大断面软岩煤巷的支护与分析0604.docx
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大断面软岩煤巷的支护与分析0604
TD3
10127
分类号:
____________密 级:
______________
UDC:
____________单位代码:
______________
硕士学位论文
论文题目:
大断面软岩煤巷的支护与分析
201002377
田勇
学 号:
_________________________
作 者:
_________________________
矿业工程
专业名称:
_________________________
2012年6月1日
内蒙古科技大学硕士学位论文
大断面软岩煤巷的支护与分析
论文题目:
田勇
作者:
_________________________
矿业工程学院
刘占魁教授
指导教师:
单位:
协助指导教师:
单位:
单位:
论文提交日期:
2012年6月1日
学位授予单位:
内蒙古科技大学
大断面软岩煤巷的支护与分析
LargeSectionsofSoftRockCoalRoadway
SupportandAnalysis
研究生姓名:
田勇
指导教师姓名:
刘占魁
内蒙古科技大学矿业工程学院
包头014010,中国
Candidate:
TIANYong
Supervisor:
LIUZhan-Kui
SchoolofMiningEngineering
InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology
Baotou014010,P.R.CHINA
独 创 性 说 明
本人郑重声明:
所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
签名:
___________日期:
____________
关于论文使用授权的说明
本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定,即:
学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
(保密的论文在解密后应遵循此规定)
签名:
___________导师签名:
___________日期:
____________
摘要
随着现代化综合机械化开采技术对大断面巷道的需求以及煤炭开采转向深部开采时工程软岩的影响,使得巷道支护难度不断增大,严重影响了煤矿的生产安全。
本文在参考了国内外软岩巷道支护理论和技术的基础上,综合运用现场调研、理论分析和数值模拟等方法,结合常村煤矿21122综放工作面回采巷道围岩变形破坏机理和因素分析,针对21122综放工作面的实际情况给出了大断面软岩煤巷的支护设计。
论文的主要内容如下:
(1)运用理论分析和数值模拟相结合的方法,分析了21122综放工作面回采巷道变形破坏的因素和机理。
其中软岩的特性、工程地质条件、支护体与围岩的不耦合以及巷道断面尺寸及形状都对围岩的变形破坏有着重要影响。
(2)针对21122综放工作面回采巷道的围岩条件和巷道变形破坏特征,运用非线性大变形力学设计理论,提出了该工作面回采巷道锚网索耦合支护设计。
根据该工作面回采巷道所处的工程地质条件确定巷道围岩的变形力学机制,通过过程优化将复合型变形力学机制转化为单一型变形力学机制。
(3)根据21122综放工作面回采巷道的实际工程地质情况及非线性大变形力学设计理论结合FLAC3D有限元数值分析软件,模拟常村煤矿21122综放工作面回采巷道采用不同锚杆间距、锚杆长度及锚索数量的支护效果,并进行对比分析,分析结果表明锚杆间排距为800×700mm、锚杆长度为2600mm、锚索数量为3的锚网索联合支护方式对回采巷道围岩的控制效果较好。
井下矿压观测表明,该支护形式和支护参数有效地阻止了巷道围岩的变形破坏,取得了预期的支护效果。
(4)锚网索耦合支护技术在大断面巷道的应用,提高了断面的使用率,防冲、通风、机电运输等方面的安全系数也得到了很大的提高,确保回采工作面能够安全生产以及工作面的快速推进。
节约了巷道支护材料费和维修成本;改善了工人的作业环境,减轻了工人的劳动强度。
关键词:
大断面巷道;软岩煤巷;破坏机理;数值模拟;锚网索耦合支护
Abstract
Withtheneedsoffullmechanizedminingtechnologyofmodernminetolargesectionalroadwayandsoftrockinfluencesthesupportofroadwaywhenthecoalminingshiftedfromtheexploitationofshallowtodeepmining,makingthedifficultyofroadwaysupportisincreasing,andaseriousimpactonthesafetyofcoalmineproduction.
