（矿业工程专业论文）综放沿空顺槽煤巷锚杆支护技术.pdf

东北大学工程硕士学位论文摘要 摘要 兴隆庄煤矿主采煤层属特厚高应力条件下的破碎煤层，采用综采放顶煤一次 采全厚开采技术，在1 9 9 7 年前综放回采巷道一直采用工字钢对焊棚支护方式，带 来的主要问题是掘进冒顶严重、巷道变形大、支架折损严重、回撤支架需大量的 人力、劳动强度大、施工困难、机械化程度很低，不能适应回采工作面的快速推进， 特别是靠采空区侧巷道维护极其困难，是制约综放工作面高产高效的严重障碍。 因此选择台理的顺槽位置及采取高强度锚杆支护系统解决特厚破碎煤层综放回采 巷道的维护问题是当前的技术发展方向和重要的技术途径。由于特厚破碎煤层综 放回采巷道高强度锚杆支护在国内外无应用先例，因而难度大，技术上必须要有 创新。 在理论研究的基础上结合沿空顺槽支护荷载计算系统( b o l t i n gl o a d ) 分 别对顶底板、两帮的荷载进行模拟计算，并通过巷道在不同位置荷载的大小来确 定沿空送巷的位置及护巷煤柱的尺寸，经现场实测，得到存在明显内外应力场条 件下的综放沿空掘巷的合理时间为工作面后方1 8 0 m ，即工作面推过2 月以后； 沿空送巷合理的煤柱尺寸约为3 4 m 。 在支护技术的研究上同样是运用沿空顺槽支护荷载计算系统( b o l t i n g l o a d ) 来对煤巷锚固参数进行优化，并选用了新型的锚杆系统。该系统主要是 对锚杆表面结构、等强锚杆加工新工艺、带钢截面形状及球形螺母配合及超速易 装高强树脂锚固剂进行优化。经现场观测取得了较好的效果：工序减少，施工速 度加快；系统强度高，适应性强；支护成本低，承载力高；端头及超前维护工艺 简化有利于采煤生产。 通过对兴隆庄煤矿沿空顺槽煤巷锚杆支护矿压研究，得出主动的锚杆支护比 被动的架棚支护，支护效果明显改善，掘巷期间巷道变形量不大，回采期间变形 量较大，锚杆支护抑制了巷道片帮，保证了工作的畅通，有利于安全生产，确保 高产高效矿井的建设。 关键词：锚杆支护矿山压力 参数优化支护荷载 l i 末托大学工程额士学证论文 a b s t r a c t i a b s t r a c t t h em a i nc o a ll a y e rb e l o n g st os l a c k i n gc o a ll a y e ri nt h es i t u a t i o n o f h i g h s t r e s si n x i n g l o n g z h u a n g c o l l i e r y 1 la d o p t s t h e t e c h n o l o g y o f m i n i n g t h ew h o l eo f c o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e dc o a lm i n i n ga n d c o v e rc a v i n g 确er o a d w a yh a da d o p t e d t h es u p p o s i n gw a yo fi - s t e e lw e l d i n gf l a m e dt i m b e r , i tc a u s et h ef o l l o w i n gr e s u l t ：t h e h e a v i l yf a l l i n gr o o fd u r i n ge x c a v a t i o n ，t h el a r g ed e f o r m a t i o n o f r o a d w a y , t h es e r i o u s l y b r o k e no f b o i t , d i s m i s sf r o mt h es u p p o r t t on e e da l a r g ea m o u n to f m a n p o w e r , g r e a t l y l a b o u ri n t e n s i t y , t h ed i f f i c u l to f c o n s t r u c t i o n ，t h ev e r yl o w m e c h a n i z e d d e g r e e ，a n dn o t s u i t a b l ef o rm o v i n gf o r w a r df a s to ft h ew o r k i n gf a c e e s p e c i a l l yi n c l i n eb yg o a et h e s u p p o r t i n go fr o a d w a yi sv e r yd i f f i c u l t i t i sas e r i o u so b s t a c l et h a tr e s t r i c tw i t h h i g h - e f f i c i e n ta n dh i g hy i e l do f t h ew o r k i n g f a c e 。