煤礦開采自然沿空留巷技術(shù)的可行性與實(shí)用性探究,碩士論文

煤礦開采自然沿空留巷技術(shù)的可行性與實(shí)用性探究,碩士論文沿空留巷是煤礦解決煤炭資源采出率低,采掘接替不協(xié)調(diào)等問題的常用方式方法之一,華而不實(shí)無充填墻體、無煤柱、組合支架被動切頂?shù)淖匀谎乜樟粝锓绞椒椒ㄒ云漭^好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用,在山西老母坡礦、蘭花寶欣礦等30多個工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn),均獲得較好的留巷效果.本文以老母坡礦2104工作面和5101工作面為工程背景,研究自然沿空留巷方式方法的可行性及適用性.自然沿空留巷成功施行的關(guān)鍵在于側(cè)向頂板的及時垮落,因而本文研究了自然沿空留巷的構(gòu)造模型,并提出側(cè)向頂板的極限垮落步距的計(jì)算方式方法.本文以為沿空巷道圍巖在遭到采動影響的情況下,與巷內(nèi)支護(hù)體系構(gòu)成穩(wěn)定的構(gòu)造,將巷旁支撐系統(tǒng)布置在頂板極限垮落距離內(nèi),能夠提供足夠的支撐阻力,保證側(cè)向頂板的及時破斷,構(gòu)成穩(wěn)定的留巷空間.以老母坡礦5101工作面為研究樣本,分析沿空巷道頂?shù)装宓膸r石物理力學(xué)參數(shù)及巷內(nèi)支護(hù)體系的力學(xué)特性,在這里基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬分析,分析結(jié)果表示清楚:工作面回采后,采場附近超前工作面前方10~20m范圍內(nèi)應(yīng)力急劇升高,超過此范圍應(yīng)力降低到原巖應(yīng)力水平,采空區(qū)后方應(yīng)力逐步穩(wěn)定,有一定殘存余留支撐強(qiáng)度.留巷空間內(nèi)應(yīng)力基本保持穩(wěn)定,應(yīng)力主要集中在巷道兩幫,主要為采空區(qū)一側(cè).整個回采經(jīng)過中工作面頂板呈現(xiàn)分段漸次垮落的特征,圍巖變形量逐步增大并趨于穩(wěn)定,變形速度先增大后減小.在上述研究結(jié)果基礎(chǔ)上,分析留巷空間內(nèi)圍巖穩(wěn)定性的重要影響因素,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行多因素模擬試驗(yàn),得出在不同影響因素組合的試驗(yàn)方案下巷道圍巖的相對移進(jìn)率,建立工程條件和工程結(jié)果相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,以層次分析法結(jié)合模糊數(shù)學(xué)相關(guān)內(nèi)容對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析,建立巷道圍巖變形的預(yù)測模型,得出各影響因素的權(quán)值,最終構(gòu)成綜合評價(jià)圍巖分級標(biāo)準(zhǔn)并根據(jù)分級進(jìn)行支護(hù)參數(shù)推薦.論文研究成果與老母坡礦2104工作面的工程實(shí)踐情況互相印證,從理論與實(shí)踐方面為自然沿空留巷方式方法的可行性與適用性提供了根據(jù),具有顯著的社會經(jīng)濟(jì)價(jià)值.該論文有圖52幅,表18個,以下為參考文獻(xiàn)85篇.本文關(guān)鍵詞語:自然沿空留巷;側(cè)向頂板垮落步距;影響因素權(quán)重;預(yù)測模型;圍巖分級AbstractGob-sideentryretainingisoneofcommonmethodstosolvetheproblemssuchaslowcoalrecoveryratio,mininganddevelopmentreplacementincoordination.Naturalgob-sideentryretaining,withhydraulicsupportbutwithoutfillingwallorcoalpillar,whichiswidelyusedbecauseoftechnologyeconomyadvantage.ItsadvantagesareprovedbyaseriesofindustrialexperimentinLaoMuPoMine,LanHuaBaoXinMineandsoon.Thispaperinvestigatesthefeasibilityandapplicabilityofnaturalgob-sideentryretainingbasedonthebackgroundofworkface2104and5101inLaoMuPoMine.Thekeytosuccessfulengineeringpracticeislateralroofcollapsetimely,sothispaperstudythestructuremodelofnaturalgob-sideentryretaining,andputforwardthecalculationmethodoflateralroofslimitcollapsedrawingpace.Thispaperthinkthatgob-sideentrysurroundingrockformstablestructurewithsupportsysteminroadwaybeyondtheinfluenceofmining.Puttheroadsidesupportsystemintherangeofrooflimitcollapsedrawingpace,providingsufficientholdingpower,canensurelateralroofbreakingtimelyandformstablegob-sideentryspace.Takeworkface5101inLaoMuPoMineasaresearchsample,andanalysetherockphysicalandmechanicalpropertiesofgob-sideentryretainingroofandfloor,thendevelopnumericalsimulationonthisbasis.Theanalysisresultsshowthatafterminingthestressincreasesdrasticallyinfrontofstope,andthestressgraduallydecreasedtorockstresswhenthedistanceismorethan40m.Thestressingoafisgraduallystablewithresidualsupportstrength.Thestressingob-sideentrystaystable,andstayfocusinroadwaywall,mostlyingoafside.Thewholeprocessofminingpresentacharacteristicofsensimcollapse,whichmeanstherockdeformationgraduallyincreasesthenbecomestable,andthedeformationvelocityincreasesatfirstthendecreases.Basedonthestudymentionedabove,analysetheimportantinfluencefactorsofgob-sideentrystablities,anddesignorthogonaltesttostudymultiplefactorsnumericalsimulation.Theresearchresultshowdifferentrockdeformationsindifferentconditions,thenbuildadatabaseofengineeringconditionsandresults.Combinedanalytichierarchyprocessandfuzzymathematicstoresearchthedatabaseabove,thenbuildapredictionmodelofrockdeformationandcalculatethefactorsweight,finallyformastandardofcomprehensiveevaluationandsupportparameterrecommendation.Theresearchresultofthepaperismutualverificationwithengineeringpracticeofworkface2104inLaoMuPoMine,providethefeasibilityandapplicabilityevidencesofnaturalgob-sideentryretainingfromtheoryandpracticeview.Thispaperisfullofsignificantlysocialandeconomicvalue.Keyword:Naturalgob-sideentryretaining;Lateralroofcollapsedrawingpace;Factorsweight;Predictionmodel;Rockclassification目錄摘要.............................................................I目錄............................................................IV圖清單..........................................................VIII表清單............................................................XI變量注釋表.......................................................XII1緒論.............................................................11.1研究背景與意義.................................................11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