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花山煤矿采煤工作面沿空留巷支护技术研究 重庆大学工程硕士学位论文 学生姓名 吴存 良 指导教师 王宏图教授 兼职导师 曾庆 林高 级 工 程 师 工程领域 采矿工程 重庆大学资源及环境科学学院 二 0 0 八年 一 月 T h e S u P P o rt Te ch n o lo gy to R o a d w a y R eta in e d fo r N ex t S u b leV el a lo n g th e C o a l F a ee in H u a 一 sh a n Min e A T h esis S ub m itted to C h on g qing U n iv ersity in P ar t ial F u lfil1m en t o f th e R equ ir e m en t fo r th e D eg ree o f Master o f E n g in eeri ng B y WU C u n 一 lia n g S u p erv ised b y 认人 N G H o n g tu p rofession Min in g E n g in eerin g C o lleg e o f R esou rc e an d E n v ironmen t S cien ce o f C h o n g q in g U niv ersity ， C h ongqing ， C hin a N o v em b er 2 0 0 8 中文摘要 摘 任石 3 针对沿空留巷采矿方法在花 山煤矿采煤工作面应用 的问题 ，对花 山煤矿采煤 工作面沿空留巷支护技术进行 了研究 。通过分析 了国内外沿空 留巷技术及巷 内和 巷旁支护形式及其理论研究现状 ，指 出了我 国沿空留巷 目前所存在 的主要 问题 。 论文主要开展 了试验矿井煤系地层赋层条件与试验工作面布置及沿空 留巷特 点分 析 ，沿空留巷 的巷旁支护技术与沿空留巷带支护参数设计，水泥一 粉煤灰浆液 的配 比试验 ，沿空留巷设计实施与分析，沿空留巷矿压显现规律与顶板垮落特征，沿 空留巷安全技术措施等方面的研究，取得的主要研究结论和研究成果如下 l 通过分析矿井煤岩层赋层状况 、工作面运输巷支护形式和工作面支护方 式 ，明确 了试验工作面沿空 留巷 的条件 ，确 定 了试验工作面沿空 留巷特 点 ，指 出 了试验工作面沿空留巷实施 的方法 。 2 在对沿空留巷带支护强度 支柱垂直力 和岩块垮落冲击力 支柱切 向力 计算 的基础上 ，进行 了沿空留巷带支护参数设计 。 3 随着粉煤灰掺量 的增加 ，粉煤灰浆液 的比重及结石抗压强度也随之增加 ， 而吸水率却逐渐 降低 ; 不 同养护条件下 ，掺粉煤灰的浆体压强有 明显影响，湿养 护时间长 ，浆体强度增长率大.。 4 根据支柱承受 的垂直和切 向载荷分析计算 ， 确 定 了沿空 留巷设计实施 的技 术要求 ; 按 “ 柔刚结合 ，先让后抗 ”沿空留巷带支护参数设计原则 ，进行 了沿空 留巷设 计 。 5 根据现场堆积研石 的密实度 ，提 出了确定水泥粉煤灰 固水剂速凝剂 的 浆 液配合 比的方法 。 6 提 出了 留巷 灌浆 加 固作业 、 灌浆 施 工 作业 和 喷浆 加 固施 工 作业 的技术 与方 法 。 7 指 出了影 响沿 空 留巷巷道变形 的主要 因素 ， 确 定 了沿 空 留巷 围岩变形 的主 要特 征和沿 空 留巷矿 压 显现 的一般 规律 。 8 指 出了沿空 留巷顶板垮落形式及特征 ， 得到 了沿 空 留巷顶板极 限垮落 高度 及其规律 ; 确 定 了沿空 留巷支护荷载规律及支护荷载方式 ; 提 出了沿空 留巷 矿压 控 制 方 法 。 关键词 沿空 留巷 ; 采煤工作面 支护技术 ; 水泥一 粉煤 灰浆液 ; 矿 山压力 了 英文摘要 A B S T R A C T A im ed at the P rob lem o f g o b 一 sid e en try retain in g m in in g m etho d ap P lin g o n eo al 而 址n g faee o f H u a S h an m in e eo al，studied on gob 一 side en tr y re t ain ing suP P ort teebn o lo g y o f eo al m in in g faee o f H u a S h an m in e eo al. B ased o n an aly sis o f th e research status on gob 一 sid e entry retainin g techn ology，entr y 一 in an d road sid e suP P ort and theory in C hina and at abroad，the eur r ently m ajor Problem existed in g ob 一 side en tr y retaining in C h in a w as P ointed ou t. In P aP er，an alysisg on reserve eo n d itio n s o f test一 m in e co al m easur e strata， lay o u t o f test一 w o rkfaee an d eh aracteristies o f gob 一 side entry retain in g ，d esign on ro ad sid e suP P ort teehn ology o f gob 一 sid e en tr y retain in g an d su P P o rt P aram eter o f g ob 一 sid e en try retain in g zo n e，ex P er i m en t o n ratio o f cem ent一 fl yash serosity，an aly sis an d im P lem ent on gob 一 side entr y retain in g d esi罗 ， strata b ehavior law and roof cav ing fe咖 re of gob 一 side entr y retaining，an d safety teehn o lo g y m easures w er e stud ied in essay . T h e m ain co n elu sio n s an d fr u its o f researeh w as follo w ed F isrtly， b ased o n an alysis o f reser v e stat u s o f m in e ’ 5 eo al an d ro ek seam ，su P P o rt o f w o rkfaee an d tran sP o rt lan e，the co n d itio n s o f test一 w o rkfaee g o b 一 sid e en try retain in g w ere clear o u t，the eh ar a eter i sties o f test一 w o rkface g ob 一 sid e entry retain in g w ere fi x ed on ， th e im Plem ent m ethod s of test一 w orkface gob 一 sid e en tr y retain in g w ere P o in ted o u t. S eeon dly， b ased on th e ealcu lation fr o m suP P ort intensity o f gob 一 sid e entr y retaining zonethe vert ical foree of ProP