s ot h eq u e s t i o nt h a te l e c t i n gr a t i o n a l p o s i t i o no fg a t ea n da d o p t i n gt h es y s t e mo fh i g hi n t e n s i t yb o l t i n gt os u p p o r tb r o k e n c o a lr o a do fc o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e dc o a l m i n i n ga n d c o v e rc a v i n gi st h e t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p i n gd i r e c t i o nn o w a n d i m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lw a y b e c a u s et h e t e c h n o l o g yo f h i g hi n t e n s i t yb o l t i n gi nb r o k e n c o a lr o a do f c o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e d c o a lm i n i n ga n dc o v e r c a v i n go f t h ee s p e c i a l l y 攥馥c o a li sn o tp r e c e d e n to f u s i n g i n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l ，i ti s v e r yd i f f i c u l ta n dt h e r e m u s tb ei n n o v a t i o ni n t e c h n o l o g y b a s e do nt h er e s e a r c ho f 州n e i p l e , t h ep a g ea d o p tt h ec a l c u l a t i n gs y s t e mo f b o l t i n gl o a di ng o a f o fc o a lr o a d w a y ( b o l t i n g l o a d ) t o s i m u l a t et h el o a do fr o o f , f l o o ra n dc o a lw a l l t om a k es r r et h ep o s i t i o no f t h e g a t ea l o n gg o a l a n d t h es i z eo f t h e s a f e t yc o a lp i l l a rb yt h es i z eo fl o a dw h e nt h er o a d w a yi si n d i f f e r e n tp o s i t i o n b y i n s i t uo b s e r v a t i o n , d r a wt h er a t i o n a lt i m eo f t h er o a da l o n gg o a f i s1 8 0 mi nr e a ro f t h e w o r k i n gf a c e ( w o r k i n gf a c ei se x c a v a t e da b o u tt w om o n t h s ) ；t h er a t i o n a ls i z eo f c o a l p i l l a ro f g a t ea l o n gg o a f i s a b o u t3 - - 4 m 。 b a s e do nt h er e s e a r c ho f s u p p o r t i n g ，a d o p t i n gt h ec a l c u l a t i n gs y s t e mo fb o l t i n g l o a di ng o a f o f c o a lr o a d w a y o p t i m i s t t h ep a r a m e t e ro f a n c h o r a g eo f c o a l r o a d w a y , a n d e l e c tn e w - t y p es y s t e mo fa n c h o r t h es y s t e ms i m u l a t em a i n l yt h es u r f a c es t r u c t u r eo f t i l 东j 天掌羔疆硬士学位论文 a b s t r a c t a n c h o r ，t h en e w c r a f to f p r o c e s so fe q u a li n t e n s i t yo fa n c h o r ，t h es e c t i o nf o r m o f s