论文中文题名: | 倾斜煤层切顶沿空留巷基本顶结构力学分析及稳定性控制 |
姓名: | |
学号: | 21203226069 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085700 |
学科名称: | 工学 - 资源与环境 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工学硕士 |
学位年度: | 2024 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 巷道围岩控制 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2024-06-20 |
论文答辩日期: | 2024-06-05 |
论文外文题名: | Basic roof structure and stability control of goaf retaining roadway in inclined coal seam |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Inclined coal seam ; Top cutting pressure relief ; Keep lane along goaf ; Roof deformation ; Stability analysis |
论文中文摘要: |
我国西南地区广泛赋存倾斜煤层,且煤质较为优质。但随着煤炭资源的逐渐开采,为了提高煤炭回采率,解决井下瓦斯超限等问题,切顶沿空留巷技术在倾斜煤层中得到了广泛的应用。目前关于切顶沿空留巷技术的力学模型构建以及巷旁支护设计的研究主要集中在水平煤层上,而对于倾斜煤层的研究相对较少,针对现有的沿空留巷稳定性分析的力学模型不能很好的适用于倾斜煤层中,以四川龙门峡南煤矿3131工作面运输巷为工程背景,综合采用理论分析、数值模拟和现场实测等研究方法,建立了相应的倾斜煤层切顶沿空留巷基本顶结构力学模型,将沿空切顶巷道划分为超前未切缝区Ⅰ、超前切缝区Ⅱ、留巷动压区Ⅲ、留巷稳压区Ⅳ以及二次采动超前影响区Ⅴ。推导了全服务周期内不同阶段基本顶应力以及挠度表达式,运用数值模拟进一步分析了3131切顶沿空留巷在全服务周期内围岩应力以及塑性区的分布特征及不同阶段下基本顶稳定性;最后针对性地提出沿空留巷巷内+巷旁补强支护方案。主要研究结论如下: (1)3131运输巷全服务周期过程中巷道顶底板移近量呈持续增长的变化趋势,巷道矮帮侧顶底板移近量>中部顶底板移近量>高帮侧顶底板移近量,一次采动期和留巷期,顶底板移近量出现了明显的陡增。岩石物理实验测得K1煤层及顶底板岩层均为较软岩层。 (2)工作面切顶沿空留巷全服务周期内围岩应力场超前影响范围:二次采动超前影响区>留巷动压区,侧向应力集中程度:留巷稳压区>二次采动超前影响区>留巷动压区;靠近回采工作面一侧的帮部位置围岩塑性区总是沿煤层倾向向着正在回采工作面一侧发生扩展。 (3)超前未切缝区Ⅰ基本顶岩梁在两端上下部分别出现明显的拉应力与压应力集中,在中部出现明显的切应力集中,上下表面中部分别以压应力与拉应力为主;Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ区基本顶岩梁上表面实体煤侧出现明显拉应集中,采空区侧以压应力为主;下表面实体煤侧出现显著的压应力集中,采空区侧以拉应力为主。动压区Ⅲ基本顶岩梁拉压应力集中程度最大。 (4)沿空留巷超前未切缝区基本顶稳定性最高;超前切缝区、留巷动压区、二次采动超前影响区,巷道基本顶最大下沉量靠近高帮侧,且留巷动压区基本顶下沉量最大;留巷稳压区最大下沉量位于高帮侧岩梁5l/12处,基本顶下沉量较留巷稳压区略微增大。 (5)基于倾斜煤层切顶沿空留巷的稳定性分析,研发以石粉水泥浆为原材料的柔模充填混凝土材料新配方,确定沿空留巷巷旁充填体承载状态下的应力状态计算方法及混凝土墙强度验算公式,提出采用巷内锚杆(索)支护配合巷旁柔模混凝土墙充填3131切顶沿空留巷围岩支护方法,围岩变形有效减小了77%。 |
论文外文摘要: |
Inclined coal seams exist widely in southwest China, and the coal quality is relatively high. However, with the gradual mining of coal resources, in order to improve the coal recovery rate and solve the problem of underground gas overlimit, the technology of cutting the top along the gob has been widely used in inclined coal seam. At present, the research on the mechanical model construction of goaf retention technology and the design of roadway side support mainly focus on horizontal coal seam, while the research on inclined coal seam is relatively few. The existing mechanical model for