硕士论文
摘 要
沿空留巷是煤矿解决煤炭资源采出率低,采掘接替不协调等问题的常用方法之一,其中无充填墙体、无煤柱、组合支架被动切顶的自然沿空留巷方法以其较好的技术经济优势得到广泛应用,在山西老母坡矿、兰花宝欣矿等 30 多个工作面进行了工业性试验,均取得较好的留巷效果.本文以老母坡矿 2104 工作面和5101 工作面为工程背景,研究自然沿空留巷方法的可行性及适用性.
自然沿空留巷成功实施的关键在于侧向顶板的及时垮落,因此本文研究了自然沿空留巷的结构模型,并提出侧向顶板的极限垮落步距的计算方法.本文认为沿空巷道围岩在受到采动影响的情况下,与巷内支护体系形成稳定的结构,将巷旁支撑系统布置在顶板极限垮落距离内,能够提供足够的支撑阻力,保证侧向顶板的及时破断,形成稳定的留巷空间.
以老母坡矿 5101 工作面为研究样本,分析沿空巷道顶底板的岩石物理力学参数及巷内支护体系的力学特性,在此基础上进行数值模拟分析,分析结果表明:工作面回采后,采场附近超前工作面前方 10~20m 范围内应力急剧升高,超过此范围应力降低到原岩应力水平,采空区后方应力逐渐稳定,有一定残余支撑强度.留巷空间内应力基本保持稳定,应力主要集中在巷道两帮,主要为采空区一侧.整个回采过程中工作面顶板呈现分段渐次垮落的特征,围岩变形量逐渐增大并趋于稳定,变形速度先增大后减小.
在上述研究结果基础上,分析留巷空间内围岩稳定性的重要影响因素,设计正交试验方案进行多因素模拟试验,得出在不同影响因素组合的试验方案下巷道围岩的相对移进率,建立工程条件和工程结果相对应的数据库,以层次分析法结合模糊数学相关内容对数据库进行分析,建立巷道围岩变形的预测模型,得出各影响因素的权值,最终形成综合评价围岩分级标准并依据分级进行支护参数推荐.
论文研究成果与老母坡矿 2104 工作面的工程实践情况相互印证,从理论与实践方面为自然沿空留巷方法的可行性与适用性提供了依据,具有显著的社会经济价值.
该论文有图 52 幅,表 18 个,参考文献 85 篇.
关键词:自然沿空留巷;侧向顶板垮落步距;影响因素权重;预测模型;围岩分级
Abstract
Gob-side entry retaining is one of common methods to solve the problems such aslow coal recovery ratio, mining and development replacement incoordination. Naturalgob-side entry retaining, with hydraulic support but without filling wall or coal pillar,which is widely used because of technology economy advantage. Its advantages areproved by a series of industrial experiment in LaoMuPo Mine, LanHuaBaoXin Mineand so on. This paper investigates the feasibility and applicability of natural gob-sideentry retaining based on the background of workface 2104 and 5101 in LaoMuPo Mine.
The key to successful engineering practice is lateral roof collapse timely, so thispaper study the structure model of natural gob-side entry retaining, and put forward thecalculation method of lateral roof's limit collapse drawing pace. This paper think thatgob-side entry surrounding rock form stable structure with support system in roadwaybeyond the influence of mining. Put the roadside support system in the range of rooflimit collapse drawing pace, providing sufficient holding power, can ensure lateral roofbreaking timely and form stable gob-side entry space.
Take workface 5101 in LaoMuPo Mine as a research sample, and analyse the rockphysical and mechanical properties of gob-side entry retaining roof and floor, thendevelop numerical simulation on this basis. The analysis results show that after miningthe stress increases drastically in front of stope, and the stress gradually decreased torock stress when the distance is more than 40m. The stress in goaf is gradually stablewith residual support strength. The stress in gob-side entry stay stable, and stay focusin roadway wall, mostly in goaf side. The whole process of mining present acharacteristic of sensim collapse, which means the rock deformation graduallyincreases then become stable, and the deformation velocity increases at first thendecreases.
Based on the study mentioned above, analyse the important influence factors ofgob-side entry stablities, and design orthogonal test to study multiple factors numericalsimulation. The research result show different rock deformations in different conditions,then build a database of engineering conditions and results. Combined analytichierarchy process and fuzzy mathematics to research the database above, then build aprediction model of rock deformation and calculate the factors weight, finally form astandard of comprehensive evaluation and support parameter recommendation.
The research result of the paper is mutual verification with engineering practice ofworkface 2104 in LaoMuPo Mine, provide the feasibility and applicability evidencesof natural gob-side entry retaining from theory and practice view. This paper is full ofsignificantly social and economic value.