t r i p s t e e la n dt h e r e s i n g r o u t e dp h a r m a c e u t i c a l o fo v c r s p c c da n d e a s yp u t b yt h e o b s e r v a t i o no fi n - s i t u , i ta c h i e v e st h ef o l l o w i n gb e t t e rr e s u l t ：t h ep r o c e s s r e d u c i n g ，t h e s p e e d o f c o n s t r u c t i o ni sq u i c k e n ；t h eh i 垂s t r e n g t h o f s y s t e m ，t h eg o o da d a p t a b i l i t y ；t h e l o w c o s t so f s u p p o r t i n g ，t h e h i 曲l o a d - c a r r y i n gc a p a c i t y ；t h ec r a f t o f t h e h e a db i ta n d a d v a n c e s u p p o r t i n gi ss u i t a b l ef o rm i n i n g b a s e do nt h er e s e a r c ho fr o c kp r e s s u r ei nt h eg a t ea l o n g g o a f i nx i n g l o n g z h u a n g c o l l i e r y , t h e 辩g ea c h i e v et h a tt h er e s u l to fp r o t e c t i n go b v i o u s l yi m p r o v e s 豫e d e f o r m a t i o ni sv e r ys m a l ld u r i n ge x c a v a t i o n t h ed e f o r m a t i o ni sl a r g ed u r i n ga c t u a l m i n i n g t h eb o l t i n gr e s i s t st h er i bf a l l ，a n dh a sg u a r a n t e e dt h en o n e o n g e s t i o no f t h e w o r k a n di ti sf a v o r a b l et ot h es a f e t yi np r o d u c t i o n i tm a k e ss u r ec o n s t r u c tt h e 毯g h - e f f i c i e n ta n dh i 蘸m i n i n g o f m i n es h a f t ， k e yw o r d s ：幻撼蹿s u p p o r tl o a do p t i m u mp a r a m e t e r a b u t m e n t p r e s s u r e 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 健篙避鲶磅究减采，键不包括本久凳获褥其缝学位焉搜慝过鳇耪料， 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作了明确 的说明并表示谢意。 国 h 元， 配够 训 0 名 麓 签 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三；百下匕 1 1 兴隆庄煤矿简介 兴隆庄煤矿是一个年设计能力3 0 0 万吨，实际生产能力5 0 0 多万吨的特大型矿 井，主采3 号煤层，厚度为8 9 m ，煤层节理裂隙发育，单轴抗压强度为1 叽2 0 m p a ， 属特厚高应力条件下的破碎煤层。采用综采放顶煤一次采全厚开采技术，综放面 区段运输平巷宽度4 5 m ，高度3 m ，断面积1 3 5 m 2 ；综放面区段回风平巷宽度3 7 m 2 ， 高度3 m 。断面积1 1 1 m 2 ；综放面切眼宽度7 5 m ，高度3 m ，断面积2 2 5 m 2 ，属大 断面回采巷道。该矿1 9 9 7 年前综放回采巷道一直采用工字钢对焊棚支护方式，带 来的主要问题是掘进冒顶严重、巷道变形大、支架折损严重、回撤支架需大量的 人力、劳动强度大、施工困难、机械化程度很低，不能适应回采工作面的快速推进， 特别是靠采空区侧巷道维护极其困难，是制约综放工作面高产高效的严重障碍。 采取高强度锚杆支护系统解决特厚破碎煤层综放回采巷道的维护问题是当前的技 术发展方向和重要的技术途径。由于特厚破碎煤层综放回采巷道高强度锚杆支护 在国内外无应用先例。因而难度大，技术上必须要有创新。 1 2 采煤工艺与巷道支护 1 2 1 采煤工艺 9 0 年代。随着世界煤炭工业的飞速发展和我国高产高效矿井建设目标的提出， 矿区普通综采装备、传统的技术工艺和生产管理模式已不能适应现代化矿井建设 和生产发展的需要，突出表现在： 1 ) i 作面高产问题。