Inthispaper,basedonthereferencetothedomesticandoverseassoftrockroadwaybothinthetheoryandtechniques,usedcomprehensivelyoffieldresearch,theoreticalanalysisandnumericalsimulationmethods,combinedwiththeactualsituationandtunnelsurroundingrockdeformationandfailuremechanismandfactoranalysisofthechangcuncoalmine21122fullymechanizedcavingface,giventhelargesectionsoftrockroadwaysupportingdesign.
Thechiefcontentofthispaper:
(1)Themethodofcombiningtheuseoftheoreticalanalysisandnumericalsimulationtoanalyzethebrokenlawsandtheinfluencefactorsofroadwaydeformationof21122fullymechanizedcavingface.Whichcharacteristicsofsoftrock,geologicalconditions,thesupportbodyandthesurroundingrockarenotcoupled,androadwaycross-sectionsizeandshapehasanimportantimpacttoroadwaysurroundingrockdeformationandfailure.
(2)Ittakesaimatsurroundingrockconditionsandroadwaydeformationandfailurecharacteristicsof21122fullymechanizedcavingface,theuseofthenonlinearlargedeformationmechanicaldesigntheory,proposedthedesignofbolt-net-anchorcouplingsupportoftheminingfaceroadway.Accordingtoengineeringgeologicalconditionsoftheminingfaceroadwayinwhichtodeterminetheroadwaysurroundingrockdeformationmechanism,throughtheprocessofoptimizationofcomplexmechanicaldeformationmechanismsintoasingletypeofdeformationmechanism.
(3)Accordingtoactualengineeringgeologicalconditionsof21122fullymechanizedcavingfaceandthemechanicaldesignofnonlinearlargedeformationtheoryandFLAC3Dfiniteelementnumericalanalysissoftwaretosimulateandanalyzingthegatewaysupportingeffectwithusingdifferentspacing,boltlengthandanchornumberin21122fullymechanizedcavingfaceinChangcunMine.Thesimulationresultsdemonstratethatthebolt-net-anchorcouplingsupportingmethodwiththeboltspacingandpitching800×700mm,boltlength2600mm,3anchorcablecouldacquireapprovedsupportingeffect.Minepressureobservationindicatedthatsurroundingrockdeformationofroadwayhasbeenrelieved,andachievesexpectantresult.
(4)Bolt-net-anchorcouplingsupportinlargesectionofroadwaytoimprovetheutilizationrateofthesection,percussivegroundpressurecontrol,ventilation,electricalandtransportationofsafetyfactorhasalsobeengreatlyimprovedtoensurethesafeproductionandrapidadvanceofcoalminingface.Savedthematerialsandmaintenancecostsofroadwaysupportandimprovetheoperatingenvironmentoftheworkersandrelievethelaborintensityoftheworkers.