Keyword: Natural gob-side entry retaining; Lateral roof collapse drawing pace;Factors weight; Prediction model; Rock classification
目 录
摘 要 ............................................................. I
目 录 ............................................................ IV
图清单 .......................................................... VIII
表清单 ............................................................ XI
变量注释表 ....................................................... XII
1 绪论 ............................................................. 1
1.1 研究背景与意义 .................................................1
1.2 国内外研究现状综述 .............................................2
1.3 存在的主要问题 .................................................6
1.4 主要研究内容与技术路线 .........................................7
2 自然沿空留巷覆岩结构演化规律研究与基础实验 ....................... 9
2.1 自然沿空留巷结构与力学特性 .....................................9
2.2 沿空留巷侧向顶板岩层破断机理 ..................................15
2.3 岩层物理力学参数及主要支护材料性能测试 ........................21
2.4 本章小结 ......................................................31
3 自然沿空留巷方法数值分析与关键影响因素研究 ...................... 33
3.1 数值模拟结果及分析 ............................................33
3.2 围岩稳定性关键影响因素分析 ....................................39
3.3 正交试验方案设计与及影响因素权重分析 ..........................42
3.4 本章小结 ......................................................45
4 自然沿空留巷围岩稳定性综合评价模型 .............................. 47
4.1 评价原则与评价方法 ............................................47
4.2 基于层次分析法的预测模型 ......................................48
4.3 围岩稳定性综合评判 ............................................54
4.4 本章小结 ......................................................55
5 老母坡矿 2104 工作面自然沿空留巷工业性试验 ....................... 57
5.1 试验巷道生产地质条件 ..........................................57
5.2 2104 工作面沿空留巷围岩控制技术 ................................58
5.3 留巷区域稳定控制效果监测 ......................................61
5.4 小结 ..........................................................66
6 主要结论 ........................................................ 68
参考文献 .......................................................... 70
作者简历 .......................................................... 75
学位论文原创性声明 ................................................ 76
学位论文数据集 .................................................... 77
1 绪论
1.1 研究背景与意义
煤矿工作面回采巷道的沿空留巷技术在我国已得到广泛应用,沿空留巷技术自国外引进后,经过长期工程实践的探索总结,结合我国煤矿的地质条件、回采与支护方式等已发展出一套完整体系[1].沿空留巷技术的大规模应用提高了煤炭资源的回收率,优化了采区的回采工作面接替,降低了吨煤巷道掘进率,对矿井的生产建设具有重要的安全开采效益和经济效益.
沿空留巷回采是实现工作面无煤柱开采的方式之一,它适用范围广,技术难度低,经济效果好,此项技术不仅能够提高煤炭资源回收率,减少吨煤巷道掘进量,缓解采掘接替矛盾[2, 3],还可以结合矿井资源规划特点,选择不同类型的沿空留巷方法,从而实现绿色开采、安全开采等目标.沿空留巷技术的发展,从根源上改变了传统工作面的采煤方法,优化通风线路,减少工作面搬家次数,避免孤岛工作面,实现工作面前进式和往复式连续开采.特别是在沿空留巷的实践中,留巷要经历重复采动影响,对无充填墙体沿空留巷技术进行研究,成功解决了重复采动时留巷支护难的问题,保证沿空留巷技术顺利实施.
在实行常规的沿空留巷方法时,根据煤层的赋存条件和开采支护方式常常需要留设 20~50m 不等的保护煤柱[2, 4],保护煤柱的煤炭资源损失占全矿井煤炭资源损失的 40%左右,由此可见,保护煤柱存在着潜在的巨大经济效益.因此,在保证区段巷道安全系数的前提下,研究如何减小保护煤柱的宽度甚至取消保护煤柱是一项重要的煤矿安全开采技术的突破,能够带来巨大的技术经济效益.
基于沿空留巷的无煤柱连续开采技术在我国煤矿已得到普遍使用,根据是否进行人工砌筑充填墙体分为砌筑式沿空留巷法和无充填墙体式沿空留巷法,其中无充填墙体沿空留巷法因其工艺简单、成本低廉和成巷效果良好等优势获得行业内较高的认可,通过理论研究和技术创新,无充填墙体沿空留巷法的适用范围越来越广,能较好地适应不同煤厚、不同煤层倾角和不同瓦斯含量的矿井.中国矿业大学郑西贵教授课题组为解决顶板因充填墙体或保护煤柱的存在形成长悬臂梁,顶板不能及时破断,充填墙体或煤柱承受较大压力情形下,采用单体支柱结合铰接顶梁进行巷内辅助支护,采用柔膜喷涂隔离采空区,实现无煤柱、无充填墙体及组合支架被动切顶的沿空留巷方法,形成了自然沿空留巷方法成套技术.
自然沿空留巷方法成套技术在山西古县老母坡矿、兰花宝欣矿等矿井已得到成功应用[5],其中在老母坡矿已连续建成15个使用自然沿空留巷方法的工作面,建成国家一级示范矿井,积累了丰富的实践经验.由切顶短臂梁理论[6, 7]发展而出的自然沿空留巷方法,其主要目标是判断巷道顶板是何种性质时,在经受一次采动影响下能够自然形成切顶短臂梁结构.在适宜的时间,以合适的方式,加快顶板破断、回转速度,缩短采动应力作用时间,降低支承应力集中程度,实现留巷区域内应力场分布的优化[8, 9];合理的留巷方式能够更快地稳定上覆岩层地变形运动,降低工作面回采对留巷空间地影响范围和时间,优化围岩内部应力分布.但是由于煤矿地质条件复杂多变,不同地区,不同矿井,不同煤层的地质条件变化较大,其支护机理也因此不同,还没有形成健全的自然沿空留巷支护体系,工程应用中往往依靠经验来进行判别,自然沿空留巷方法是否需要进行人工切顶以及切顶方式的合理选择仍有很多难题,需要进一步的研究才能解决.
本文将以老母坡矿已经成功实施自然沿空留巷的工作面作为工程对象,系统研究沿空巷道侧向支承压力分布特征与矿压显现影响范围等难题.在此基础上运用科学合理的研究手段,分析巷道层位选择、巷道尺寸设计、煤层赋存及顶底板岩性等因素对于沿空巷道稳定性的影响,从而有针对性地进行巷内支护设计、巷旁辅助支撑设计、加强支护设计和煤帮加固等,从而形成一套自然沿空留巷方法可行性判别依据.本文的研究成果将促进无充填墙体自然沿空留巷技术的发展,为沿空留巷工作面的顶板控制技术提供指导和借鉴,提升矿井安全生产水平、积累技术优势、增加企业和社会经济效益.