1 9 8 0 1 9 9 2 年的1 3 年间，矿区厚煤层开采一直采用分层开 采工艺，这种一贯制的传统工艺和生产方式难以突破年产15 0 2 0 0 万t 大关，综采 年产最高水平为1 4 0 7 6 6 6 t ，与日产万吨工作面的差距是相当大的。 2 ) 分层开采工艺问题。传统的分层开采工艺存在诸多不利因素的影响，长期制 约着矿区综采生产进一步发展。如： ( 1 ) 顶板因素的影响。开采一分层时，顶板压力大，煤壁片帮严重，且岩性相变， 伪顶发育，工作面冒顶频繁回采二、三分层时常常因假顶质量差、开采周期过长、 东北大学工程碗士学位论文第一章绪论 t 金属网变质腐蚀等，造成网下易漏矸冒顶，同时顶板事故往往会诱发机械事故， 引起一系列事故链锁反应，形成生产恶性循环，限制了工作面高产稳产。 ( 2 ) 煤厚变化的影响。厚煤层分层时，常常因煤层厚度不稳定，局部区域煤层 分叉或变薄，使分层采高不能确保综采设备的顺利通过，给生产和现场管理带来 很大难度，也直接影响到工作面单产水平的提高。 ( 3 ) 设备老化问题。使用综采生产1 3 年，经过这一大的生产周期之后，综 机设备面临老化和事故率增高的问题，直接制约着生产再发展。大量更新设备无 资金，部分引进大功率综采设备又由于价格昂贵( 购置一套大功率综采设备需用资 金上亿元) ，使更新换代更不可能实现。 鉴于上述原因，9 0 年煤矿面临生产发展路子的重新选择和采煤工艺改革的双 重难题。根据国内外厚煤层开采经验及矿区生产实践认为，分层开采作为一种传 统的厚煤层开采方法，与放顶煤综采工艺相比，仍存在工艺复杂、生产成本高、 效率低、效益差等问题，已不适应市场经济和煤炭高产高效发展的需要。而放顶 煤综采工艺，只比分层开采工艺增加一部分输送机，可实现下部割煤、上部放煤 的立体出煤方式，达到了在现有国产设备条件下工作面高产高效的目标。为此， 兴隆庄煤矿针对自己的条件，并经过多方面的考察论证和可行性研究，确定了3 号煤层及3 上号煤层一次采全高综采放顶煤工艺的试验方案，实施后获得成功， 并以此作为兴隆庄煤矿厚煤层工艺改革的主攻方向和今后生产发展的主体模式。 1 2 2 矿井支护 兴隆庄煤矿的煤巷支护大致经历了两次重大的变革，第一次是在7 0 年代末， 随着综睬的起步与发展，逐步淘汰了支护强度低、安全可靠性差、巷道维修及材 料消耗大的木支护，代之以支护强度相对较高、制作使用比较方便，并可多次复用 的金属棚支护。兴隆庄煤矿综采工作面顺槽使用的型钢主要为工字钢，般为1 1 号或1 2 号矿用工字钢，巷道断面为梯形，断面大小一般为1 肛1 2 m 2 ，工字钢棚的 棚距一般为6 0 0 8 0 0 n u n ，正常情况下采用单棚支护，在压力比较大支护困难的条 件下多采用对棚支护。 第二次是在9 0 年代初期，随着综放技术在兴隆庄煤矿试验成功并得到广泛推 广应用以及中厚煤层大功率高效综采设备的引进，兴隆庄煤矿的综采工作面单产 及矿井集中化程度大幅度提高，在这种新的形势下原有的工字钢梯形金属棚支护 2 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 已明显不适应综采技术发展的需耍，主要表现在： 架棚支护无法满足巷道断面增加的需要。兴隆庄煤矿架棚支护通用的项梁宽 度为3 m 或3 3 m ，已经接近变形允许的极限值。煤矿曾试用过3 6 - - 3 7 m 的棚梁， 不仅架设困难而且变形损坏严重，因此采用架棚支护无法满足高产高效工作面在 设备、通风、行人等方面对巷道断面进一步加大的需要，同时亦达不到煤矿安 全规程规定的综采工作面顺槽净断面不小于1 2 n 1 2 的要求。 高产高效工作面推进速度不断加快，采用架棚支护，棚子的回撤和外运工作 量非常大，一定程度上制约了回采工作面的工时利用，限制了工作面推进的速度。 此外，棚子支设和回撤亦给矿井的辅助运输带来了很大的压力。 架棚支护是一种被动支护形式，不能有效地对综放工作面顺槽的煤层顶板进 行支护，容易发生离层、冒顶而在棚梁之上形成空洞和煤层破碎区，从而给综放 工作面顺槽的煤层自然发火留下隐患。充州矿区东滩矿综放顺槽采用架棚支护， 由于顶板冒落曾在顺槽掘进后1 8 天内即发生了煤层自燃，给矿井的安全生产带来 了极为不利的影响。 采用矿用工字钢棚支护巷道维修费用比较高。 鉴于上述原因。兴隆庄煤矿自1 9 9 3 年开始，在煤巷支护中进行了锚网支护试 验，进而大面积推广应用，使煤巷支护方式由工字钢金属棚支护逐步过渡为锚网 支护，实现了煤巷支护方式的一次重大变革。 1 3 综放沿空顺槽布置及支护文献综述 1 3 1 沿空顺槽布置方式 巷道之间及巷道与回采工作面之间保留煤柱一直是煤矿中传统的护巷方法， 近二十年来，无煤柱护巷得到迅速发展。目前，我国的煤层巷道中，回采巷道以无 煤柱护巷居多，准备巷道和开拓巷道大都仍沿用煤柱护巷。 煤柱的稳定性取决于煤柱上的载荷、煤柱的宽度和形状，以及煤柱和围岩的力 学性质。煤柱的载荷取决于开采深度和煤柱周围的采动状况。煤柱宽度对煤柱的 稳定性和巷道维护的影响主要表现在：煤柱宽度决定了巷道与回采空间之间的距 离，从而影响到回采引起的支承压力对巷道的影响程度及煤柱单位面积的载荷， 煤柱的宽度及其高宽比，对煤柱的极限承载力有很大影响，从而影响到煤柱的稳 东北大掌工程硕士学位论文第一章绪论 定性和巷道的围岩变形。 