the stability analysis of goaf retention cannot be well applied to inclined coal seam. The engineering background is the transportation lane of 3131 working face of South Longmen Xia Coal Mine in Sichuan Province. Based on the theoretical analysis, numerical simulation and field measurement, the basic roof structure mechanical model of goaf heading along inclined coal seam is established. Goaf heading is divided into pre-cut zone Ⅰ, pre-cut zone Ⅱ, dynamic pressure zone Ⅲ, stable pressure zone Ⅳ and secondary mining advance influence zone Ⅴ. The expressions of basic roof stress and deflection at different stages in the whole service cycle are derived, and the distribution characteristics of surrounding rock stress and plastic zone and the basic roof stability at different stages are further analyzed by numerical simulation. Finally, the reinforcement support scheme of retaining roadway in and beside the roadway is put forward. The main research contents are as follows: (1) During the whole service cycle of transportation lane 3131, the top and floor displacement of roadway shows a continuous increasing trend, and the top and floor displacement of roadway at the low side > the middle side > the top and floor displacement of roadway at the high side. During the first mining period and the lane retention period, the top and floor displacement increases sharply. The rock physical experiment shows that K1 coal seam and roof and floor strata are soft strata. (2) The leading influence range of stress field of surrounding rock during the whole service cycle of goaf retaining roadway is as follows: secondary mining advance influence zone > dynamic pressure zone of retaining roadway; lateral stress concentration is as follows: stable pressure zone of retaining roadway > secondary mining advance influence zone > dynamic pressure zone of retaining roadway; The plastic zone of the surrounding rock near the side of the stoping face always expands along the coal seam tendency towards the side of the stoping face. (3) There are obvious tensile stress and compressive stress concentration in the upper and lower parts of the two ends of the basic rock top beam, and obvious shear stress concentration in the middle part, and compressive stress and tensile stress are dominant in the middle part of the upper and lower surfaces. In