1.2 国内外研究现状综述
1.2.1 沿空留巷理论与技术发展现状
(1)国外研究现状
沿空留巷技术发展自 20 世纪 60 年代的德国、英国、前苏联等国家[10-12],技术应用经过了多个矿井工作面长期来的工程实践与理论研究.沿空留巷方法的实现基本实现无煤柱开采,因此也得到了大力的推广.沿空留巷技术的应用主要在于解决巷内和巷旁支护形式的难题.技术发展的初期,巷内多采用传统的木垛、矸石带等形式进行支护,因支护强度不足改用可缩金属支架,取得较好的支护效果;在巷旁支护阻力与隔离采空区的形式上,各国根据自身资源与技术特点,提出不同的解决手段.如德国[13, 14]在沿空巷道与采空区中间充填石膏、硅酸盐水泥、矸石加胶结料等速凝材料,高强度充填墙体的应用有效减少了重型金属支架的使用,解决了金属支架无法适应围岩大变形的问题,同时缓解了巷道围岩的变形,减少巷道后期的修复工程量,具有良好的技术经济优势.英国[15]采用矸石带配合高水材料进行巷旁充填,此充填墙体具有密闭性好,强度高,防火性能佳等优点,常应用于高瓦斯煤层沿空留巷,同时发展出高水速凝材料泵送的辅助充填系统,取代人工充填和机械充填,大大提高了充填墙体的布置效率.前苏联[16]针对无煤柱沿空留巷的顶板围岩稳定性进行分级,研究顶板岩层在煤层回采时的矿压显现规律,针对性地提出相应的支护方案,结合大量的现场工程实践和理论研究,总结出无煤柱沿空留巷开采地技术措施和适用条件,其中易垮落顶板能够较好地适用无煤柱沿空留巷技术.目前,国外煤矿开采中已有约 1/3~1/2 均已采用沿空留巷技术,从浅层埋深到千米深井的薄及中厚煤层均有成功应用的案例.
国外从沿空留巷技术出现的早期便一直致力于理论基础的研究,并提出多种适用的理论与力学结构模型.前苏联学者将采场矿压的研究方法推广到巷道的矿压研究中,建立起沿空巷道悬梁模型[17],解决沿空巷道侧向顶板破断与巷内支护体工作阻力间的对应关系.英国学者 Smar 通过控制留巷空间内顶板下沉量,关注顶板的回转变形,重点研究顶板倾斜的角度以及转动的支点位置,建立了顶板倾斜力学模型[18].英国学者 Whittaker 将采场矿压研究方法推广到巷道矿压显现规律研究中,建立起分离岩块结构模型[19],在不受回采动压扰动的情形下研究围岩结构的静力关系.
(2)国内研究现状
我国从上世纪 50 年代开始研究沿空留巷技术,多年不懈的理论研究与工程实践积累了大量地工程经验,极大地推动了沿空留巷技术地发展.早期阶段煤矿在无煤柱护巷过程中,巷内支护阻力与顶板来压不匹配,金属刚性支架的特性与顶板下沉的特性不匹配,造成巷道变形严重且难以维护等问题[20].为解决这类问题,现场逐渐发展出密集支柱、矸石带等作为巷旁支护[21],相比于单纯提高支架阻力有了较好的效果.中期阶段原有的木垛支护、金属刚性支架由金属可缩性支架所代替,金属可缩性支架具有一定的让压能力,能很好的适应顶板来压与下沉特性[22];巷旁支护的墙体材料也由矸石发展到高水材料、膏体材料等.沿空留巷技术发展至今,巷内与巷旁支护形式一直与装备制造等技术的发展在同步进步,目前阶段下矿井巷内采用锚梁网索联合支护[23],研制出多种类型的充填支架、充填材料及泵送系统等巷旁墙体充填工艺配套设施.
我国许多学者在沿空留巷理论研究方面也做了大量工作.中国矿业大学何满潮针对落后粗放式的沿空留巷方法在不具备优势、经济效益不明显的情况下,创新性地提出了切顶卸压沿空留巷新技术[6, 7, 24],研究了采空侧顶板预裂卸压机理,建立围岩-支护体稳定承载结构的模型,提供了巷内辅助支撑阻力的计算方法,新技术的发展应用逐渐形成了切顶短臂梁理论体系,成功解决了留巷空间成型和支护多方面的难题.
山东科技大学宋振骐[25]研究了砌筑式沿空留巷墙体材料的支撑性能,提出以采空区垮落矸石为骨架,结合新型高分子材料形成护巷充填墙体,此模式不仅减少矿山的矸石污染,还能在一定程度上减轻地表沉陷,从而多维度地实现煤矿的绿色开采.
侯朝炯[4, 26, 27]系统研究了沿空巷道内围岩稳定的结构机理,提出沿空巷道围岩内存在大、小结构,根据该原理发展出的锚杆支护理论解决了巷内支护的难题,研究了提高锚杆预紧力和支护强度对保持围岩小结构稳定性的重要意义,形成了使用锚杆强化围岩强度,充分利用围岩自身的承载能力的支护理念.