无煤柱护巷有沿空留巷和沿空掘巷两种方法。 采用区段无煤柱护巷，使区段平巷沿采空区布置，可避免或削弱固定支承压 力的影响，能改善巷道维护状态，减少煤炭损失，技术经济效益显著。 1 3 1 1 沿空留巷 沿空留巷是指上区段的运输平巷作为下区段的回风平巷。 沿空留巷一般运用于采缓斜和倾斜，厚度在2 m 以下的薄及中厚煤层。这种 方法与留煤柱时相比，不仅可减少区段煤柱损失，而且可大量减少平巷掘进工程 量。 1 3 1 2 沿空掘卷 沿空掘巷，即沿着已采工作面的采空区边缘掘进区段平巷。这种方法利用采 空区边缘压力较小的特点，沿着上覆岩层已垮落稳定的采空区边缘进行掘进，有 利于区段平巷在掘进和生产期间的维护。它多用于开采缓斜、倾斜。厚度较大的 中厚煤层或厚煤层。 沿空掘巷虽然没有减少区段平巷的数目，但是不留或少留煤柱，可减少煤炭 损失、减少区段平巷之间的联络巷道，特别是可减少巷道维修工程量甚至基本上 不用维修，对巷道支护要求也不太严格、易于推广。 在采用沿空掘巷时，需要根据煤层和顶板条件，通过观测和试验确定沿空巷 道的位置和掘进与回采的间隔时间，在布置和掘进巷道时还需要采取一些措施。 按具体的巷道位置，沿空掘巷有完全沿空掘巷和留窄小煤柱沿空掘巷两种， 沿空巷道位置的确定，主要考虑便于掘进施工等因素。当沿空掘进巷道受采空区 矸石窜入的影响比较严重、掘进施工困难时，可采用留2 3 m 窄小煤柱的布置方 法。一般情况下，以完全沿空掘巷为好。 沿空巷道必须在采空区顶板岩石活动稳定后开始掘进，否则受移动支承压力 的剧烈影响，巷道掘进时就需要维修。甚至难以维护。因此，掌握好掘进滞后于回 采的间隔时间是十分重要的。一般情况下，这一间隔时间应不小于3 个月，通常为 4 - 6 个月，个别情况下要求8 1 0 个月。坚硬顶板比软项板需要的间隔时间长一些。 由于沿空掘巷的巷道受压较小，对支护要求不如沿空留巷严格，一般梯形金 属支架，木支架均可用，故在国内应用很广泛。 沿空掘巷是我国应用最广的无煤柱护巷法，沿采空区边缘掘进巷道，虽仍会破 4 东北大学工程硕士学位论文 第一章绪论 坏原有的应力平衡，但对应力场的扰动比较小。因此，沿空掘巷在掘进过程中也 会引起围岩的明显变形，但围岩变形量及流变速度都比较小，巷道维护比较容易， 支护技术也较简单。但沿空掘巷应该注意的是：必须避免沿尚未稳定的采空区掘 巷，滞后回采的时间一般不应小于半年； 及对已采区采取灌桨封闭和隔离的措施。 巷道与己采区之间不要留设窄煤柱：以 沿空留巷与沿空掘巷虽都是沿采空区边 缘布置的巷道，但它们的围岩应力和圈岩变形相差甚大。由于采空区岩层正在剧 烈沉降，巷道围岩应力处于迅速增长和重新分布阶段，在回采工作面附近，沿空 留巷围岩会强烈变形，它的顶板下沉量与煤层的采厚成正比关系，一般少则为采 厚的1 0 ，多则为1 5 0 一2 0 。煤层采厚愈大，愈不利于沿空留巷的维护。沿空 留巷再次受到采动影响时，围岩变形会再次急剧增长，巷道服务期间的累计变形量 高达采厚的4 0 ，对支护技术要求很高，这是我国发展沿空留巷的关键。沿空留巷 的支护必须具备较大的可缩量、较高的工作阻力，以及较快的增阻速度。采用整体 浇注巷旁充填技术，可显著减少顶板沉降量，有效改善沿空留巷的维护，扩大沿 空留巷的使用范围。 通常使用的锚杆支护属于“主动”支护，在锚杆安装以后即对围岩提供支护 阻力，而且随着围岩的变形，支护阻力不断增加，因而能够及时地、有效的提高 巷道围岩强度，防止围岩早期离层和控制围岩变形。锚杆支护施工简单，巷道维 护成本较低，能显著改善劳动条件和作业环境，保证矿井安全生产，提高矿井的 技术经济效益。 我国煤矿采深较大，采动引起的巷道压力显现剧烈，相当一部分巷道围岩松 软，变形剧烈，加之煤巷锚杆支护理论、设计方法、旌工监测手段还不够完善， 煤巷和半煤岩巷道的比重虽达8 0 ，但锚杆支护的发展却十分缓慢。原煤炭工业 部将“煤巷锚杆支护”列为煤炭工业“九五”重点科技公关项目后，我国煤矿一 场继“综采”之后的第二次支护技术革命已蓬勃展开。“九五”前的1 9 9 5 年，国 有重点煤矿中煤巷锚杆支护的比重仅为1 5 1 5 ，主要用在围岩稳定条件较好的巷 道。从矿井安全、经济、高产高效的需要出发，迫切需要迅速发展我国煤巷锚杆 支护。原煤炭工业部将“煤巷锚杆支护”列为煤炭工业“九五”五大科技公关项 目之一，以期通过五年的努力将煤巷锚杆支护技术提高到一个新的水平，使用的 东北大学工程硕士学位论文 第一章绪论 比重有较大幅度的增长。 1 3 3 综放沿空顺槽矿压特点 沿空掘巷和沿空留巷，虽然都是位于采空区边缘的巷道。但它们的受力状况和 围岩变形却有明显差别。 回采期间沿空留巷，采空区岩层正在剧烈沉降，巷道围岩应力处于迅速增长 和重新分布阶段。无论是顶板和两帮都处于强烈变形时期。沿空掘巷时，采空区 岩层活动已经终止，回采引起的应力重新分布己趋稳定，巷道位于应力降低区内， 无论是顶板和两帮的变形都处于稳定时期。因此，从受力状况看。在采准巷道中。 沿己稳定的采空区边缘掘巷是十分有利的。 图1 1 中1 为沿空掘巷之前，岩层运动已经稳定的采空区附近的媒体，处于 极限平衡状态下的残存支承压力分布。