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论文题目 千米深井综放巷道支护技术研究 作者姓名 领域名称 指导教师 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间 研究方向 职称 羞一 R O A D Ⅵ，A YS U P P O R T I N GT E C H N O L O G Y ⅪL O M E T E R A 。远s e n a d 。ns u b m ；n e d ；nf h m 弛m e n t 。ft h e №q u ；№m e n 。s 。f 。h ed e g 心e I | 二l l l z l l l l 星1 1 2 1 1 1 1 U 3 l l l l l 9 l l l l l | 7 1 2 l l l l l l l M L A S T E RO FP m L L S O P H Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y b y 物妇T i a n S u p e r v i s o r A s s o c i a t eP r o f e s s o rM aQ i h u a C o l l e g eo fM i n i n ga ndS a f e t yE n g i n e e r i n g M a y 2 0 1 5 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世界所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名于丕四 日 A F F I R M 峭T I o N Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fE n g i n e e r i n gi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e d o fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着东部矿区逐渐进入深部开采，矿井所面临的支护问题也越来越严重，有些矿井 因无法解决深部支护问题而放弃开采，造成极大的经济损失，千米深井巷道的支护如得 不到有效的解决，深部煤炭资源就无法有效开采，矿井的产量和效益将受到严重影响， 本文提出了千米深井综放巷道支护技术研究。 本文首先分析了千米深井支护所面临的主要问题，并从地质条件上分析了对锚固系 统的影响因素。引入分次支护的理念，根据现场实际和综合观测情况，确定锚注支护的 合理时机。 其次，对于稳定性较差的综放动压巷道，特别是大采深、高水平应力环境下的综放 动压巷道，为了满足综放动压巷道支护效果和安全可靠性方面的要求，为了降低锚杆布 置的密度、提高钻孔利用率、减少锚杆支护作业时间、提高综合成巷速度、有效地缓解 采掘接续问题以及保证矿井稳产高产，采用高强度锚杆是一种必然选择。 再次，利用计算机数值模拟分析出开挖巷道将会导致原岩应力进行重新分布，巷道 表面围岩应力并会释放。水平应力集中在巷道顶底板，垂直应力集中在巷道两帮，剪切 应力集中在巷道帮角处。巷道顶板位移呈现为典型的高应力状态特征，两帮位移范围则 会超出锚杆长度。因此，支护设计时应选择能够适应高水平应力条件的支护系统。 最后，根据研究成果对工作面顺槽及切眼支护方案进行了详细安排，从理论与实际 操作上相结合，解决了千米矿井综合机械化放项煤开采巷道支护中遇到的特殊技术问题。 关键词千米；综放动压；高强度锚杆；数值模拟；支护方案 山东科技大学硕士学位论文 A B S T R A C T A st h ee a s t e r n m i n i n gg r a d u a l l yi n t od e e pm i n i n g ，m i l l es u p p o r ti s s u e sf a c i n g i n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，s o m em i n ei n a b i l i t yt os o l v et h ed e e pp r o b l e m sa n dg i v es u p p o r tm i n i n g ， c a u s i n gg r e a te c o n o m i cl o s s e s ，b r a n c hk i l o m e t e rw e l la sr o a d w a yg u a r dn o ta ne f f e c t i v e s o l u t i o n ，d e e pm i n i n go fc o a lr e s o u r c e sC a nn o tb ee f f e c t i v e ，a n de f f e c t i v e n e s so ft h em i n e ’s o u t p u tw i l lb es e v e r e l ya f f e c t e d ，i tp r o p o s e sk i l o m e t e rd e e pD r i f tS u p p o r t i n gt e c h n o l o g y m e c h a n i z e dC a v i n g ． T h i sp a p e ra n a l y z e st h em a i np r o b l e m sf a c e db ys u p p o r t i n gk i l o m e t e rd e e p ，a n df r o mt h e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n a l y z e st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fa n c h o r i n gs y s t e m s ．G r a d e ds u p p o r t t h ei n t r o d u c t i o no ft h ec o n c e p t ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o na n dt h ec o m p r e h e n s i v e o b s e r v a t i o n ，d e t e r m i n ear e a s o n a b l eo p p o r t u n i t yo fb o l t i n ga n dg r o u t i n g ．． S e c o n d l y ，p o o rs t a b i l i t yc a v i n gr o a d w a y 、Ⅳi md y n a m i cp r e s s u r e ，e s p e c i a l l yl a r g em i n i n g d e p t h ，i n t e g r a t e de n v i r o n m e n t ，h i 曲l e v e l so fs t r e s sp u td y n a m i cp r e s