Keywords:
largesectionalroadway;softrockmineroadway;brokenlaws;numericalsimulation;bolt-net-anchorcouplingsupport
目录
摘要I
AbstractII
1绪论-1-
1.1问题的提出-1-
1.2国内外软岩巷道工程研究现状-2-
1.2.1软岩巷道工程支护理论的国外研究现状-2-
1.2.2软岩巷道工程支护理论的国内研究现状-2-
1.3大断面软岩巷道存在的主要问题-3-
1.4本论文研究的主要内容-4-
1.5本论文研究方法与技术路线-4-
2工程地质条件-6-
2.1概述-6-
2.2地层岩性-6-
2.3地质构造-8-
2.4水文地质-9-
2.5本章小结-10-
3大断面软岩煤巷变形破坏特征和分析-11-
3.121122回采巷道的破坏特征-12-
3.221122回采巷道围岩变形破坏因素分析-13-
3.321122回采巷道变形破坏机理分析-15-
3.4本章小结-19-
4大断面软岩煤巷支护参数设计-20-
4.1锚网索耦合支护-20-
4.1.1锚网索耦合支护概念-20-
4.1.2锚网索耦合支护原理-21-
4.2支护参数设计-23-
4.2.1设计方法-23-
4.2.2模拟软件-24-
4.2.3模型建立-26-
4.2.4合理锚杆间距确定-28-
4.2.5合理锚杆长度确定-36-
4.2.6合理锚索数量确定-42-
4.2.7支护前后巷道围岩纵向比较-48-
4.3施工工艺及安全措施-53-
4.3.1施工工艺-53-
4.3.2安全技术措施-56-
4.4本章小结-57-
5技术经济效益分析-58-
5.1技术效果-58-
5.2经济效益-58-
5.3社会效益-59-
5.4本章小结-59-
结论-61-
参考文献-62-
在学研究成果-65-
致谢-66-
1绪论
1.1问题的提出
煤炭工业在我国国民经济中占据重要地位,同时我国在今后相当长的一段时间内将会以煤炭为主要能源[]。
在煤炭的开采过程中我们要找到一种经济合理的开采方式,以期能在开采过程中获得最大的经济效益,并且使我们的生存环境得到更有效的保护。
为了能够使经济效益和环境效果最大化,煤矿巷道更多的布置在煤层中,现在的国有大中型矿井中80%以上都是煤巷[]。
煤巷在大大提高了巷道掘进速度的同时,也减少了许多的人力物力和资金、实现了矿井的高产高效;在环境保护方面则是减少了煤矸石的排出,降低了煤矸石等废料废渣对环境的污染破坏。
巷道支护是煤炭开采过程中的至关重要的一环[]。
在巷道支护方面,煤层巷道的围岩强度一般较岩石巷道围岩强度低很多,且较破碎。
所以,煤巷广泛地存在巷道支护难的问题。
由于浅层煤炭已开采殆尽,现有大中型煤矿基本上都转向深部开采,而且煤矿开采的深度、规模不断增加。
现代化综合机械化开采技术的发展以及一系列高效率的开采方法的应用,只有大断面的巷道在能满足其要求。
从保证正常生产以及工人人身安全的角度出发也需要大的巷道断面。
目前,一些大型矿井的回采巷道跨度都在5~6m左右,断面面积达15~20m2;开切眼跨度达到10m,断面面积达到40m2,有的甚至更大[]。
不断增大的巷道断面使得支护难度显著增加,尤其是在煤层较为松软及深度较大的矿井条件下,大断面巷道支护问题尤为突出。
比如义马煤业集团常村煤矿21122综放工作面回采巷道的巷道断面达37m2且巷道顶底板都为松软煤层,开采深度500多米,巷道支护难度很大。
随着锚杆支护技术的日已成熟,该技术近些年来已经成为煤层巷道支护的首选支护方式。
锚杆支护技术与原有的金属支架支护、砌碹支护等支护技术相比具有支护效果好、成本低、维护方便等诸多优点,有效地解决了大断面煤层巷道在支护中遇到的许多问题。