areas Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ and Ⅴ, there is obvious tensile stress concentration on the solid coal side of the top surface of the basic rock beam, and the compressive stress is mainly on the side of the goaf. There is a significant compressive stress concentration on the solid coal side of the lower surface, and the tensile stress is the main stress on the goaf side. The tensile and compressive stress concentration of basic rock top beam in dynamic pressure zone Ⅲ is the largest. (4) The stability of the basic roof is the highest in the advance uncut zone; In advance slit zone, dynamic pressure zone of roadway retention and secondary mining advance influence zone, the maximum subsidence of basic roof of roadway is close to the high wall side, and the maximum subsidence of basic roof in dynamic pressure zone of roadway retention is the largest. The maximum subsidence is located at 5l/12 of the rock beam on the side of the high wall, and the basic roof subsidence is slightly larger than that in the stable pressure zone of the retaining lane. (5) Based on the stability analysis of goaf retaining roadway with cut top of inclined coal seam, a new formula of flexible mold filling concrete material with stone powder cement slurry as raw material is developed, and the stress state calculation method and the strength checking formula of concrete wall under the bearing state of the side filling body of goaf retaining roadway are determined. In this paper, the rock deformation of the roadway is effectively reduced by 77% by using the anchor (cable) support in the roadway and the flexible mold concrete wall filling with 3131 cutting top along the air. |
参考文献: |
[1] 韩可琦, 王玉浚. 中国能源消费的发展趋势与前景展望[J]. 中国矿业大学学报, 2004, 33(1): 1-5. [2] 伍永平, 郎丁, 贠东风,等. 我国大倾角煤层开采技术变革与展望[J]. 煤炭科学技术, 2024, 52(01): 25-51. [3] 何满潮, 陈上元, 郭志飚,等. 切顶卸压沿空留巷围岩结构控制及其工程应用[J]. 中国矿业大学学报, 2017, 46(05): 959-969. [4] 何满潮, 马资敏, 郭志飚,等. 深部中厚煤层切顶留巷关键技术参数研究[J]. 中国矿业大学学报, 2018, 47(03): 468-477. [5] 张自政, 柏建彪, 王襄禹,等. 我国沿空留巷围岩控制技术研究进展与展望[J]. 煤炭学报, 2023,48(11): 3979-4000. [7] 张东升, 马立强, 缪协兴,等. 综放沿空留巷围岩变形影响因素的分析[J]. 中国矿业大学学报, 2006(01): 1-6. [8] 张东升, 马立强, 冯光明,等.综放巷内充填原位沿空留巷技术[J]. 岩石力学与工程学报, 2005(07): 1164-1168. [9] 钱鸣高, 石平五. 矿山压力与岩层控制[M]. 徐州:中国矿压大学出版社, 2003: 271-281. [10] 张镇, 林健, 范明建. 强烈动压影响下的沿空留巷巷道加固技术[J]. 煤炭科学技术, 2010, 38(06): 14-17+22. [11] 曹树刚, 陈先哲, 杨红运等. 沿空留巷巷旁控制技术及其适用条件分析[J]. 