)在狀況綜述.............................................21.3存在的一些主要問題.................................................61.4主要研究內(nèi)容與技術(shù)道路.........................................72自然沿空留巷覆巖構(gòu)造演化規(guī)律研究與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).......................92.1自然沿空留巷構(gòu)造與力學(xué)特性.....................................92.2沿空留巷側(cè)向頂板巖層破斷機(jī)理..................................152.3巖層物理力學(xué)參數(shù)及主要支護(hù)材料性能測試........................212.4本章小結(jié)......................................................313自然沿空留巷方式方法數(shù)值分析與關(guān)鍵影響因素研究......................333.1數(shù)值模擬結(jié)果及分析............................................333.2圍巖穩(wěn)定性關(guān)鍵影響因素分析....................................393.3正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與及影響因素權(quán)重分析..........................423.4本章小結(jié)......................................................454自然沿空留巷圍巖穩(wěn)定性綜合評價(jià)模型..............................474.1評價(jià)原則與評價(jià)方式方法............................................474.2基于層次分析法的預(yù)測模型......................................484.3圍巖穩(wěn)定性綜合評判............................................544.4本章小結(jié)......................................................555老母坡礦2104工作面自然沿空留巷工業(yè)性試驗(yàn).......................575.1試驗(yàn)巷道生產(chǎn)地質(zhì)條件..........................................575.22104工作面沿空留巷圍巖控制技術(shù)................................585.3留巷區(qū)域穩(wěn)定控制效果監(jiān)測......................................615.4小結(jié)..........................................................666主要結(jié)論........................................................68以下為參考文獻(xiàn)..........................................................70作者簡歷..........................................................75學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明................................................76學(xué)位論文數(shù)據(jù)集....................................................771緒論1.1研究背景與意義煤礦工作面回采巷道的沿空留巷技術(shù)在我們國家已得到廣泛應(yīng)用,沿空留巷技術(shù)自國外引進(jìn)后,經(jīng)過長期工程實(shí)踐的探尋求索總結(jié),結(jié)合我們國家煤礦的地質(zhì)條件、回采與支護(hù)方式等已發(fā)展出一套完好體系[1].沿空留巷技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提高了煤炭資源的回收率,優(yōu)化了采區(qū)的回采工作面接替,降低了噸煤巷道掘進(jìn)率,對礦井的生產(chǎn)建設(shè)具有重要的安全開采效益和經(jīng)濟(jì)效益.