李学华[28]归纳总结不同顶板巷道围岩变形破坏的特征,分析了围岩破坏过程中岩体破坏的形式和裂隙演化规律,揭示了不同类型巷道顶板灾害发生的一般规律.研究表明:围岩破坏通常从自由面开始产生微观裂隙,在上覆岩层运动变形的影响下,微观裂隙逐渐扩展形成结构弱面,因此控制巷道围岩变形的有效方法之一是用合理的锚固方式将围岩裂隙发育区限制锚固作用范围内.据此建立了分顶、分区的围岩控制技术体系,包括高性能锚杆支护技术、预应力锚索强化技术以及注浆加固技术,并成功地应用于工程实践.
韩昌良[2, 9, 29]对比了采场围岩结构与沿空留巷区域的结构变形特征,分析了巷道与采场之间的应力传递关系,对采空区进行卸压能有效降低采场和巷道内的应力峰值,抑制围岩变形速度,同时揭示了侧向顶板应力传递机制,提出侧向楔形承载区的概念.其理论认为控制沿空留巷稳定性的关键在于主动控制巷道顶板楔形结构的形成,由此发展出巷道顶板超前预裂技术.
阚甲广[8, 30]研究了留巷区域内应力和变形特征与工作面回采过程之间的联系,认为围岩破坏与应力分布受工作面推进的阶段性影响,提出在采动应力波动时进行巷道围岩支护体系的让压,对巷道及采场进行整体强化的思想.结合高强度锚杆支护、高强度充填墙体布设和强力控顶支架形成全面有效的支护承载体系.
郑西贵[31-33]针对不同尺寸的煤柱在经受采动影响后其中的应力分布情况进行了研究,同时分析采动影响下巷道顶板变形破坏规律,揭示了煤柱宽度对于巷道侧向应力演化的影响,总结出快速判断最佳护巷煤柱尺寸的方法,优化巷内支护体系,为无煤柱、无充填墙体的沿空留巷提供了理论基础.
孙恒虎[3, 34]等根据岩体分层的特性,做出了巷道顶板岩层各层之间结合不紧密假设,即层与层之间不存在粘结力,在此前提下将巷道顶板抽象为叠加梁或叠加板.叠加梁理论认为沿空留巷围岩稳定的关键在于控制较短边的载荷分布及变化,该理论在实际应用中存在一定的局限性.
朱德仁[35-37]在研究了采场力学模型和巷道围岩结构的基础上,提出在工作面端头部位应力较为集中,且处于悬空状态,顶板可能沿结构弱面断裂,形成三角形悬臂梁结构.通过对比此模型与采场上覆岩层的结构特征、变形运动规律和应力分布状态,可以更好地认识到沿空留巷开采体系里采场与巷道的整体协调关系.
在针对沿空留巷变形规律的研究基础上,煤矿依据沿空留巷是否进行充填与切顶,大致可将我国沿空留巷技术分为以下三种:
①基于定向爆破和恒阻大变形锚索的切顶留巷法
何满潮带领研究团队科研攻关,提出短臂梁理论,建立留巷空间内的力学结构模型,革新了工作面回采巷道布置方式和回采工艺,实现采区内只需在初期布置一条回采巷道,之后的回采巷道在工作面回采的同时自动成巷的"N00 工法".该工法将工作面回采与回采巷道掘进融合为一体,同时研发出适用于"N00"工法的回采、锚固、切顶及封闭采空区的配套设施,该技术体系已在陕煤集团神南柠条塔矿业公司成功实施,实现采区内的连续生产,取得较好的技术经济效果.
②人工切顶沿空留巷
切顶沿空留巷是煤矿选择沿空留巷方式回采时的常用方式,尤其在顶板及其坚硬难以自行垮落的区域,必须使用爆破、水压致裂的方法让侧向顶板断裂.常见的技术方案是:工作面回采前给顶板补打高强度恒阻大变形锚索进行补强加固,在顶板与煤壁交线位置布置爆破钻孔,顶板预裂卸压形成切缝线;工作面回采后,利用单体液压支柱结合钢梁进行巷内辅助加强支护,同时兼做辅助切顶的功效.
③充分利用矿山压力的无爆破无充填体的自然沿空留巷方法
郑西贵在研究不同煤柱宽度对巷道围岩稳定性的变化规律基础上,进行理论计算推导和数值模拟的研究,提出取消护巷煤柱,优化巷内支护与围岩结构的承载体系,加强巷内辅助支撑的支护阻力,形成无煤柱、无充填墙体的自然沿空留巷方法.该方法适用于顶板较完整且能够自行垮落的回采工作面,巷内架设密集单体支柱配合十字铰接顶梁形成的被动切顶支架,保证顶板的及时破断,自然形成稳定留巷空间.该沿空留巷方法在冀中能源公司下多个煤矿实现工程应用,其中在老母坡矿和兰花宝欣矿建成了多个无煤柱无充填沿空留巷工作面,解决了采掘接替紧张,提高煤炭资源回收率,延长矿井服务年限.
1.2.2 影响因素评价与地质模型建立研究方法
煤矿巷道处在人-设备-环境等多因素共同影响的复杂系统中[38],与巷道稳定性有关的各影响因素之间相互关联,但又有不同的发生机理.煤矿发展早期,工人依据生产经验,使用敲帮问顶等方式判断巷道的稳定性,在一定范围内对巷道可能存在的变形破坏有预警作用,但不具有普遍性,判断结果带有较强的主观性,缺乏理论依据.