煤炭科学技术, 2016, 44(04): 27-33. [12] 徐军, 柏建彪. 坚硬顶板爆破切顶在沿空留巷中的应用研究[J]. 数学的实践与认识, 2021, 51(06): 131-136. [13] 高玉兵, 郭志飚, 杨军等. 沿空切顶巷道围岩结构稳态分析及恒压让位协调控制[J]. 煤炭学报, 2017, 42(7): 1672-1681. [14] 何满潮, 高玉兵, 杨军,等. 无煤柱自成巷聚能切缝技术及其对围岩应力演化的影响研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2017, 36(6): 1314-1325. [15] 高玉兵, 何满潮, 杨军等. 无煤柱自成巷空区矸体垮落的切顶效应试验研究[J]. 中国矿业大学学报, 2018, 47(1): 21-31. [16] 马新根, 何满潮, 李先章等. 切顶卸压自动成巷覆岩变形机理及控制对策研究[J]. 中国矿业大学学报, 2019, 48(03): 474-483. [17] 马新根, 何满潮, 李钊,等. 复合顶板无煤柱自成巷切顶爆破设计关键参数研究[J]. 中国矿业大学学报, 2019, 48(02): 236-246+277. [18] 何满潮, 马新根, 牛福龙,等. 中厚煤层复合顶板快速无煤柱自成巷适应性研究与应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37(12): 2641-2654. [19] 马新根, 李伟东, 汪义龙,等. 缓倾斜厚煤层回风巷切顶成巷技术应用研究[J]. 煤炭工程, 2022, 54(01): 50-56. [20] 朱珍, 张科学, 袁红平. 切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技术及应用[J]. 煤炭科学技术, 2018, 46(03): 25-32. [21] 朱珍, 袁红平, 张科学,等. 切顶卸压无煤柱自成巷顶板下沉分析及控制技术[J]. 煤炭科学技术, 2018, 46(11): 1-7. [22] 郑西贵, 安铁梁, 郭玉,等. 原位煤柱沿空留巷围岩控制机理及工程应用[J]. 采矿与安全工程学报, 2018, 35(6): 8. [25] 殷帅峰, 石建军, 冯吉成,等. 无巷旁充填支护沿空留巷顶板断裂位置研究[J]. 煤炭科学技术, 2019, 47(1): 6. [28] 马资敏, 郭志飚, 陈上元,等. 深部中厚煤层切顶留巷围岩变形规律与控制研究[J]. 煤炭科学技术, 2018, 46(02): 112-118+242. [29] 杨军, 付强, 高玉兵,等. 切顶卸压无煤柱自成巷全周期围岩受力及变形规律[J]. 煤炭学报, 2020, 45(S1): 87-98. [30] 杨军, 魏庆龙, 王亚军,等. 切顶卸压无煤柱自成巷顶板变形机制及控制对策研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(03): 989-998. [31] 张礼, 赵晶, 王栓林. 大倾角煤层切顶成巷顶板结构演化及控制技术[J]. 矿业科学学报, 2020, 5(02): 169-178. [32] 何满潮, 陈上元, 郭志飚等. 切顶卸压沿空留巷围岩结构控制及其工程应用[J]. 中国矿业大学学报, 2017, 46(5): 959-969. [33] 杨红运, 李勇, 刘延保,等. 坚硬顶板切顶成巷结构演化与稳定控制机理[J]. 采矿与安全工程学报, 2021, 38(04): 766-773. [35] 胡涛, 侯公羽, 李子祥,等. 深孔爆破切顶对沿空留巷围岩稳定性影响的研究[J]. 矿业科学学报, 2019(4): 9. [37] 杨战标, 赵万里, 丁坤朋, 等. 定向爆破技术在沿空留巷中的应用[J]. 煤炭工程, 2020,52(11): 52-56. [38] 杨军, 王世彬, 马小燕,等. 官地矿切顶卸压沿空留巷聚能爆破现场试验研究[J]. 煤炭工程, 2019, 51(2): 28-31. [39] 张盛, 王小良, 赵文峰,等. D 型聚能爆破管在沿空留巷中应用研究[J]. 煤炭科学技术, 2019, 47(10): 8. [41] 陈定超, 王襄禹, 柏建彪,等. 迎采工作面沿空掘巷围岩能量应力全周期演化规律[J/OL]. 煤炭科学技术, 1-14[2024-04-02]. [42] 何满潮, 马新根, 王炯,等. 中厚煤层复合顶板切顶卸压自动成巷工作面矿压显现特征分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37(11): 2425-2434. [43] 柏建彪, 张自政, 王襄禹,等. 高水材料充填沿空留巷应力控制与围岩强化机理及应用[J]. 煤炭科学技术, 2022, 50(06): 16-28. [44] 卞卡, 柏建彪, 赵涛,等. 综采工作面高水材料空巷充填技术与应用[J]. 煤炭技术, 2021, 40(05): 37-40. [45] 史卫平, 李照迎, 柳昌涛等. 倾斜煤层厚硬顶板切顶留巷关键参数优化研究[J/OL]. 煤炭科学技术: 1-14[2024-01-30]. [46] 张勇, 申付新, 孙晓明,等. 三软煤层切顶成巷二次复用围岩应力及变形演化规律[J]. 中国矿业大学学报, 2020, 49(02): 247-254. [47] 高玉兵, 王炯, 高海南,等. 断层构造影响下切顶卸压自动成巷矿压规律及围岩控制[J]. 