在采空区边缘处，为已经卸载的破裂区， 煤体深部为承载的塑性区和弹性区。沿空掘巷破坏了原有平衡，在巷道边缘的媒 体会出现新的破裂区，塑性区和支承压力往煤体深部移动( 图1 1 中2 ) ，移动距离 一般等于巷道的宽度，应力场扰动不大。因此，沿空掘巷时虽然围岩应力重新分 布过程中( 图1 1 中支承压力曲线由1 变为2 ) ，会引起巷道煤帮和顶板明显变形， 但变形量较小。 田1 1 沿空掘巷引起煤帮应力重新分布 f i g 1 i t h es t r e s s d l s l r i b u t c a g a i n i n t h ec o a l w a l la l o n g g o a t t oe x c a v a t ec a u s e d 1 一掘巷前应力分布：2 掘巷后应力分布 i _ 破裂区；i i 一塑性区；h i 一弹性区应力增高部分；i v 一原岩应力区 6 东北大学工程硕士学位论文 第一覃绪论 1 4 课题的提出及研究意义 自1 9 9 2 年8 月煤炭部在邢台召开高产高效矿井建设会议以来，煤炭企业全面 进入市场，把煤炭生产由简单的粗放型引向了集约型，在一些矿区形成了一矿一 面或一矿二面的生产格局，综采放顶煤技术显示出强大的生命力与广阔的应用前 景，并在近年来，在我国得到迅速发展。目前，兖州矿业( 集团) 有限责任公司放 顶煤工作面1 9 9 8 年己创出原煤产量5 0 1 万吨的全国最高记录，大大超过分层综采 工作面单产在1 0 0 万吨左右的水平，使我国综采放顶煤技术走在了世界的前列。 尽管综采放顶煤技术在我国得到了迅速的发展，并取得较好的技术经济效果。 然而，生产实践也表明，综采放顶煤在世界范围内作为一种新的采煤工艺尚有许 多问题未能得到很好的解决，其中，如何在综放工作面推广无煤柱护巷技术是最 为突出的问题之一，这制约了我国综放开采工艺技术、煤炭回采率、工作面生产 能力及矿井效益的进一步提高。 实践表明，采用无煤柱开采后，采区回采率可提高1 0 以上，有效地延长采 区、开采水平和矿井的服务年限，减少煤炭资源的浪费：同时，无煤柱开采有利于 消除因煤柱引起的灾害和不利影响，如冲击地压、煤与瓦斯突出等等，特别是在 深部矿井，采用无煤柱护巷可改善巷道维护状况。无煤柱护巷作为煤矿开采技术的 一项重大改革，从七十年代以来，在我国薄、中厚和厚煤层分层开采中己主导成 为一项成熟的技术。但是，沿空巷道在综采放顶煤工作面中的应用处于起步阶段， 现场实践表明，沿空巷道在综放顶煤工作面中的推广比分层开采中的推广，在控 制技术上存在更大的困难。 与综采及综放工作面的实体煤巷道的支护相比，综放( 普综) 工作面沿空巷道 由于受临近工作面回采的影响，掘进前煤体及煤层顶板中的支承压力己经发生较 大变化，因而其矿压显现较一般实体煤巷道更为剧烈，尤其是沿空侧煤体在矿山 压力作用下变的比较破碎，支护十分困难。 采用工字钢棚式支护难以有效的控制围岩的变形，特别是工作面采动期间的 围岩的变形，支架变形损坏严重，端头及超前维护复杂，制约了工作面的顺利推 进和综采设备效率的充分发挥。 综放工作面年产量在2 0 0 万吨，甚至3 0 0 万吨以上。工作面开采强度大，所 需风量剧增；工作面运输机，端头转载机及带式输送机功率大、体积小，同时， 7 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 为保证巷道支架回收，超前支护及运输的方便，运输顺槽巷道需机轨合一布置， 这不可避免地增大了综放工作面回采巷道断面，并且对巷道断面的形状及系统可 靠性提出了更高的要求，这给沿空巷道的维护带来了更大的困难。 因此锚杆支护的主要目的不仅是为了维护掘进期间巷道的围岩稳定，更重要 的是控制巷道在回采动压期间的剧烈变形，减少巷道的维修工程量，保证工作面的 正常推进。 为此，我们对兴隆庄煤矿沿空顺槽煤巷锚杆支护技术进行了研究和探索。本文 重点放在“沿空顺槽煤巷支护荷载计算及锚固参数的优化”上，目的就在于研究 锚杆的作用机理，提出锚杆支护参数的设计依据和计算方法，优化锚杆结构及其 现场施工工艺等，对发展沿空顺槽煤巷锚杆支护技术，提高支护效果，降低支护 成本，并进行回采巷道的支护改革与快速掘进技术发展等，都具有学术价值与重 要的现实意义。 1 5 课题研究的内容、目标、方法 1 , 5 1 研究目标 研究兴隆庄煤矿沿空顺槽煤巷锚杆支护荷载的计算方法，探索锚杆系统及锚 固参数优化的途径。以保证兴隆庄煤矿沿空顺槽煤巷锚杆支护的安全性、可靠性、 高效性，满足综放工作面正常推迸的需要，确保高产高效矿井的建设。 1 5 2 研究内容 本论文研究以下内容： 1 ) 兴隆庄煤矿综放沿空煤巷位置确定及煤柱留设 2 ) 沿空顺槽煤巷支护荷载计算模型与计算系统的研究 3 ) 沿空顺槽煤巷锚固参数优化 4 ) 锚杆系统的优化 5 1 沿空顺槽锚杆支护巷道矿压研究 1 5 3 研究方法 根据以上研究内容，确定本论文采用的研究方法主要从三个方面进行，即数 8 东北大学工程硕士学位论文 第一章绪论 值计算分析、理论研究、工程验证。 1 ) 数值计算研究 b o l t i n gl o a d ( 沿空顺槽煤巷支护荷载计算系统) 是一种方便、快捷、合 理确定沿空顺槽煤巷支护荷载的有力工具，它是在吸收以往巷道矿压研究成果， 结合沿空顺槽煤巷支护荷载计算方法理论研究的基础上开发的一套计算软件，显 著提高了输入和输出结果的可视程度。 