谢和平[39, 40]针对现在仍处于初级阶段的煤矿生态,从多个方面着手改变现阶段粗放式的资源开采方式,把握住煤炭资源"科学开采"和"科学产能"的核心,争取达到工作面无人化生产、绿色化生产的目标.据此从多个维度对科学产能进行评价,包括生产安全维度、生产机械化程度和生产绿色环保程度,以发达国家科学产能作为基准,建立科学产能评价体系.
邹喜正[41, 42]等研究了巷道围岩稳定性分类的标准,提出将原始数据进行模糊聚类预处理,并应用层次分析法分析有哪些因素影响回采巷道围岩的稳定性,确定每个影响因素的权值.
牛少卿、杨双锁等[43, 44]研究了巷道围岩稳定的分级标准,在结合围岩结构特性及应力分布特征的基础上,以强度准则作为巷道围岩失稳条件,通过理论分析影响因素的效果,给出了围岩稳定性分类标准,并通过分类标准进行针对性的支护设计.
张嘉勇[45, 46]针对巷道围岩稳定性的关键影响因素进行了相似模拟实验研究,从地质条件、支护方式、巷道施工工艺等方面对巷道围岩变形进行评价,提出模糊数学综合评判结合层次分析法进行影响因素的定性定量分析,结合煤矿巷道顶板事故发生的特点和条件,计算各影响因素的权值.
于鑫[47]等分析比较了影响巷道围岩稳定的巷道宽度、高度、埋深、侧压系数和围岩综合强度等多个影响因素,设计正交试验方案研究因素的影响范围及大小,结合相似材料模拟实验进行对比验证.
刘晓云[48]针对地质工程的复杂性和不确定性特点,建立不确定信息的综合处理体系.先根据实际地质条件,运用未确知测度理论,从覆岩结构、煤体赋存、施工布置、支护方案和实际使用效果等多个方面选取共 11 项影响因素,通过工程实践过程中收集的实测数据建立样本数据库,根据此数据库建立未确知测度函数,可以确定巷道围岩稳定性评价等级,并依据评价等级进行稳定程度排序.运 用定性分析手段研究评价体系中的关键因素,运用熵原理定量计算关键因素权值,同时按照置信度识别准则对巷道类别进行判定.
许满贵[49]综合分析了多种不确定信息处理方法的优缺点和适用条件,选用复杂且精确度较高的模糊数学法结合神经网络法进行不确定信息的处理,充分利用了模糊数学能够综合评判和神经网络拥有自学习能力的特点,建立模糊神经网络模型.该模型能够通过评价的过程不断地完善自身,具有并行计算和在全局范围内寻找最优解的能力,适用于影响因素和权值都在不断变化的大型复杂系统的预测.
针对复杂系统的不确定信息处理,通常难以获得精确清晰而且可靠的结果,每种分析方法都有自身的适用性与局限性[50],对于本文中将进行的巷道稳定性模型,应在综合分析多种信息处理方法的优缺点后选择最为合适的.
…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件
6 主要结论
本文以老母坡矿 5101 工作面作为工程背景,采用理论分析、物理力学实验及数值模拟等手段研究了无煤柱、无充填墙体、组合支架切顶的自然沿空留巷方式在不同工程地质条件下的可行性,运用层次分析法结合模糊数学法建立了沿空巷道围岩稳定性综合评价体系,并与老母坡矿 2104 工作面的工程实践进行相互验证.本文研究过程中得出的主要结论如下:
(1)解释了自然沿空留巷结构的特点和稳定性机理,以及侧向顶板如何破断形成稳定留巷空间.自然沿空留巷是指留巷空间内不留煤柱、不设充填墙体,通过在巷内布置强力的辅助支撑进行被动切顶的一种沿空留巷方式,其结构的稳定在于形成"围岩-支护"体系,其关键在于在合适的时机和空间位置上布置有效的支护体系形成有效的承载体系.
(2)分析了巷道顶底板岩石物理力学性质及主要支护材料力学性能,在此基础上进行了老母坡矿 5101 工作面的数值模拟研究,数值模拟结果表明,自然沿空留巷方法能够形成稳定的留巷空间,巷道围岩的应力及位移分布在工作面回采过程中保持较好的稳定状态,呈现分段渐次垮落特征.在工作面连续推进过程中,应力峰值也逐渐向前移进,应力峰值主要集中在工作面端头附近;滞后工作面40~60m范围内采空区应力值已基本降低到稳定状态;巷道两帮承受载荷较大,留巷空间内顶板受力状况良好.
(3)分析总结了影响留巷围岩稳定性的关键因素,设计了正交试验进行数值模拟研究,正交试验结果初步分析表明,各影响因素重要性排序为:I(埋深)>I(巷道高度)>I(顶板岩性)>I(采高)>I(巷道宽度)>I(侧压系数),其中多因素对巷道围岩移进率的整体影响趋势趋近线性相关.
(4)建立了沿空留巷围岩顶底板相对移进率的线性预测模型:
y=0.006A-0.005B+0.004C-0.008R+0.0003H-0.002λ
该模型的决定系数 R2 在合理范围内,残差满足正态分布,预测模型可靠性较高.基于层次分析法计算了关键因素的影响权值,得出[巷道宽度 A,巷道高度 B,采高 C,煤层埋深 H,直接顶岩体质量等级 R,侧压系数 λ]的权值为[0.10,0.09,0.08,0.27,0.46,0.01],判断矩阵通过一致性检验.建立了巷道围岩类别的隶属度函数,并依此进行支护参数设计.综合上述研究,形成自然沿空留巷方法的可行性与适用性评判体系.