沿空留巷回采是實(shí)現(xiàn)工作面無煤柱開采的方式之一,它適用范圍廣,技術(shù)難度低,經(jīng)濟(jì)效果好,此項(xiàng)技術(shù)不僅能夠提高煤炭資源回收率,減少噸煤巷道掘進(jìn)量,緩解采掘接替矛盾[2,3],還能夠結(jié)合礦井資源規(guī)劃特點(diǎn),選擇不同類型的沿空留巷方式方法,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)綠色開采、安全開采等目的.沿空留巷技術(shù)的發(fā)展,從根本源頭上改變了傳統(tǒng)工作面的采煤方式方法,優(yōu)化通風(fēng)線路,減少工作面搬家次數(shù),避免孤島工作面,實(shí)現(xiàn)工作面前進(jìn)式和往復(fù)式連續(xù)開采.十分是在沿空留巷的實(shí)踐中,留巷要經(jīng)歷重復(fù)采動影響,對無充填墻體沿空留巷技術(shù)進(jìn)行研究,成功解決了重復(fù)采動時留巷支護(hù)難的問題,保證沿空留巷技術(shù)順利施行.在實(shí)行常規(guī)的沿空留巷方式方法時,根據(jù)煤層的賦存條件和開采支護(hù)方式經(jīng)常需要留設(shè)20~50m不等的保衛(wèi)煤柱[2,4],保衛(wèi)煤柱的煤炭資源損失占全礦井煤炭資源損失的40%左右,由此可見,保衛(wèi)煤柱存在著潛在的宏大經(jīng)濟(jì)效益.因而,在保證區(qū)段巷道安全系數(shù)的前提下,研究怎樣減小保衛(wèi)煤柱的寬度甚至取消保衛(wèi)煤柱是一項(xiàng)重要的煤礦安全開采技術(shù)的突破,能夠帶來宏大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益.基于沿空留巷的無煤柱連續(xù)開采技術(shù)在我們國家煤礦已得到普遍使用,根據(jù)能否進(jìn)行人工砌筑充填墻體分為砌筑式沿空留巷法和無充填墻體式沿空留巷法,華而不實(shí)無充填墻體沿空留巷法因其工藝簡單、成本低廉和成巷效果良好等優(yōu)勢獲得行業(yè)內(nèi)較高的認(rèn)可,通過理論研究和技術(shù)創(chuàng)新,無充填墻體沿空留巷法的適用范圍越來越廣,能較好地適應(yīng)不同煤厚、不同煤層傾角和不同瓦斯含量的礦井.中國礦業(yè)大學(xué)鄭西貴教授課題組為解決頂板因充填墻體或保衛(wèi)煤柱的存在構(gòu)成長懸臂梁,頂板不能及時破斷,充填墻體或煤柱承受較大壓力情形下,采用單體支柱結(jié)合鉸接頂梁進(jìn)行巷內(nèi)輔助支護(hù),采用柔膜噴涂隔離采空區(qū),實(shí)現(xiàn)無煤柱、無充填墻體及組合支架被動切頂?shù)难乜樟粝锓绞椒椒?構(gòu)成了自然沿空留巷方式方法成套技術(shù).自然沿空留巷方式方法成套技術(shù)在山西古縣老母坡礦、蘭花寶欣礦等礦井已得到成功應(yīng)用[5],華而不實(shí)在老母坡礦已連續(xù)建成15個使用自然沿空留巷方式方法的工作面,建成國家一級示范礦井,積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)歷體驗(yàn).由切頂短臂梁理論[6,7]發(fā)展而出的自然沿空留巷方式方法,其主要目的是判定巷道頂板是何種性質(zhì)時,在經(jīng)受一次采動影響下能夠自然構(gòu)成切頂短臂梁構(gòu)造.在適宜的時間,以適宜的方式,加快頂板破斷、回轉(zhuǎn)速度,縮短采動應(yīng)力作用時間,降低支承應(yīng)力集中程度,實(shí)現(xiàn)留巷區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場分布的優(yōu)化[8,9];合理的留巷方式能夠更快地穩(wěn)定上覆巖層地變形運(yùn)動,降低工作面回采對留巷空間地影響范圍和時間,優(yōu)化圍巖內(nèi)部應(yīng)力分布.但是由于煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜多變,不同地區(qū),不同礦井,不同煤層的地質(zhì)條件變化較大,其支護(hù)機(jī)理也因而不同,還沒有構(gòu)成健全的自然沿空留巷支護(hù)體系,工程應(yīng)用中往往依靠經(jīng)歷體驗(yàn)來進(jìn)行判別,自然沿空留巷方式方法能否需要進(jìn)行人工切頂以及切頂方式的合理選擇仍有很多難題,需要進(jìn)一步的研究才能解決.本文將以老母坡礦已經(jīng)成功施行自然沿空留巷的工作面作為工程對象,系統(tǒng)研究沿空巷道側(cè)向支承壓力分布特征與礦壓顯現(xiàn)影響范圍等難題.在這里基礎(chǔ)上運(yùn)用科學(xué)合理的研究手段,分析巷道層位選擇、巷道尺寸設(shè)計(jì)、煤層賦存及頂?shù)装鍘r性等因素對于沿空巷道穩(wěn)定性的影響,進(jìn)而有針對性地進(jìn)行巷內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)、巷旁輔助支撐設(shè)計(jì)、加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)和煤幫加固等,進(jìn)而構(gòu)成一套自然沿空留巷方式方法可行性判別根據(jù).