s u r er o a d w a y ，i no r d e rt o m e e tt h ed y n a m i cp r e s s u r eo ff u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gr o a d w a ye f f e c t i v e n e s sa n ds a f e t ya n d r e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t s ，i no r d e rt or e d u c e t h ed e n s i t yo ft h eb o l ta r r a n g e m e n t ，i n c r e a s e d r i l l i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c eB o l t i n go p e r a t i n gt i m ea n di m p r o v es p e e di n t e g r a t e di n t ot h e l a n e ，e f f e c t i v e l ya l l e v i a t et h ep r o b l e ma n dt oe n s u r et h ec o n t i n u a t i o no fm i n ee x t r a c t i v e 1 1 i g h - y i e l d ，h i g hs t r e n g t hb o l ti sa ni n e v i t a b l ec h o i c e ． A g a i n ，t h eu s eo fc o m p u t e rs i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ee x c a v a t i o no ft h er o a d w a y w i l ll e a d t or e - s i t us t r e s sd i s t r i b u t i o n ，r o c ks t r e s sr o a d w a ys u r f a c ea n db er e l e a s e d ．T h el e v e lo fs t r e s s c o n c e n t r a t i o ni nt h et u n n e lr o o fa n df l o o r ，v e r t i c a ls t r e s si sc o n c e n t r a t e do nt w os i d e sr o a d w a y ， s h e a rs t r e s si sc o n c e n t r a t e do nt h er o a d w a yt Oh e l pc o m e r ．R o o fd i s p l a c e m e n tp r e s e n t sa t y p i c a lf e a t u r eo fh i g hs t r e s s ，d i s p l a c e m e n tr a n g ew i l le x c e e dt w ot oh e l pa n c h o rl e n g t h ． T h e r e f o r e ，s u p p o r ts h o u l db ed e s i g n e dt oa d a p tt oh i g hl e v e l so fs t r e s sc o n d i t i o n sc h o i c eo f s u p p o r ts y s t e m ． F i n a l l y ，a c c o r d i n g t or e s e a r c hr e s u l t sF a c ea n dc u ts u p p o r ts c h e m eW a sd e t a i l e d a r r a n g e m e n t s ，c o m b i n i n gt h e o r ya n dp r a c t i c e 、v i t hr e s p e c tt oa d d r e s st h es p e c i a lt e c h n i c a lk mi 一一⋯ 山东科技大学硕士学位论文 m i n em e c h a n i z e dt o pc o a lc a v i n gm i n i n gr o a d w a ye n c o u n t e r e di s s u e s ． K e y w o r d s K m ；F u l l yd i s c h a r g ed y n a m i cp r e s s u r e ；h i g hs t r e n g t hb o l t ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；S u p p o r tS c h e m e s 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1 ．绪论．⋯⋯⋯。．。。。．．．⋯．⋯．⋯⋯⋯。。。⋯．⋯⋯。．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。。．。⋯⋯⋯。。．。．．⋯．．1 1 ．1 背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 ．主要研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 ．赵楼煤矿生产地质条件及开采面临的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 矿井位置、范围及储量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 矿井地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 煤层顶、底板工程地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．4 矿井构造情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．5 水文地质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．6 深井开采存在的主要问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 3 ．地质力学评估⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 地应力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．2 赵楼矿3 号煤层及围岩力学性质测试结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 ．