(5)以老母坡矿 2104 工作面的实际工程应用对本文的研究进行了验证,围岩相对移进率估计值为 6.97%,实际工程中巷道围岩相对移进率约为 12%,巷道回采侧帮部变形占据主导地位,受采动的影响大,距离工作面越近,变形量及变形速度越大;距工作面越近时,巷道顶板下沉越占据主导地位;底板变形受到较为强烈的采动影响,距离工作面越近,底鼓变形量及变形速度越大.巷道两帮与顶底板变形趋势与预测结果较好的吻合,实践证明了无煤柱、无充填墙体沿空留巷方式的可行性,验证了本文所建立巷道围岩综合评价体系的可靠性.
致 谢
彭城春日,天朗气清,身处校园中,细数在矿大求学七年时光.这里的一切都在塑造着我的精神,烙印在我的成长道路上.我相信,在中国矿业大学的经历值得我铭记一生.
首先感谢我的导师,郑西贵教授,他优秀的做人品质、严谨的治学态度、谦逊的处事风格以及忘我的工作精神都潜移默化地影响着我.从论文的开题、研究方向的确定到最终的成稿,每一步都饱含着老师的谆谆教诲.很多次老师会关切地询问论文的进展情况,指导我关键问题的解决思路.正是老师严格的要求、和蔼可亲的教导,使我有了前进的动力.研究生的三年学习时光,正是在老师极具人格魅力的带领下,心怀梦想脚踏实地地走过.
感谢山西古县老母坡煤业有限公司的刘春雷总工及曹伟康科长在现场实践和基础资料收集方面所给予的帮助和指导,感谢技术科杨志强、王进锋等人对科研项目的支持,在校外实践的过程当中,我感受到独属于矿业工作者的豪爽与洒脱,同时他们身上坚忍不拔的精神也深深地影响到我.
论文的成稿离不开巷道围岩控制课题组的老师、同门师兄弟的无私帮助,忠心感谢姚强岭教授、冯晓巍讲师、种照辉讲师等在课题组内部答辩时给予的指导,感谢郭玉博士、安铁梁博士在论文思路上给予的意见,感谢刘灿灿博士、朱登兴硕士等在论文写作及数值模拟过程中给予的帮助,特别感谢马昂硕士、李之尚硕士、王刚硕士、王济宇硕士、段强强硕士、许梦斌硕士等同门师兄弟在资料收集、实验操作等方面的做出的工作与帮助,在巷道围岩控制课题组与这样一群优秀的人共事是我的荣幸.
感谢矿业工程学院、深部煤炭资源开采教育部重点实验室、采矿系的各位老师、领导在科学研究上的支持与指导,感谢他们为学生提供的优越的科研平台和良好的生活环境.感谢我的家人,他们无私的爱与支持,是我在自己成长的道路上最坚强的后盾.
勤奋求实进取奉献的矿大校风,好学力行、求是创新、艰苦奋斗、自强不息的矿大精神都在指引着我前进的方向,我将在中国矿业大学其独特魅力的影响下真正成为一名矿大人,我为身为矿大学子而自豪.
最后,向百忙之中审阅本文和参加论文答辩的各位老师致谢,由于本文水平有限,文章中难免有谬误之处,还望专家、教授斧正,不甚感激!
参考文献
[1] 侯朝炯,勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究[J]. 岩石力学与工程学报,2000(03):342-345.
[2] 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.
[3] 孙恒虎, 吴健, 邱运新. 沿空留巷的矿压规律及岩层控制[J]. 煤炭学报, 1992(01):15-24.
[4] 侯朝炯, 李学华. 综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理[J]. 煤炭学报, 2001(01):1-7.
[5] 曹伟康. 沿空留巷技术在老母坡矿的应用[J]. 煤炭与化工, 2016(01):95-98.
[6] 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(05):959-969.
[7] 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(06):1314-1325.
[8] 阚甲广, 张农, 李宝玉, 等. 典型留巷顶板条件下巷旁充填体支护阻力分析[J]. 岩土力学,2011(09):2778-2784.
[9] 韩昌良, 张农, 李桂臣, 等. 大采高沿空留巷巷旁复合承载结构的稳定性分析[J]. 岩土工程学报, 2014(05):969-976.
[10] Smart B G D, Halesy S M. Further development of the roof strata tilt concept for pack designand the estimation of stress development in a caved waste[J]. Mining Science and Technology,1987,5(2):121-130.
[11] Brown E T. Reducing risks in the investigation, design and construction of large concretedams[J]. Journal of rock mechanics and geotechnical engineering, 2017,9(2):197-209.
[12] Ortlepp W D, Stacey T R. Performance of tunnel support under large deformation static anddynamic loading[J]. Tunnelling and Underground Space Technology incorporating TrenchlessTechnology Research, 1998,13(1).
[13] Whittaker B N, Woodrow G. Design loads for gateside packs and support systems[J]. MiningEngineer, 1977,136:263.
[14] Whittaker B N, Singh R N. Design and stability of pillar in long wall mining[J]. MiningEngineer, 1979,13:68-72.
[15] Majdi A, Hassani F P, Cain P. Two new barrier pillar design methods for longwall mining[J].Engineering Geology, 1991,13(3):323-336.
[16] Bjurstrom S. Shear strength of hard rock joints reinforced by grouted untensioned bolts[J]. Proc.3rd Cong. ISRM, Denver, 1974,2:1194-1199.
[17] 王卫军, 侯朝炯, 柏建彪, 等. 综放沿空巷道底板受力变形分析及底鼓力学原理[J]. 岩土力学, 2001,22(3):319-322.