本文的研究成果將促進(jìn)無充填墻體自然沿空留巷技術(shù)的發(fā)展,為沿空留巷工作面的頂板控制技術(shù)提供指導(dǎo)和借鑒,提升礦井安全生產(chǎn)水平、積累技術(shù)優(yōu)勢、增加企業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)效益.1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)在狀況綜述1.2.1沿空留巷理論與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)在狀況(1)國外研究現(xiàn)在狀況沿空留巷技術(shù)發(fā)展自20世紀(jì)60年代的德國、英國、前蘇聯(lián)等國家[10-12],技術(shù)應(yīng)用經(jīng)過了多個礦井工作面長期來的工程實(shí)踐與理論研究.沿空留巷方式方法的實(shí)現(xiàn)基本實(shí)現(xiàn)無煤柱開采,因而也得到了大力的推廣.沿空留巷技術(shù)的應(yīng)用主要在于解決巷內(nèi)和巷旁支護(hù)形式的難題.技術(shù)發(fā)展的初期,巷內(nèi)多采用傳統(tǒng)的木垛、矸石帶等形式進(jìn)行支護(hù),因支護(hù)強(qiáng)度缺乏改用可縮金屬支架,獲得較好的支護(hù)效果;在巷旁支護(hù)阻力與隔離采空區(qū)的形式上,各國根據(jù)本身資源與技術(shù)特點(diǎn),提出不同的解決手段.如德國[13,14]在沿空巷道與采空區(qū)中間充填石膏、硅酸鹽水泥、矸石加膠結(jié)料等速凝材料,高強(qiáng)度充填墻體的應(yīng)用有效減少了重型金屬支架的使用,解決了金屬支架無法適應(yīng)圍巖大變形的問題,同時緩解了巷道圍巖的變形,減少巷道后期的修復(fù)工程量,具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢.英國[15]采用矸石帶配合高水材料進(jìn)行巷旁充填,此充填墻體具有密閉性好,強(qiáng)度高,防火性能佳等優(yōu)點(diǎn),常應(yīng)用于高瓦斯煤層沿空留巷,同時發(fā)展出高水速凝材料泵送的輔助充填系統(tǒng),取代人工充填和機(jī)械充填,大大提高了充填墻體的布置效率.前蘇聯(lián)[16]針對無煤柱沿空留巷的頂板圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分級,研究頂板巖層在煤層回采時的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,針對性地提出相應(yīng)的支護(hù)方案,結(jié)合大量的現(xiàn)場工程實(shí)踐和理論研究,總結(jié)出無煤柱沿空留巷開采地技術(shù)措施和適用條件,華而不實(shí)易垮落頂板能夠較好地適用無煤柱沿空留巷技術(shù).當(dāng)前,國外煤礦開采中已有約1/3~1/2均已采用沿空留巷技術(shù),從淺層埋深到千米深井的薄及中厚煤層均有成功應(yīng)用的案例.國外從沿空留巷技術(shù)出現(xiàn)的早期便一直致力于理論基礎(chǔ)的研究,并提出多種適用的理論與力學(xué)構(gòu)造模型.前蘇聯(lián)學(xué)者將采場礦壓的研究方式方法推廣到巷道的礦壓研究中,建立起沿空巷道懸梁模型[17],解決沿空巷道側(cè)向頂板破斷與巷內(nèi)支護(hù)體工作阻力間的對應(yīng)關(guān)系.英國學(xué)者Smar通過控制留巷空間內(nèi)頂板下沉量,關(guān)注頂板的回轉(zhuǎn)變形,重點(diǎn)研究頂板傾斜的角度以及轉(zhuǎn)動的支點(diǎn)位置,建立了頂板傾斜力學(xué)模型[18].英國學(xué)者Whittaker將采場礦壓研究方式方法推廣到巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究中,建立起分離巖塊構(gòu)造模型[19],在不受回采動壓擾動的情形下研究圍巖構(gòu)造的靜力關(guān)系.(2)國內(nèi)研究現(xiàn)在狀況我們國家從上世紀(jì)50年代開場研究沿空留巷技術(shù),多年不懈的理論研究與工程實(shí)踐積累了大量地工程經(jīng)歷體驗(yàn),極大地推動了沿空留巷技術(shù)地發(fā)展.早期階段煤礦在無煤柱護(hù)巷經(jīng)過中,巷內(nèi)支護(hù)阻力與頂板來壓不匹配,金屬剛性支架的特性與頂板下沉的特性不匹配,造成巷道變形嚴(yán)重且難以維護(hù)等問題[20].為解決這類問題,現(xiàn)場逐步發(fā)展出密集支柱、矸石帶等作為巷旁支護(hù)[21],相比于單純提高支架阻力有了較好的效果.中期階段原有的木垛支護(hù)、金屬剛性支架由金屬可縮性支架所代替,金屬可縮性支架具有一定的讓壓能力,能很好的適應(yīng)頂板來壓與下沉特性[22];巷旁支護(hù)的墻體材料也由矸石發(fā)展到高水材料、膏體材料等.