岩石力学与工程学报, 2019, 38(11): 2182-2193. [48] 张勇, 樊伟峰, 薛定亮,等. 中厚煤层复合顶板切顶卸压无煤柱开采关键参数研究[J]. 煤炭科技, 2019, 40(05): 31-34. [49] 郭金刚, 李耀晖, 石松豪,等. 厚硬基本顶切顶卸压成巷及围岩控制技术[J]. 煤炭学报, 2021, 46(09): 2853-2864. [50] 郭金刚. 亿吨级老矿区科学开采及转型发展探索[J]. 中国煤炭, 2021, 47(07): 1-8. [51] 刘兵晨, 秦建飞, 许向前. 综放工作面沿空留巷支护结构优化[J]. 矿业安全与环保, 2022, 49(04): 187-193. [52] 刘兵晨, 秦建飞. 综放沿空留巷巷旁充填体性能优化的试验研究[J]. 山西煤炭, 2022, 42(02): 37-46. [53] 阚甲广, 武精科, 张农,等. 二次沿空留巷围岩结构稳定性与控制技术[J]. 采矿与安全工程学报, 2018, 35(05): 877-884. [54] 王磊, 李传明, 李家卓. Y型通风沿空留巷巷道围岩活动规律研究[J]. 安全与环境学报, 2015, 15(06): 50-57. [55] 王磊, 姜琦, 王煜. 沿空留巷采场围岩力学特征数值模拟研究[J]. 地下空间与工程学报, 2015, 11(06): 1564-1571. [56] 何满潮, 郭鹏飞, 王炯,等. 禾二矿浅埋破碎顶板切顶成巷试验研究[J]. 岩土工程学报, 2018, 40(03): 391-398. [57] 张晓虎, 郭鹏飞, 王炯,等. 沿空留巷卸压钻孔间距优化试验研究[J]. 煤炭技术, 2016, 35(06): 6-8. [58] 黄志增, 高晓进, 袁伟茗,等. 深孔预裂爆破沿空留巷技术及顶板应力分布规律[J]. 煤炭科学技术, 2022, 50(S2): 88-96. [59] 高晓进, 张震, 徐刚,等. 双主动超前爆破预制顶板裂隙断顶卸压护巷技术[J]. 采矿与岩层控制工程学报, 2022, 4(01): 35-42. [60] 侯朝炯. 深部巷道围岩控制的关键技术研究[J]. 中国矿业大学学报, 2017, 46(05): 970-978. [61] 徐军, 孟宁康, 柏建彪. 切顶沿空留巷充填体—矸石协同承载机理及控制技术研究[J]. 矿业安全与环保, 2024, 51(01): 140-146. [62] 侯朝炯, 王襄禹, 柏建彪,等. 深部巷道围岩稳定性控制的基本理论与技术研究[J]. 中国矿业大学学报, 2021, 50(01): 1-12. [63] 侯朝炯. 深部巷道围岩控制的有效途径[J]. 中国矿业大学学报, 2017, 46(03): 467-473. [64] 宋振骐, 郝建, 石永奎,等. “实用矿山压力控制理论”的内涵及发展综述[J]. 山东科技大学学报(自然科学版), 2019, 38(01): 1-15. [65] 宋振骐, 蒋宇静, 刘建康. “实用矿山压力控制”的理论和模型[J]. 煤炭科技, 2017(02): 1-10. [66] 卢国志, 汤建泉, 宋振骐. 传递岩梁周期裂断步距与周期来压步距差异分析[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(4): 538-541. [67] 李成海, 柏建彪. 沿空留巷关键块大跨距下充填体参数确定[J]. 煤炭工程, 2018, 50(11): 38-42. [68] 张自政, 柏建彪, 王卫军等. 沿空留巷充填区域直接顶受力状态探讨与应用[J]. 煤炭学报, 2017, 42(08): 1960-1970. [69] 华心祝, 马俊枫, 许庭教. 沿空留巷巷旁锚索加强支护与参数优化[J]. 煤炭科学技术, 2004, 032(008): 60-64. [70] 王晓虎, 李迎富, 华心祝,等. 深部复合顶板下沿空留巷巷旁充填体合理宽度研究[J]. 煤炭工程, 2016, 48(10): 41-44. [71] 冯超, 刘少伟, 张小东,等. 切顶条件下综放沿空留巷充填体承载特征及合理宽度研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2023, 40(02): 232-242. [72] 王方田, 尚俊剑, 赵宾,等. 切顶卸压沿空留巷围岩结构特征及锚索强化支护技术[J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(11): 2296-2305. [73] 陈上元, 何满潮, 郭志飚,等. 深部沿空切顶成巷围岩稳定性控制对策[J]. 工程科学与技术, 2019, 51(05): 107-116. [74] 王晓卿, 张农, 阚甲广等. 大尺度混凝土巷旁墙体开裂机理及控制对策[J]. 中国矿业大学学报, 2017, 46(02): 237-243. [75] 韩昌良, 张农, 阚甲广等. 沿空留巷“卸压-锚固”双重主动控制机理与应用[J]. 煤炭学报, 2017, 42(S2): 323-330. [76] 韩昌良. 沿空留巷围岩应力优化与结构稳定控制[D]. 中国矿业大学,2013. [77] 赵一鸣, 张农, 郑西贵等. 千米深井厚硬顶板直覆沿空留巷围岩结构优化[J]. 采矿与安全工程学报, 2015, 32(5): 714-720. |
中图分类号: | TD353 |
开放日期: | 2024-06-24 |