[18] 付建新. 中深孔开采急倾斜薄矿体采场顶板力学模型及围岩扰动规律研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2014(S1).
[19] 陈 绍 杰 . 条 带 煤 柱 膏 体 充 填 开 采 覆 岩 结 构 模 型 及 运 动 规 律 [J]. 煤 炭 学 报 ,2011,36(7):1081-1086.
[20] 陈智纯, 高彩鹏. 双向可缩性金属支架的研究与应用[J]. 建井技术, 1994(3):35-38.
[21] 高福亮. 利用煤矸渣砼实施沿空留巷技术[J]. 煤炭技术, 2005,24(5):85-86.
[22] 吴绍倩, 伍永平. 巷道金属可缩性支架实验分析和改进意见[J]. 煤炭科学技术,1990(5):32-33.
[23] 张炜, 张东升, 王旭锋, 等. 大断面回采巷道锚梁网索联合支护效果分析[J]. 煤炭工程,2008(7):64-66.
[24] 张国锋, 何满潮, 俞学平, 等. 白皎矿保护层沿空切顶成巷无煤柱开采技术研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2011(04):511-516.
[25] 宋振骐, 崔增娣, 夏洪春, 等. 无煤柱矸石充填绿色安全高效开采模式及其工程理论基础研究[J]. 煤炭学报, 2010,35(5):705-710.
[26] 李学华张农侯朝炯. 综采放顶煤面沿空巷道合理位置确定[J]. 中国矿业大学学报,2000(02):186-189.
[27] 侯朝炯. 煤巷锚杆支护的关键理论与技术[J]. 矿山压力与顶板管理, 2002(01):2-5.
[28] 李学华, 梁顺, 姚强岭, 等. 泥岩顶板巷道围岩裂隙演化规律与冒顶机理分析[J]. 煤炭学报, 2011(06):903-908.
[29] 韩昌良, 张农, 姚亚虎, 等. 沿空留巷厚层复合顶板传递承载机制[J]. 岩土力学,2013(S1):318-323.
[30] 阚甲广 , 袁 亮 , 张 农 , 等 . 留 巷 充 填 区 域 顶 板 承 载 性 能 研 究 [J]. 煤炭学报 ,2011(09):1429-1434.
[31] 郑西贵, 姚志刚, 张农. 掘采全过程沿空掘巷小煤柱应力分布研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2012(04):459-465.
[32] 郑西贵, 张农, 袁亮, 等. 无煤柱分阶段沿空留巷煤与瓦斯共采方法与应用[J]. 中国矿业大学学报, 2012(03):390-396.
[33] 郑西贵, 白云勃. 深井沿空留巷充填区顶板支护技术[J]. 煤矿开采, 2012(03):42-45.
[34] 胡华, 孙恒虎. 矿山充填工艺技术的发展及似膏体充填新技术[J]. 中国矿业,2001(06):49-52.
[35] 朱德仁, 申冠海. 沿空留巷支架与围岩关系的探讨[J]. 煤炭学报, 1982(03):67-76.
[36] 朱德仁, 张鲁渝, 陈士良, 等. 沿空留巷围岩应力测定和分析[J]. 中国矿业学院学报,1982(03):34-43.
[37] 朱德仁, 钱鸣高, 徐林生. 坚硬顶板来压控制的探讨[J]. 煤炭学报, 1991(02):11-20.
[38] 钱鸣高. 绿色开采的概念与技术体系[J]. 煤炭科技, 2003(04):1-3.
[39] 谢和平, 周宏伟, 薛东杰, 等. 我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程[J]. 煤炭学报,2014(08):1391-1397.
[40] 谢和平, 王金华, 申宝宏, 等. 煤炭开采新理念--科学开采与科学产能[J]. 煤炭学报,2012(07):1069-1079.
[41] 邹喜正, 漆太岳. 应用层次分析法确定影响回采巷道围岩稳定性各因素的权值[J]. 矿山压力, 1989(01):10-13.
[42] 邹喜正, 朱明华. 对模糊聚类分析中原始数据预处理研究[J]. 煤矿开采, 1994(01):17-20.
[43] 牛少卿, 杨双锁, 李义, 等. 岩体结构类型对深井巷道围岩的稳定性影响研究[J]. 矿业安全与环保, 2014(02):24-27.
[44] 牛少卿, 杨双锁, 李义. 基于岩体强度理论的巷道围岩稳定性分级[J]. 金属矿山,2013(12):16-19.
[45] 张嘉勇, 巩学敏, 郭立稳. 用层次分析法建立煤矿安全评价指标体系[J]. 中国矿业,2006(04):20-22.
[46] 张嘉勇, 郭立稳, 邱利, 等. 模糊数学理论在煤矿巷道稳定性评价中的应用[J]. 矿业安全与环保, 2007(04):23-25.
[47] 于鑫, 秦忠诚. 影响巷道稳定性因素的正交数值模拟试验研究[J]. 煤炭技术,2015(07):68-71.
[48] 刘晓云, 叶义成, 刘洋, 等. 基于未确知测度理论的巷道稳定性评价[J]. 安全与环境学报, 2017(01):26-31.
[49] 许满贵. 煤矿动态综合安全评价模式及应用研究[D]. 西安科技大学, 2006.
[50] 尚慧. 宁夏矿山地质环境评价与动态监测分析[D]. 长安大学, 2013.
[51] Huang W, Gao Y, Wen Z, et al. Technology of gob-side entry retaining using concrete-filledsteel tubular column as roadside supporting[J]. Journal of China University of Mining &Technology, 2015,44(4):604-611.
