旧采残煤复采巷道围岩稳定性控制与支护技术研究

论文摘要

近年来我国煤炭产业取得了长足发展,先进矿井工作面单产已处于世界领先水平。但我国煤炭企业普遍存在“采易弃难”现象,突出表现在只采大面积赋存的实体煤,不采大量的采用落后的房柱式、巷柱式等旧式的开采方法(简称旧采)破坏的残留煤炭资源。以山西晋城为例,上世纪90年代中期以前该地区普遍采用旧采方式开采埋深较浅、素有“兰花炭”之称的3号煤,受当时开采方法和机械化水平的限制,资源回收率不足30%,大量的优质煤炭资源遭到破坏。近年来随着矿井开采强度的不断增加和下组煤的相继开采,许多煤矿企业面临资源枯竭和对残煤资源进一步破坏的严重问题,因而复采旧采破坏的煤炭资源具有重大的现实意义。残煤复采不同于原岩应力场条件下的煤炭开采。由于受旧采采动的影响,旧采区域的围岩性质、应力特征、煤层赋存、空间分布等与未受采动影响的煤层有很大差异。因此,如何安全高效回收旧采区的煤炭资源已成为目前亟待解决的技术难题,而复采巷道掘进围岩稳定性控制与支护技术更是要迫切解决的首要问题。论文在前人研究的基础上,围绕复采巷道掘进围岩稳定性控制与支护技术这一课题,采用理论分析、数值模拟、现场调研及工程类比法等手段,系统地分析了旧采区煤层赋存特征、残留煤柱变形破坏特征,并结合山西晋城尹家沟煤业3号煤的赋存现状进行了探讨和研究,提出了复采巷道围岩控制基本理论和关键技术,主要做了以下几个方面的工作:1、在分析旧采采空区覆岩破坏带划分及其特征、顶板冒落特征、顶底板岩性以及裂隙带分布等旧采覆岩破坏规律的基础上,总结得出旧采区煤层的5种赋存结构特征和7种空间分布状态,并通过FLAC3D数值模拟计算得出旧采遗留煤柱区域应力场下垂直应力影响程度和范围大于水平应力的结论。2、通过对复采巷道围岩类型、再生顶板分类以及围岩岩性的分析,参照围岩松动圈理论,得出复采巷道围岩具有地质软岩“松、散、软、弱”的特点,同时也表现出围岩变形量大、在煤柱中巷道围岩应力集中系数高、巷道开挖过程中塑性变形大等工程软岩所具有的性质,呈现大松动圈软岩中碎胀型软岩的典型特征。因此,把复采巷道围岩归入大松动圈巷道围岩。3、分析了复采巷道围岩变形破坏特征,并运用FLAC3D数值模拟软件对复采巷道位于煤柱中、旧采冒落区和遇空巷时的围岩应力分布特征进行研究,结合复采巷道围岩压力特点、围岩控制原理和复采巷道围岩支护对象,提出复采巷道围岩控制的基本理论:(1)减少对复采巷道围岩的扰动;(2)以刚性支护为主体支护方案;(3)灵活运用围岩压力控制理论;(4)强化对关键部位的加固。4、以复采巷道围岩控制理论为指导,提出复采巷道围岩控制的关键技术:(1)钢钎撞楔法超前支护技术;(2)工字钢棚钢架支护技术;(3)锚注围岩加固技术;(4)预应力锚拉支架支护技术。5、提出复采巷道支护技术方案,并通过FLAC3D和UDEC数值模拟软件对支护参数进行优化,得出最佳方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外巷道支护理论和技术研究现状
• 1.2.1 巷道支护理论和技术发展历程
• 1.2.2 巷道支护理论研究现状
• 1.2.3 复采巷道支护理论与技术研究现状
• 1.3 复采巷道掘进支护存在的主要技术难题
• 1.4 论文主要研究内容和技术路线
• 第二章 复采巷道围岩稳定性分类研究
• 2.1 旧采开采方式及煤层赋存特征
• 2.1.1 旧采开采方式
• 2.1.2 旧采区煤层赋存结构特征
• 2.1.3 旧采区内部空间分布特征
• 2.2 旧采残留煤柱变形破坏特征
• 2.2.1 旧采残留煤柱的应力分布
• 2.2.2 支承压力在底板岩层中的传播
• 2.2.3 煤柱荷载作用下区域应力场特征
• 2.3 复采巷道围岩稳定性分类
• 2.3.1 旧采区掘进巷道围岩类型
• 2.3.2 复采巷道再生顶板分类
• 2.3.3 巷道围岩岩性与物理力学参数
• 2.3.4 复采巷道围岩分类
• 2.4 本章小结
• 第三章 复采掘进巷道围岩稳定性控制研究
• 3.1 复采巷道围岩变形破坏机理研究
• 3.1.1 影响复采巷道围岩变形破坏的主要因素
• 3.1.2 复采巷道围岩变形破坏机理
• 3.2 复采巷道围岩应力数值模拟分析
• 3.2.1 复采巷道位于煤柱中围岩变形特征模拟分析
• 3.2.2 复采巷道位于旧采冒落区时围岩变形特征模拟分析
• 3.2.3 复采巷道遇空巷时围岩应力分析
• 3.3 复采巷道掘进围岩稳定性控制基本理论
• 3.3.1 复采巷道围岩控制原理
• 3.3.2 复采巷道围岩压力特点
• 3.3.3 复采巷道掘进支护对象
• 3.3.4 复采巷道围岩控制理论
• 3.4 复采巷道围岩控制的关键技术
• 3.4.1 钢钎撞楔法超前支护技术
• 3.4.2 工字钢棚钢架支护技术
• 3.4.3 锚注围岩加固技术
• 3.4.4 预应力锚拉支架支护技术
• 3.5 本章小结
• 第四章 复采巷道支护优化的数值模拟
• 4.1 复采巷道支护技术方案
• 4.2 工字钢棚支护优化数值模拟分析
• 4.2.1 数值模拟方法和模型建立
• 4.2.2 数值模拟方案的比较分析
• 4.3 锚拉支架支护优化数值模拟分析
• 4.3.1 数值模拟方法和模型建立
• 4.3.2 巷道顶板不同模型的数值模拟分析
• 4.3.3 巷道顶板和两帮不同模型的优化组合数值模拟分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A: 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 附录B: 攻读硕士学位期间参与的科研项目