3 水对锚固系统的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．4 温度对锚固的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 4 ．支护材料的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 4 ．1 ．必备的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 4 ．2 ．锚杆的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 4 ．3 ．本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 5 ．计算机数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 山东科技大学硕士学位论文 目录 5 ．1 计算机模拟程序简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 5 ．2 数值模拟步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 5 ．3 建立初始模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 5 ．4 巷道开挖及支护的数值模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 5 ．5 数值模拟结果的解释⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 6 ．支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 6 ．1 技术原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 6 ．2 顺槽支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 6 ．3 切眼支护设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 6 ．4 分次支护⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 6 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 0 7 ．结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 7 ．1 ．主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 7 ．2 ．主要创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 7 ．3 ．展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 到C 谢．．．。．．⋯⋯⋯⋯⋯．。．⋯⋯⋯．。．。．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．。。⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．。。⋯⋯．。。．⋯⋯．．。。6 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 攻读硕士学位期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 I I 山东科技大学堡士学垡笙茎旦竺 呈L _ _ _ _ - _ _ _ _ _ ●_ _ - ●_ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ ●_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ●●_ ●_ _ _ _ _ - _ _ ●●●●●_ 。_ - _ 。_ 。_ _ - - _ _ _ - _ _ - - - - ●- 。_ 。。。。。。。。。一一一。 C o n t e n t s 1 ．S u b j e c tP r o p o s e da n dS i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“1 1 ．1S u b j e c tP r o p o s e da n dS i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．P r e s e n tS i t u a t i o nB o c l lH e r ea n dA b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 ．M a i nS t u d yC o n t e n t Sa n dR e c h n i c a lR o u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 ．Z h a o l o uc o a lp r o d u c t i o na n dm i n i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h em a i np r o b l e m s f a c e d b y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1M i n el o c a t i o n ．e x t e n ta n dr e s e r v e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2M i n eg e o l o g i c a lf e a t u r e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 2 ．3R o o f a n df l o o re n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．4M i n ec o n s 缸u c t i o nc a s e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 2 ．5H y d r o l o g i c a lg e o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．6T h em a i nq u e s t i o nt h ee x i s t e n c eo f d e e pm i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．7B r i e f S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 3 ．