[52] Li A, Mine C. Research and application of key technology to deep mine gob-side entryretaining[J]. Coal Science & Technology, 2016.
[53] Han C L, Zhang N, Li B Y. Control Technology and Application for Surrounding RockDeformation in T-Junction Area of Gob-Side Entry Retaining[J]. Advanced Materials Research,2014,838-841:7.
[54] Niu S, Yang S, Yi L I, et al. Study on Influence of Rock Mass Structure Type on SurroundingRock Stability of Deep Mine Roadway[J]. Mining Safety & Environmental Protection,2014,1073-1076:2135-2144.
[55] Anterrieu O, Chouteau M, Aubertin M. Geophysical characterization of the large-scale internalstructure of a waste rock pile from a hard rock mine[J]. Bulletin of Engineering Geology & theEnvironment, 2010,69(4):533-548.
[56] Hagan T O. A case for terrestrial photogrammetry in deep-mine rock structure studies[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences & Geomechanics Abstracts,1980,17(4):191-198.
[57] 特厚复合顶板巷道支护结构与围岩稳定的耦合控制研究[Z]. 太原理工大学, 2013.
[58] 徐亚民. 付村煤矿综放工作面回采巷道超前支架支护实践[J]. 煤炭科学技术,2010,38(7):35-37.
[59] 王其洲, 谢文兵, 荆升国, 等. 动压影响巷道U型钢支架-锚索协同支护机理及其承载规律[J]. 煤炭学报, 2015,40(2):301-307.
[60] 王作棠,周华强,谢耀社. 矿山岩体力学[M]. 2011.
[61] 李东升, 李德海, 宋常胜. 条带煤柱设计中极限平衡理论的修正应用[J]. 辽宁工程技术大学学报, 2003,22(1):7-9.
[62] 侯朝炯, 马念杰. 煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨[J]. 煤炭学报,1989(4):21-29.
[63] 于远祥, 洪兴, 陈方方. 回采巷道煤体荷载传递机理及其极限平衡区的研究[J]. 煤炭学报, 2012,37(10):1630-1636.
[64] 康红普. 应力状态及围岩性质对巷道底臌的影响[J]. 矿山压力与顶板管理, 1994(2):43-46.
[65] 康红普, 林健, 颜立新, 等. 山西煤矿矿区井下地应力场分布特征研究[J]. 地球物理学报, 2009,52(7):1782-1792.
[66] 许宏发, 周建民, 吴华杰. 国标岩体质量分级的简化方法[J]. 岩土力学, 2005(s2):88-90.
[67] 徐建平, 胡厚田, 张安松, 等. 边坡岩体物理力学参数的统计特征研究[J]. 岩石力学与工程学报, 1999,18(4):382.
[68] Wang F, Cui T J. The Comprehensive Safety Evaluation Method on the Safety Situation of IronMine Based on AHP and Extension Theory[J]. Advanced Materials Research, 2013,616-618:5.
[69] Yin T, Wang P, Zhang M. Analysis and Evaluation of Safety in Underground Metal Mine basedon AHP and Fuzzy Evaluation Method[J]. Gold Science & Technology, 2015.
[70] Wang Y, Zhong Xue Li. AHP-based mine tailing dam safety assessment[J]. Journal of LiaoningTechnical University, 2011.
[71] 张吉军. 模糊层次分析法(FAHP)[J]. 模糊系统与数学, 2000,14(2):80-88.
[72] 郭金玉, 张忠彬, 孙庆云. 层次分析法的研究与应用 [J]. 中国安全科学学报 ,2008,18(5):148-153.
[73] 马立平. 层次分析法[J]. 数据, 2000(7):38-39.
[74] 张仕和. 突出矿井采掘接替与通风系统的动态模拟及优化[Z]. 中国矿业大学, 2012.
[75] 许民龙, 贾新忠. 主成分线性加权综合评估模型[J]. 煤矿机械, 2001(9):70-71.
[76] 罗文柯, 施式亮, 胡筱斌. 基于混沌、灰色理论模型,预测煤矿生产中安全状况的对比分析[J]. 中国安全科学学报, 2008,18(10):34.
[77] 景国勋, 衡献伟. 基于灰色预测模型与一元线性回归模型的煤矿瓦斯涌出量预测比较[J]. 安全与环境工程, 2010,17(5):63-65.
[78] 王应明. 判断矩阵排序方法综述[J]. 管理科学学报, 1995(3):101-114.
[79] 刘万里, 雷治军. 关于 AHP 中判断矩阵校正方法的研究[J]. 系统工程理论与实践,1997,17(6):31-35.
[80] 李梅霞. AHP 中判断矩阵一致性改进的一种新方法[J]. 系统工程理论与实践,2000,20(2):122-125.
[81] 宋光兴, 杨德礼. AHP 判断矩阵与模糊判断矩阵相互转化方法[J]. 大连理工大学学报,2003,43(4):535-539.
[82] 洪志国, 李焱, 范植华, 等. 层次分析法中高阶平均随机一致性指标(RI)的计算[J]. 计算机工程与应用, 2002,38(12):45-47.
[83] 刘普寅. 模糊理论及其应用[M]. 1998.
[84] Zadeh L A. Fuzzy Sets[J]. Information & Control, 1965,8(3):338-353.
[85] Luca A D, Termini S. A definition of a nonprobabilistic entropy in the setting of fuzzy setstheory[J]. Information & Control, 1972,20(4):301-312.