and w alloP of roek eavingthe tangential foree ofProP ， suPPort Param eters ofgob一 side entry retaining zone w ere design ed. Th ird ly， w ith th e in ereasin g o f fl ya sh ad m ix ture，the sP eeifie g rav ity o f fl y ash sero sity an d th e co m P ressiv e stren g th o f caleu lu s w ere also in creased ，b u t w ater ab sorption w as gradu ally redu eed ; D i月 七ren t eo n d iti on s o f cu nn g h ad greatly d iff e ren t eff e et in the P ressu re o f ser o sity w ith fly ash ，a lo n g er tim e o f w et e而 n g ，a h ig h er g ow th ra t e o f sero sity stren gth . F o u rt h 】 y， b ased o n th e an aly sis ealcu latio n o f the v ertical an d tan g en t ial lo ad P ro P endured， the teehn ical requ irem ents of gob 一 side entr y retain in g d esign w ere eon fi rm ed .A eco rdin g to the P rin ciP les o f su P P o rt P aram eters d esign ，g ob 一 sid e en t斗 retainin g w as d esign ed . F ift h ly， aeeo rd in g to the sP o t eo m P aetuess o f P iled g an gu e， the P roP o rtio n m eth o d 111 行 重庆大学工程硕士学位论文 o f the sero sity in tegrated w ith eem en t， fl y ash ， lo ek ed 一 in 一 liq u id slu n y an d q u iek 一 sett in g ag en t w as P o in ted o u t. Sixthly， the teehn ologies and m ethods of grout reinforce， g out eons恤 etion and 四 n ite rein foree an d eo n str U etio n w o rk in ro ad w ay retain in g w ere P o in ted o u t. S eventhly， the m ain factors im Paeted on roadw ay de ation of gob 一 sid e entr y retain in g w ere P o in ted o ut，the m ain eh araeteristies o f s叮 oun d ed ro ck d e atio n an d u n iv ersal law o f strata b eh av io r w ere fix ed o n . F in ally ，th e an d features o f ro o f cav in g w ere P o in ted ou t，th e h ig h 一 P o in t o f roo f eav ing w as ealeu lated ; Th e su PP ort lo ad law an d o f gob 一 sid e en tr y retain in g w ere eom fi rm ed， Strata eon trol m ethod of go b 一 side en tr y retainin g w as Pointed out. K ey’W o rd s g o b 一 sid e en try retain in g w orkin g face ;su P P o rt teeh n o lo g y ;sero sity inte脚 ted w ith eem en t an d fl y ash ;m in e P ressu re 目录 目录 中文摘要 . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . I 英文摘要 . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m 1 前言 .. . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . ， . . . . . . . . .. . . . . . 1 1.1 研 究 的 目的和意义 .............................................................................. 1 1. 2 国外沿空 留巷技术发展现状 .................................................................. 2 1. 2.1 世界一些主要产煤 国家沿空留巷技术 ................................................. 2 1. 2.2 德 国沿 空留巷技术 ......................................................................... 2 1. 2， 3 英 国沿 空 留巷技 术 ......................................................................... 2 1. 3 国内沿空 留巷技术发展现状 .................................................................. 5 1. 3.1 我 国沿 空 留巷支护技术 的发展历程 .................................................... 6 1. 3. 2 我 国沿 空留巷理论研究现状 ............................................................. 7 1. 3. 3 我 国沿 空 留巷技术存在 问题 ............................................................ 10 1. 4 论文研究 的内容和技术路线.........‘ ................................................. 12 1. 4.1 论文研究的内容 ........................................................................... 12 1. 4.2 论文研 究的技术路线 ..................................................................... 13 2 矿井及煤系地层赋层条件与试验工作面概况 . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 巧 2.1 矿井概况及地质条件 .......................................................................... 