但是随着矿井开采深度的不断增加,软岩是大断面巷道支护不能回避的重点。
能否有效地解决大断面巷道在软岩条件下的支护是现在煤炭安全生产面临的主要问题[]。
本文将结合锚网索耦合支护技术设计思想和非线性大变形设计方法,从回采巷道变形破坏的原因及机理分析入手,通过数值模拟为常村煤矿21122综放工作面回采巷道提出合理的支护设计方案。
1.2国内外软岩巷道工程研究现状
1.2.1软岩巷道工程支护理论的国外研究现状
人们在19世纪时就尝试用实验的方法去解决地下巷道支护中的问题。
在20世纪的早期,工程师开始使用古典材料力学和结构力学理论来研究地下巷道支护中所出现的问题[],其中较为经典的理论为古典压力理论。
由于矿井开采深度的不断加大,古典压力理论在许多方面已经无法满足实际情况的需要,于是就有了坍落拱理论。
坍落拱理论最大的贡献就是提出了巷道围岩自身具有一定的承载能力[]。
20世纪中叶,弹塑性力学[]被用来巷道支护问题,并解决了许多问题。
20世纪60年代,奥地利工程师L.V.Rabcewicz总结了以往的施工、支护经验和理论,提出了新奥法。
新奥法的核心内容是利用围岩自身的承载能力来支撑隧道,使围岩成为支护结构的一部分而与支护体共同形成支撑环[]。
鲁尔、萨尔、亚琛和伊木比伦是德国的主要硬煤产区。
目前其最小开采深度为700m,最大开采深度达1500m,平均开采深度接近930m。
这些煤田95%的煤层倾角在0~18o,地质条件较差。
考虑到巷道埋深、地压显著以及巷道自身的变形量、机械化生产、通风的需要,其深部巷道支护主要采用两条技术措施:
大断面巷道和组合支护技术。
组合支护技术实际上采用的是以U型可缩型钢支架为主,锚杆支护和壁后充填为辅的组合支护技术。
该技术取得了很好的效果:
巷道实用性好、有效空间大、维修量少、安全可靠性高等。
自20世纪末以来,数值分析计算方法日渐成熟,并与现代计算机技术相结合创造出许多以此为理论基础的计算分析软件,例如ANSYS、FLAC、UDEC、ADINA、NOLM等[]。
这些软件为地下工程的安全施工以及支护形式和参数的确定提供了科学依据。
当然,除上述的新奥法、数值计算法等理论外还有诸如应变控制理论、能量支护理论[6,]等等。
这些方法在一定程度上为软岩支护理论的发展开辟了新的方向。
1.2.2软岩巷道工程支护理论的国内研究现状
我国在1958年开始了软岩巷道支护系统的研究工作,在巷道断面、支护形式及施工工艺等方面都取得了一些经验。
到20世纪80年代以后,我国对软岩问题的理论研究取得较快地发展,进入到一个新阶段。
舒兰矿区自1958年建井以来,十几对井口的中央水泵硐室,所采用的干砌料石支护不能发挥封闭围岩的作用,水对围岩破坏很大,经常造成停产维修,多次的维修严重影响了生产,并使成本大大提高。
为解决这一关键问题,针对软岩的变形特征,提出联合支护的支护思想[,]。
联合支护就是根据围岩的物理力学性质,选取多种不同性能的单一支护体进行有效地的组合,以适应松软岩层压力与变形的要求。
在联合支护中,各种单一支护各自充分发挥其本身的作用,最终达到围岩及巷道稳定的目的。
舒兰局的软岩矿井井底硐室的料石砌体翻修周期为一年半,而联合支护尽管比料石砌体的成本高一倍,但时隔五年巷道仍然稳定、保证了安全生产。
由此可见,联合支护在技术上和经济上的效益是明显的。
济宁二矿九采区93上06回采巷道,埋深约730~750m,主要沿3上煤层顶板掘进。
随着开采深度的不断加大,地质条件恶化,该回采巷道在掘进过程中出现了顶板下沉、底鼓和两帮移近收缩等大变形现象,原有支护已经无法满足巷道的正常使用[]。
根据现场调研、分析巷道变形破坏机理,提出锚网索耦合支护方案。
优化后的支护方案在九采区93上06回采巷道新开段进行实施,根据近5个多月的矿压监测数据分析,两帮最大收缩量为120mm,顶板最大下沉量为39mm,而最大底鼓量仅为10mm,巷道变形得到了有效控制。