2 ) 理论研究 理论研究主要利用岩石力学，弹塑性力学，结构力学，矿山压力理论等的一 些论点特征对相应内容进行研究。 3 ) i 程验证 将数值计算和理论研究得出的结论应用于现场实践，验证研究结果的正确性。 9 东北大学工程硕士学位论文 第二章兴隆庄煤矿综放沿空煤巷位置确定及煤柱留设 第二章兴隆庄煤矿综放沿空煤巷位置确 定及煤柱留设 沿空送巷作为一种回采巷道掘进布置方式，由于无需留设较大煤柱，造成不 必要的煤炭损失，因此在现场实际生产中，具有较大的应用价值。确定合理的沿 空顺槽掘进时间及掘进位置，对于保证巷道围岩稳定、防止事故发生、改善巷道 维护状况具有十分重要的意义。 2 1 沿空顺槽围岩应力分布 2 1 1 采场两侧顶板断裂规律 研究证明，当采场工作面回采过后，对于两侧固支的( 两侧未经采动) 采场 上方顶板( 老顶) 的破断规律如图2 1 所示。 图2 1 采场顶板破断规律 f i g 2 1 t h e b r o k e n l a wo f r o o f o f w o r k i n g 角 由图2 1 可以看出，随工作面推进， 而且工作面两侧顶板也发生周期性断裂， 过程中均得到证实。 采场两侧顶板断裂的步距为： 第一次断裂： 周期性断裂： 不仅工作面上方顶板发生周期性断裂， 这一点我国学者在长期的采场矿压研究 鹕鱼l l v 田l c o ) 一- l o a：丝17iv【：丽。,lj 一- 。；i 式中c o _ 一采场老顶初次来压步距，可由上一区段观测资料得出，也可由下 式确定： c o = 船姑 c 广采场老顶周期来压步距，可由现场观测资料得出，也可由下式得出： q ： 毛躁 m 。、m c 一采场老顶上部岩层和下部岩层厚度，m ； c _ 1 老顶上一次来压步距，m ； 卜一采场老顶岩石的抗拉强度，k n m ，采场老顶岩石容重， ：n ，m ； 2 1 2 沿空顺槽围岩应力分布 受回采工作引起的覆岩运动和支承压力变化的影响，采场周围岩层的原始地 应力平衡状态遭到破坏，引起岩体内的应力重新分布。回采工作面两侧煤体上的支 承压力也发生了变化，研究证明，上区段采场老顶触矸稳定后，沿空顺槽未开挖 前的围岩应力分布如图2 2 所示。 图2 2 沿空顺槽固岩“应力双蟑”分布横型 f i g2 2t h e d i s t r i b u t em o d e lo f t h es t r e s sb i m o d a lo f s u r r o u n d i n gr o c ko f g a t ea l o n g g o a l 东北大学工程硕士学位论文 第二章兴隆庄煤矿综放沿空煤巷位置确定及煤柱留设 由图2 2 可以看出，在煤体上方应力分布与底板应力分布组成了“应力双峰”， 也可称作“驼峰模型”，即存在两个应力高峰，一个为kyh ，位于采场老顶在煤 体内断裂的部位；另一个为是k lyh ，位于采场老顶在采场采空区触矸的部位。 各个部位应力分布大小关系为： k y h k ty h y h k 2 y h 式中y 上覆岩层容重，k n m ： h _ 一巷道埋深，m ； k ，k 1 k 2 应力集中系数。 煤体上方应力分布“驼峰模型”的前峰分布形态规律是研究的主体。其特点 是按应力值相对大小可以分为三个区，即应力集中区、应力低值区和应力正常区。 应力低值区的出现以煤体出现塑性区为前提，即应力低值区中的煤体处于塑性软 化状态，煤体产生新的裂隙并伴随显著变形。而应力集中区的煤体在老顶断裂线 附近是处于弹性状态，仍保持着自身的承载能力，岩体相对比较完整且变形相对 较小。应力正常区为原岩应力区。“驼峰模型”和宋振院士著名的“内外应力场” 理论是一致的。 两个应力高峰实际上是与老顶两端破裂位置密切相关的应力集中区，是该段 岩梁的两个端头承载支点。煤体中的应力高峰是弹性应力高峰，岩石中的应力高 峰是塑性应力高峰。在弹性应力高峰的采空区一侧，存在着一个相对低应力状态 的峰后煤体。若在峰后煤体中布置巷道，在满足某种变形量条件下，其支护荷载则 相对较小，实际上接近于老顶岩梁之下的直接顶和顶煤的重量，这是沿空顺槽支 护荷载的显著力学特征。 2 2 沿空巷道掘进时间和位置的理论分析 2 2 1 沿空顺槽掘进时间 由于上区段工作面推进过程中顶板运动的影响及上覆岩层支承压力的变化， 造成工作面两侧煤体及煤层顶板支承压力的交化由上区段采场两侧煤体受采动影 响的变化过程( 图2 3 ) 可以看出，煤体在上区段采场工作面回采过程中，由弹性压 缩状态进入塑性破坏阶段，煤体产生较大变形量，如果在煤体弹性压缩阶段掘进 巷道，则容易造成巷道产生变形破坏，不利于巷道维护。而上区段采场老顶触研 1 2 象北大学工程硕士学位论文第二章兴隆庄煤矿综放浍空煤巷位置确定及煤拄簿设 稳定后，潆俸变形基本稳定，澄空j 瑷稽圉袈应力分奄镑会驻峰楱慧，魏薅掇逑巷遴， 则巷道不易变形破坏，易于维护。因此，上区段采场老顶岩梁触矸稳定后即为沿 窝颓稽獬巷的最佳时闻。 t d ) 。 