巧 2.2 矿井开采技术条件 ............................................................................. 16 2.3矿 井 生产系 统布 置 ............................................................................. 18 2.4 试验 工作面布 置及沿 空 留巷特 点 ........................................................... 19 24 l 试验工 作面概况 ........................................................................... 19 2.4.2 工作面 沿 空 留巷特 点 ..................................................................... 23 2.5本 章小 结.......................................................................................... 24 3 沿空 留巷 的巷旁支护技术 与设计. . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.1 我 国沿 空 留巷巷 内和巷旁支护主要形 式 .................................................. 25 3.2 沿 空 留巷 的巷 旁支护技术 ......................................， ....................... 25 3. 2.1 木垛巷 旁支护 .............................................................................. 26 3. 2. 2 密集支 柱巷旁支 护 ........................................................................ 26 3. 2.3 研 石带 、料 石垛 巷旁支护 ............................................................... 27 3. 2.4 人造 砌 块 巷 旁支 护 ........................................................................ 27 3. 2. 5 巷旁泵 充填 支护技术 ..................................................................... 27 重庆大学工程硕士学位论文 3. 2.6 沿 空 留巷巷 旁支护技术分 析 ...................、 .................................. 27 3.3沿空 留巷带支护设计 ..........................................................................28 3. 3.1 沿空留巷带支护强度 支柱垂直力 ................................................28 3. 3. 2 岩块垮落冲击力预测 支柱切 向力 ................................................29 3. 3. 3 沿 空 留巷带支护 参数设计 ............................................................... 32 3.4 沿空 留巷带顶板支护 ...........................................................................32 3.5 本章 小 结 .......................................................................................... 34 4 水泥一 粉煤灰浆液 的试验 与配 比设计 . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37 4.1 水泥一 粉煤灰浆液 的试验 ......................................................................37 4.2 水泥一 粉煤灰浆液 的试验 结果分析 ..........................................................38 43 本章 小结 ..........................................................................................39 5 沿 空 留巷 设计 实施 与分析 .. .. . ... .. .. .. ... ... .... .. . . .... .. .. .. .. .. .. .. .. . .. . ..... . .. .. 41 5.1 留巷 的准 备工 作 .............................................................， .............41 5.2 设 备 材 料 .......................................................................................... 41 5.3 劳动 组织和 作业方 式 ...........................................................................41 5.4 留巷实施工作 二 ， ................‘ ..........................................................42 5.5 灌浆 加 固工 作 ..， . ‘ ， ， .， ..， ............................................................ 45 5.6 灌浆施 工操 作 ....... ， .， .， 二 ， ， ...， ， .， ..................................45 5.6.1 灌浆 管路 与 设备要求 .................... ， 二， ， .， .. ， ， .， 二， .... ， ， ............ 45 5.6.2 灌 浆 点准 备 ............................ ， ........ ， ， .. ， ， .............. 46 5. 6.3 灌浆 点施工 ..............................................................‘ 二 ， 二 ， ......... 46 5.7 喷浆 加 固施 工 .................................................................................... 46 5.8 留巷 施 工要求 ..........................................................， ， .............. 