的覆岩运动规律、巷内支护理论以及巷旁支护理论 等方面做了大量的研究。在沿空留巷方面做得比较好的国家有前苏联、英国、德国、 波兰。 前苏联研究者在沿空留巷现场应用方面做了深入研究和大量的基础试验。以理论的 形式提出了不同地质条件下沿空留巷的使用方法，同时也对巷内支护参数提出了科学有 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 效的计算方法。在围岩移近量方面，研究和实测了不同采深、不同岩性下的围岩位移。 学者 B．胡托尔诺[17]依运用采场悬梁矿压模型解决了沿空留巷的问题，得出了巷旁支护 体系中切断上覆岩层所需要的工作阻力，并推算出了阻力计算公式。 英国的煤层主要以薄煤层为主，大多数矿井采用沿空留巷技术来提高回采率、增加 经济效益。巷旁支护体主要由生产过程中产生的废弃矸石来充当，废弃矸石的利用既解 决了充填材料的选择问题又解决了废弃矸石的处理问题。在沿空留巷技术探索过程中， 英国研制出了一种机械化程度比较高的矸石砌筑装置。在此同时，英国还研制成功了高 强度、高粘合力的胶结材料。经过多年的研究，英国还成功测试了高水材料的巷旁充填 体。其中，学者 Whittaker 等人[18-19]把岩体结构静力学理论与 Wilson 模型（威尔逊模型） 结合起来并加以改进，提出了 Detached Block Theory 模型（分离岩块力学模型）。1982 年，南威尔斯大学学者 Smart 教授等人[20]以留巷煤体一侧到支架后方采空区之间的顶板 下沉量为依据，提出了 Roof Beam Tilt Theory 模型。进而确定了巷旁支护设计的两个关 键参数转动支点位置和顶板倾斜角。这