软岩工程力学支护理论是由中国矿业大学(北京)何满潮教授在研究总结国内外巷道支护理论的基础上结合工程地质学和现代大变形力学的方法,分析工程软岩的变形力学机制,提出了以将复合型变形力学机制转化为单一型变形力学机制为核心的一种软岩巷道支护理论[,]。
该理论涵盖了从软岩的定义、软岩的基本属性、软岩的连续性概化到软岩变形力学机制的确定、软岩支护荷载的确定和软岩非线性大变形力学设计方法等内容[,]。
1.3大断面软岩巷道存在的主要问题
(1)传统的巷道支护技术已无法满足现有的大断面巷道支护的需要[]。
断面尺寸的加大势必造成巷道围岩的变形量加大,如果巷道布置在煤层中,由于煤体一般较松软破碎则更加大了支护的难度。
除此之外,工作面采深以及邻近巷道的扰动都影响了巷道的支护效果。
(2)以往的巷道支护理论已无法满足大断面巷道支护的需要[]。
大断面巷道的是近几年才发展起来的,所以现有的巷道支护理论在深部大断面巷道的支护上明显不足。
现有的各大中型矿井在设计支护时仍根据以往的支护经验进行设计,如果效果不理想就增大支护强度,而在没有相应大断面巷道支护理论作为依据的前提下,盲目的增大支护强度可能会使围岩的稳定性降低。
(3)由于底板发生事故时对人员及财产的危害较巷道顶板和侧帮要小的多,所以人们往往忽视对底板的支护。
但是巷道的断面增大使得底板底鼓量较之前的大尺寸巷道要大很多,如不重视大断面巷道的底鼓问题必然会导致危害生产安全的事故发生。
1.4本论文研究的主要内容
煤矿开采深度的不断加大致使大断面软岩煤层巷道的支护问题也越来越突出,特别是像常村煤矿这样巷道围岩以高应力膨胀性软岩为主的矿井,在全国其他矿区普遍存在[]。
本文将运用数值模拟和非线性大变形的设计思想相结合的方法,通过现场调研,确定21122综放工作面回采巷道的变形力学机制,选用合理的支护形式,通过数值模拟确定合理的参数设计,使巷道在一次掘巷成功的同时降低成本,提高经济效益。
(1)将软岩工程理论与具体工程实例相结合,分析回采巷道变形破坏的因素及机理。
(2)运用非线性大变形力学设计法,针对该工程实例,分别进行对策设计、过程优化设计和参数设计。
(3)通过数值模拟,将支护前与支护后的变形量反复对比分析得出合理的支护方案。
(4)通过现场试验监测验证上述支护方案是否达到预期效果。
1.5本论文研究方法与技术路线
(1)了解与该工程相关的国内外软岩工程支护理论,找到适合本工程的支护技术;
(2)现场调研、收集相关资料,为分析回采巷道变形破坏的原因及机理以及在数值模拟中构建模型提供理论数据支持;
(3)应用非线性大变形力学设计方法,对原有支护形式分别进行对策设计、过程优化设计和参数设计;
(4)通过FLAC3D对优化过的支护方案进行模拟,观察分析巷道变形情况及时反馈信息到初始参数中进行再优化;
(5)将通过数值模拟优化后的新方案在回采巷道新开段进行实施,监测两帮及顶底板的变形量。
收集工程现场资料,调研21122回采巷道原有支护的破坏形式。
根据现场调研结果,结合软岩工程理论分析巷道变形破坏的机理。
构建FLAC模型,开挖巷道,分析巷道在未支护情况下的变形破坏。
依据以上两点,针对深部巷道围岩大地压、大变形和难支护的特点,提出锚网索耦合支护新方案。
新的设计旨在弥补原有支护方案的不足。
根据巷道变形破坏机理,给出优化后的支护参数。
并将该参数应用到之前构建的模型中,观察巷道在支护条件下的变形破坏。
将巷道在未支护条件下的变形破坏与支护情况下的变形破坏进行对比分析,如果满足对变形量的要求,则将支护参数运用到现场中进行试验监测,反之则对原参数进行修改,再模拟对比。
现场试验结果与
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