G e o m e c h a n i c a ia s s e s s m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．1G e o s t r e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 3 ．2Z h a o l o u3c o a lm i n ea n ds u r r o u n d i n gr o c km e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h et e s tr e s u l t s ⋯⋯⋯．．⋯⋯．1 6 3 ．3W a t e ro nt h ea n c h o r i n gs y s t e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．4E f f e c to f t e m p e r a t u r eo na n c h o r i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 3 ．5B r i e f S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 4 ．S e l e c ts u p p o r t i n gm a t e r i a l s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 4 ．1E s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 4 ．2B o I tc h o i c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 I 4 ．3B r i e fS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 5 ．C o m p u t e rN u m e r i c a lS i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 5 ．1I n t r o d u c t i o nt oc o m p u t e rs i m u l a t i o np r o g r a m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 5 ．2N u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs t e p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 5 ．3E s t a b l i s h i n gt h ei n i t i a lm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 5 ．4T h es i m u l a t i o nr e s u l t sr o a d w a ye x c a v a t i o na n ds h o r i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 5 ．5N u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t si n t e r p r e t a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 5 ．6B r i e fS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 6 ．S u p p o r t i n gD e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 6 ．1T e c h n i c a lp r i n c i p l e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 6 ．2R o a d w a yd e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 6 ．3C u ts u p p o r td e s i g n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．4G r a d e ds u p p o r t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 6 ．5B r i e f S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 0 7 ．C o n c l u s i o n sa n dP r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”6 1 7 ．1T h eM a i nc o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 7 ．2T h eM a i nI n n o v a t i o nP o i n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 7 ．3T h eP r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 A c k n o w l e d g m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 M a i nR e f ．e r e n c eD o c u m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 M a i nW o r kA c h i e v e m e n tD u r i n gW o r k i n gO nM a s t e rT i m e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 I I 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 ．绪论 1 ．1 背景和意义 根据有关资料表明，我国现有的煤田总面积为5 5 万k m2 ，储量达到7 8 2 2 亿多t 。大多数煤田赋存较深，埋藏深度小于2 0 0 0 m 的煤田的储量总计约为4 4 9 3 亿t ，其中仅仅只有2 7 ％的储量埋藏深度是小于6 0 0 m 的。可是埋深在1 0 0 0 m 以 下的煤炭资源占煤炭资源总量的5 3 ％。随着矿井生产规模、机械化程度以及技术 创新的不断提高，矿井开采深度正在逐渐增加，目前我国煤矿开采已逐渐进入到 深井开采阶段，特别是我国东部一些矿区，由于连续多年高强度的开采，大多数 埋藏浅的储量都已基本采完，大多数生产矿井的开采深度已达6 0 01 0 0 0 m ，而 且平均开采深度正以8 ～1 2 r n ／年的增长速度递增。