图2 , 3 采场两侧煤体随土送段工作谶回采影响的过 f 毽2 3 融嚣n 鞠c o u r s e o f c o a l b o d y d u r i n g r o b b i n g w o d d n g 融印d | s t r l c t a 一上区段采场老礤处于相对稳定阶段；b _ 上区段采筠项板瘩屡显著遮钴阶段； c 一上蟊致采场项板磐屡稳定阶段；d 一堞辖压力叠扣酝燕 嗣2 ，4 巷激掘进位置嗣 f i g 2 4 t h e e x c a v a t e d p o s i t i o n o f r o a d w y t 一无爆校沿空送蒋；2 _ 小嫌柱治空遴巷l3 外斑力场中的媒柱护巷；4 - - 琢始威力区的大煤柱护巷 在瀣窆蹶撞疲力分露“驻峰攘型”存在豹条佟下，霹貌懿送戆位置蠢4 秽( 翻 2 4 ) ：在内应为场中沿空送巷( 位置1 、位置2 ) ，在外应力场中的煤柱护巷( 位 嚣3 ) ，程原始应力区酶大潆桂势巷( 莅嚣垂) 。簿先壶漾体土方支承歪力分布纛撵 珂以看出，在位溉3 掘进巷道，正处于嶷承压力高峰区，巷道不易维护；在位鼹 1 3 乐j b 大学工程硪士学位论文第二章兴隆嶷煤矿综放沿空煤巷位置确定及煤柱留设 4 瓣透巷邋，虽然巷遒眈较容荔维护，餐煤柱援失院较大，不符合充分秘爝帮节 约煤炭资源的原则。故这两种位置都不可取，在内应力场中沿空送巷分为无煤柱 送祷和小煤柱送巷两种。秃煤桂送巷虽然能充分开采煤炭汝源，蔼存在巷邋通风、 上聪段采场采空区残煤自燃等不利因素。因此沿空送巷的最佳位鬟为位置2 所示 的小煤柱送巷，最馕煤柱尺寸应是张煤柱媒体不发生裂隙向采空区漏风，诱发自燃 粒条饽下，鬏，l 、鲍煤控尺寸。 2 3 兴隆庄煤矿综放沿空煤巷位暨确定及煤柱窝设 2 3 。1 鳔效工作蕊健南支承压力峰值特薤 5 3 1 8 综放工作弱位于驻采区下部，西南为5 3 1 7 工作两采空区，东北与5 3 1 9 设计工作面相邻，工作面走向长1 6 4 2 m ，倾斜长1 7 7 2 6 m ，埋藏深度4 5 8 8 9 1 6 m ， 热投平均8 2 8 m ，煤豹硬度系数f = 2 4 4 。媒艨顶叛为0 2 m 厚黪泥岩，往上依次隽粉 沙岩( 厚廪2 0 6 m ) ，中砂糟( 厚魔2 2 0 2 m ) ：煤层底板为1 9 5 m 厚的泥岩。往下 是粉缨砂装嚣层，簿度1 3 。0 8 m 。 固2 5 兴礓庄嫘矿5 3 1 8 王作萄综垃井桀侧i 匈支攀压力分镕f 堑化规诛 f i g 25 t h e d e f o r m i n g l a w o f d i s t r i b u t i n g o f t h es i d e b r a c es ”e $ i n w o r k i n g f i m o f 5 3 1 8 i n x i n g l o n g z h u g c o l l i e r y 轴一侧向盘承压力集中点距离a - 支承压力开始集中点滞后采增距离 转支承疆宠最大毽煮滞后采墒箱离。支承压力壤复至菲始废交点滞着采场鞭燕 根据对兴隆斑煤矿5 3 1 8 综放工 乍面侧缸支承聪力的研究，测点位于工作面后 l 毒 变苎查兰三堡堡主兰竺丝奎蔓三皇堂堕垦堡! 堡墼塑皇堡萱堡墨堕塞墨堡壁璧堡 方1 5 m 时，应力开始增加，随工作面推进，应力集中系数持续增大，测点位于 工作面后方1 3 5 m 时，应力集中系数达到k = 2 ；当测点位于工作面后方4 9 m 时， 应力集中系数达到最大值，k m a x = 2 4 1 ，之后应力恢复到原始应力。 由此可知，在兴隆庄煤矿5 3 1 8 综放地质采矿条件下，受工作面采动影响，与 工作面大体平行的正侧向l o m 附近煤体支承压力在原始应力的基础上开始增加， 工作面后方约7 4 9 m 时支承压力集中系数达到最大值( 约2 4 ) ，此后，支承压力 迅速下降为原始应力，即侧向支承压力的最大峰值发生在采场后方较远位置。 综放开采侧向支承压力分布的时空特征见图2 5 。 2 3 2 沿空顺槽掘进的最佳时间与位置 由于工作面推进过程中上覆岩层运动的影响，造成工作面两侧煤体支承压力 的变化，因此，沿空顺槽煤巷掘进的时间和位置决定了巷道围岩应力及围岩支护 成功的难易程度。 2 3 2 1 沿空顺槽掘进的最佳时间 根据前面分析可知，受5 3 1 8 工作面开采影响，侧向顶板仅在相对工作面前方 很小的距离内产生破断运动，工作面后方7 4 9 m 时，顶板运动产生的侧向支承压 力达到最大值，峰值系数k = - 2 4 1 。此后，煤体应力急剧下降，峰值系数趋于k = l 。 但此时承受支承压力的基础即煤体下沉并未停止，工作面后方1 2 2 m 以远，顶板 下沉量达到3 2 0 m m ，顶板下沉速度约为l m m h 。 应在侧向顶板运动结束或者基本结束，上区段采场老顶触矸稳定后进行沿空 巷道的掘进。据此可知，综放工作面沿空掘巷的最短时间应在工作面后方1 3 0 m 远进行。另根据兴隆庄煤矿生产实际经验，沿空掘巷的时间一般应在工作面采动 2 个月后进行，一般应滞后工作面1 8 0 m 以上。 2 3 2 2 沿空顺槽掘进的最佳位置 由前可知，侧向采动后，由于顶板的破断运动，5 3 1 8 工作面侧向支承压力分 布形成了典型的内外应力场分布特性。其中内应力场的范围为下顺槽下帮煤体以 里1 0 o m 。且顶板断裂线附近出现了明显的应力集中增加至重新降低的发展过程， 最大应力集中系数为2 4 1 。内应力