47 5.9 挑顶 卸压 人 工 强制放 顶 设计 ................................................................. 47 5. 9.1 挑 项卸压人 工强制 放顶作用 ............................................................ 47 5. 9. 2 挑 顶卸压人工强制放顶参 数 .................................， ....................48 5.10 留巷 实施 效果分析 ............................................................................48 5.10.1 沿 空 留巷经济成 本 比较 .................................................................48 5.10. 2 沿 空 留巷 经济技 术状 况分析 .......................， ............................. 48 5.n本章 小结 .........................................................................， ........ 50 6 沿空 留巷矿压显现 规律 与顶板垮落特 征 . . ， .. . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5， 6.1 沿 空 留巷 的矿 压观察 ...........................................................................51 6.2 沿 空 留巷 的 围岩变 形特 征 ....................................................................53 63沿 空 留巷矿 压 显现 的一般 规 律 .....................， .................................. 54 目录 6. 4沿空 留巷矿压控制 ................................................. 55 6.5 沿 空 留巷顶板垮落形式及特征.............................................................. 56 6.6 沿空留巷顶板极限垮落高度及其规律 ....................................................58 6.7 沿空 留巷 支护荷载规律及 支护荷 载方式 ................................................. 59 6*7.1 沿空留巷支护荷载规律 .................................................... ..... ， 59 6. 7. 2 沿空 留巷支护荷载方式 ............................................................ 60 6.8 本章小结 .......................................................................................... 62 7 沿空留巷作业安全技术措施 . . ， . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . 65 7.1 沿空 留巷巷道支护作业 的安全技术措施 .................................................. 65 7.2 沿空留巷灌浆作业 的安全技术措施 ........................................................66 7. 3 沿空 留巷矿压 控制 的安全技术措施 ..........................................一 ， ......... 66 7.4 沿空 留巷作业 管理 的安全技术措施 .........， ...............， .................. 67 8 结论与建议 . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 8.1 结论................................................................................................ 69 8.2 发展沿空 留巷支护技术 的建议 .............................................................. 71 致谢 . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 75 参考文献 . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . 77 附录 A.作者在攻读工程硕士学位期间发表的论文目 录 . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 时 B.作者在攻读工程硕士学位期 间参加 的科研 项 目及得奖情 况 .......... 81 1前言 1前言 1.1 研 究的 目的和意义 沿空留巷是普遍使用 的一种无煤柱护巷方式， 它是煤矿开采技术的一项重大改 革[1 一 ’ “ 】 。无煤柱开采工艺分为两种 ，一种是在上一区段回采完毕 ，采空区 冒落严 实，围岩活动相对稳定后 ，再沿采空区和煤体边缘掘进巷道 ，称为沿空掘巷 。沿 空掘巷工艺可 以不 留煤柱 ，完全沿采空区掘进 ，也可 以保 留 3 sm 宽的小煤柱 ; 另 一种 是将 已采 工 作面后 方 的运输 顺 槽或 回风 顺 槽 用 一 定方法 沿采 空 区保 留下 来 ，作为下一工作面 的顺槽 ，称为沿空 留巷 。 沿空掘巷 可 以大 幅度提 高采 区煤炭 回收率 ，避 开 了煤柱支撑压力和 工作面第 一次采动后 围岩强烈活动 的影响 ，缩短 了巷道维护 时间，简化 了巷道维护工作 ， 降低 了维护 费用 。因此 ，60 年代 以来 ，沿空掘巷技术在厚及 中厚煤层 开采 中得到 了一定程度 的推广〔 ” 一 2’ ]。但沿空掘巷必须在邻近工作面采完和采空区顶板岩层活 动大体稳定 以后进行 ，这给采掘接替造成很多困难 ，特别是使推进速度快的综采 工作面采掘关系十分紧张 。为缓和采掘关系紧张 的矛盾 ，安排生产计划 时往往采 取工作面跳采布置方式 。跳采布置使井下生产分散 ，综采工作面搬家工作量加大 ， 给 回采 、运 输 、通 风及巷道维护都 带来一系列 的 困难 ，另外 ，沿 空掘巷 由于无法 解 决与采空 区隔离 问题 ，易造成严 重漏风 ，使采 空 区有害气体涌入巷道 ，给 安全 生产 留下 隐患 。 沿空 留巷技术 不仅是合理开发煤炭 资源 、提 高煤炭 资源采 出率 、提 高煤炭 回 收率 、延长 矿井服 务年 限、减少巷道掘进 量 、降低 开掘率 、改善 巷道维 护 、缓解 裁 决接替矛盾 、取 消孤 岛工 作面及缩短搬家 时间、防止 发火 、 以及对于 因保护煤 柱和丢煤 引起 的井 下灾害有 明显 的效果， 有利于矿 井安全 生产和改善矿井技术经济 效果 的一项重大 的护巷技 术， 而且它也是矿 山进行采 煤方法 改革 、实现前进式和往 复式 开采 、实现 Y型通风方式 、治理工作面瓦斯超 限难题 的最有效途径，其技 术 优 势和经济效益显著
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