据统计，目前我国已有平顶山、 淮南及峰峰等4 3 个矿区的1 2 0 座矿井的开采深度均超过6 0 0 m ，开滦、新汶、抚 顺、鸡西、沈阳及徐州等1 3 个矿区的2 5 座矿井开采深度已超过8 0 0 m ，其中开 采深度超过1 0 0 0 m 的除沈阳彩屯矿以外还有开滦赵各庄矿 1 1 5 9 m 、新汶孙村 矿 1 0 5 5 m 和北票冠山矿 1 0 5 9 m 等。此外，开滦唐山矿、马家沟矿和林西 矿、新汶华丰矿及北票台吉矿等的开采深度已经接近1 0 0 0 m 。 关于深部开采的界定，有关专家提出以岩爆 或矿震 发生频率是否明显增 加来界定，也有专家认为应该以围岩应力所达到岩石的强度来界定。但深部开采 中的煤矿与大多数金属矿有明显的不同和差异。现有的研究成果表明，煤矿采深 超过6 0 0 ～7 0 0 m 的矿井，围岩地质体力学性质比较劣化，开采后出现各种灾害 的概率会显著增大，比如原岩应力升高，矿山压力显现剧烈，表现出深部开采的 特征为巷道支护困难，巷道变形明显、围岩处于不稳定状态，支护费用较高； 矿井动力现象严重，如煤与瓦斯突出、冲击地压及围岩透水等灾害较严重等。因 此，国内大多数专家学者普遍认为我国煤矿深部开采的深度可界定为大于 7 0 0 ～8 0 0 m 。在单一重力应力场条件下达到这一极限的临界开采深度，就会很容 易发生冲击地压。按照这一标准，我国相当一批煤炭地区已经进入或即将进入深 部开采，甚至很多新建的矿井一投产就属于深部开采。实际上，对于存在构造应 1 山东科技大学硕士学位论文绪论 力的原始应力场，在开采深度超过5 0 0 “ - 6 0 0 m 的厚煤层中掘进很容易出现顶煤 冲击破坏的事故。因此，研究解决我国煤矿深部开采情况下巷道围岩稳定性问题， 并选择有效的支护形式、确定合理的支护参数，就成为当前普遍存在且亟需解决 的问题。 深部开采条件下的矿压显现规律与浅部开采相比会发生很大变化。关于深部 与浅部的区别，国内外专家普遍认为是“三高与时间效应“ 造成的，即深部岩体 处于渗透压高、温度高、地应力高以及较强的时间效应。由于深部岩体的组织结 构、工程响应和基本行为特征均发生根本性变化，导致深部开采中灾变事故多发 性和突发性出现的根本原因也是因为“三高与时间效应”。过去，由于对深部开 采技术的系统和深入研究较少，深井开采所遇到的地质灾害日趋严重。煤矿深部 开采的关键技术包括煤层开采的矿压控制、冲击地压防治、热害治理和瓦斯及井 巷布置、深井通风等。就岩层控制问题而言，开采深度加大带来的技术难题表现 在 1 高应力场作用下井巷围岩变形破坏机理更为复杂； 2 支护体实际承载工况的复杂性更加突出； 3 矿压显现加剧，导致巷道与采场的维护困难； 4 强化了煤岩层的破坏过程，加大了冲击地压的危险性。 深部开采关键中的关键是巷道支护，它关系到工作面回采、“一通三防”、 冲击地压等问题防治。深入地研究深部巷道支护技术，开发研制新型支护材料和 配套施工设备在我国具有积极普遍的意义。 1 ．2 国内外研究现状 国外自从上世纪八十年代就开始了深部巷道支护的研究工作。如前苏联在 1 9 8 3 年的时候就对埋深超过1 6 0 0 m 的深井开采进行了专题研究。而且，1 9 8 9 年 国际岩石力学学术研讨会在法国专门进行了“深部岩石力学”的国际会议。近年 来，国外学者在研究深部巷道大变形机理、围岩应力控制技术、围岩支护与加固 技术、冲击地压预测与防治技术等方面做了大量工作，并取得了可喜成绩。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 我国近年来对深部开采中所遇到的困难也进行了大量的研究与试验，并取得 了一定的成果。比如开发了高强度及大直径的锚杆／锚索等新型支护材料；在监 测仪器方面开发了测力锚杆、钻孔窥视仪、顶板离层监测系统等仪器仪表；一些 科研院所及高校在现场合作中进行了大量的试验工作，做了许多有益工作，在我 国深部开采巷道支护技术研究方面取得了一些成果。但是，这远远不能满足现场 的要求。总结起来，主要存在以下几个问题 1 理论成果较多，但是切实可行的实用技术很少。虽然提出了多种高地 压支护理论，包括新奥法支护理论的改进与完善、联合支护理论、松动圈支护理 论、偶合理论及二次支护理论等，但是，作为最终有效解决问题的技术手段很少。 2 有些理论本身就存在着一定的缺陷，不能全面的解释巷道围岩变形与 破坏的机理，对生产实践缺乏有效的指导价值。有些理论虽然在技术原理上是成 立的，但是缺乏可操作性，往往无法在工程实践中得到实际应用。 3 没有形成适合深部开采的巷道支护体系。虽然有多种多样的支护形式， 但均存在其固有的局限性，对于深部开采地压显现剧烈以及巷道变形严重的适应 能力较差，巷道往往需要多次维修，不仅支护成本高，掘进速度慢，而且还严重 影响回采工作面的正常接替。 4 深部开采的一些特殊性问题，比如，高应力作用下巷道围岩的流变问 题、钻孔大量出水影响树脂锚固剂固化问题等都需要专门研究解决。 5 现有的支护材料中并没有专门针深部开采特点的品种，对深部开采巷 道支护来说，现有的锚杆、锚索及钢带等支护材料存在强度及刚度低，单根锚杆 支护能力差等问题，导致锚杆、锚索布置密度大，影响成巷速度。 6 深部开采巷道支护设计缺乏匹配的科学依据，以往在浅部开采中积累 形成的一些实践经验在深部开采中未必能有效适用；。 如果得不到有效的解决深部巷道支护问题，深部的煤炭资源就无法有效开 采，矿井的产量和效益都将受到严重影响。 1 ．3 主要研究内容和技术路线 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 ．3 ．1 主要研究内容 本项目立足于研究解决煤矿深井综合机械化放顶煤大断面切眼实体巷道及 采煤工作面上、下顺槽综放巷道锚杆支护技术难题，为此，拟进行以下几个方面 的试验研究 1 地质力学评估。主要包括地围岩强度、应力、结构、锚固性能的调查 评估及测试。 2 千米矿井综合机械化放顶煤大断面切眼实体巷道围岩及采煤工作面上、 下顺槽的变形破坏规律及矿压显现规律观测研究。 3 研究适合千米矿井综合机械化放顶煤大断面切眼及采煤工作面上、下 顺槽支护技术体系；选择适合的支护材料；确定合理的回采动压影响期间巷道二 次补强支护的时机、措施、方式及具体支护参数。 4 计算机模拟优化支护方案。不同方案通过计算机数值分析模拟进行对 比分析，如锚杆／锚索的种类、锚杆的间排距、锚杆／锚索的长度、预计的巷道围 岩变形范围以及大小、锚杆／锚索受力情况等。 5 研究与新型支护体系相适应的施工工艺技术。重点解决基本支护与锚 注支护之间合理匹配的问题，来达到保证安全，控制巷道支护维护成本，提高成 巷速度，保证采掘正常接续的目的。 6 研究解决千米矿井综合机械化放顶煤开采巷道支护中遇到的特殊技术 问题，针对高强应力作用下巷道围岩蠕变及钻孔大量出水并影响树脂锚固剂固化 等问题提出切实可行的技术方案。 1 ．3 ．2 技术路线 项目将借鉴和参考国外的现有的成熟技术，对本项目所应采用的研究、试验 方法和技术路线做了如下具体考虑 1 通过收集调查现场地质条件和生产技术条件调查、煤巷围岩物理力学 性质测定、地应力测量、围岩结构观察及锚杆锚固性能试验等相关内容。 2 采用从美国引进的F L A C 5 ．0 有限差分软件分析围岩地质体在高强应力 作用下巷道围岩应力场、位移场、围岩塑性区发育
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