沿空留巷技術(shù)發(fā)展至今,巷內(nèi)與巷旁支護(hù)形式一直與裝備制造等技術(shù)的發(fā)展在同步進(jìn)步,當(dāng)前階段下礦井巷內(nèi)采用錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)[23],研制出多種類型的充填支架、充填材料及泵送系統(tǒng)等巷旁墻體充填工藝配套設(shè)施.我們國家很多學(xué)者在沿空留巷理論研究方面也做了大量工作.中國礦業(yè)大學(xué)何滿潮針對落后粗放式的沿空留巷方式方法在不具備優(yōu)勢、經(jīng)濟(jì)效益不明顯的情況下,創(chuàng)新性地提出了切頂卸壓沿空留巷新技術(shù)[6,7,24],研究了采空側(cè)頂板預(yù)裂卸壓機(jī)理,建立圍巖-支護(hù)體穩(wěn)定承載構(gòu)造的模型,提供了巷內(nèi)輔助支撐阻力的計(jì)算方式方法,新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用逐步構(gòu)成了切頂短臂梁理論體系,成功解決了留巷空間成型和支護(hù)多方面的難題.山東科技大學(xué)宋振騏[25]研究了砌筑式沿空留巷墻體材料的支撐性能,提出以采空區(qū)垮落矸石為骨架,結(jié)合新型高分子材料構(gòu)成護(hù)巷充填墻體,此形式不僅減少礦山的矸石污染,還能在一定程度上減輕地表沉陷,進(jìn)而多維度地實(shí)現(xiàn)煤礦的綠色開采.侯朝炯[4,26,27]系統(tǒng)研究了沿空巷道內(nèi)圍巖穩(wěn)定的構(gòu)造機(jī)理,提出沿空巷道圍巖內(nèi)存在大、小構(gòu)造,根據(jù)該原理發(fā)展出的錨桿支護(hù)理論解決了巷內(nèi)支護(hù)的難題,研究了提高錨桿預(yù)緊力和支護(hù)強(qiáng)度對保持圍巖小構(gòu)造穩(wěn)定性的重要意義,構(gòu)成了使用錨桿強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度,充分利用圍巖本身的承載能力的支護(hù)理念.李學(xué)華[28]歸納總結(jié)不同頂板巷道圍巖變形毀壞的特征,分析了圍巖毀壞經(jīng)過中巖體毀壞的形式和裂隙演化規(guī)律,揭示了不同類型巷道頂板災(zāi)禍發(fā)生的一般規(guī)律.研究表示清楚:圍巖毀壞通常從自由面開場產(chǎn)生微觀裂隙,在上覆巖層運(yùn)動變形的影響下,微觀裂隙逐步擴(kuò)展構(gòu)成構(gòu)造弱面,因而控制巷道圍巖變形的有效方式方法之一是用合理的錨固方式將圍巖裂隙發(fā)育區(qū)限制錨固作用范圍內(nèi).據(jù)此建立了分頂、分區(qū)的圍巖控制技術(shù)體系,包括高性能錨桿支護(hù)技術(shù)、預(yù)應(yīng)力錨索強(qiáng)化技術(shù)以及注漿加固技術(shù),并成功地應(yīng)用于工程實(shí)踐.韓昌良[2,9,29]比照了采場圍巖構(gòu)造與沿空留巷區(qū)域的構(gòu)造變形特征,分析了巷道與采場之間的應(yīng)力傳遞關(guān)系,對采空區(qū)進(jìn)行卸壓能有效降低采場和巷道內(nèi)的應(yīng)力峰值,抑制圍巖變形速度,同時揭示了側(cè)向頂板應(yīng)力傳遞機(jī)制,提出側(cè)向楔形承載區(qū)的概念.其理論以為控制沿空留巷穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于主動控制巷道頂板楔形構(gòu)造的構(gòu)成,由此發(fā)展出巷道頂板超前預(yù)裂技術(shù).闞甲廣[8,30]研究了留巷區(qū)域內(nèi)應(yīng)力和變形特征與工作面回采經(jīng)過之間的聯(lián)絡(luò),以為圍巖毀壞與應(yīng)力分布受工作面推進(jìn)的階段性影響,提出在采動應(yīng)力波動時進(jìn)行巷道圍巖支護(hù)體系的讓壓,對巷道及采場進(jìn)行整體強(qiáng)化的思想.結(jié)合高強(qiáng)度錨桿支護(hù)、高強(qiáng)度充填墻體布設(shè)和強(qiáng)力控頂支架構(gòu)成全面有效的支護(hù)承載體系.鄭西貴[31-33]針對不同尺寸的煤柱在經(jīng)受采動影響后華而不實(shí)的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究,同時分析采動影響下巷道頂板變形毀壞規(guī)律,揭示了煤柱寬度對于巷道側(cè)向應(yīng)力演化的影響,總結(jié)出快速判定最佳護(hù)巷煤柱尺寸的方式方法,優(yōu)化巷內(nèi)支護(hù)體系,為無煤柱、無充填墻體的沿空留巷提供了理論基礎(chǔ).孫恒虎[3,34]等根據(jù)巖體分層的特性,做出了巷道頂板巖層各層之間結(jié)合不嚴(yán)密假設(shè),即層與層之間不存在粘結(jié)力,在這里前提下將巷道頂板抽象為疊加梁或疊加板.疊加梁理論以為沿空留巷圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵在于控制較短邊的載荷分布及變化,該理論在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性.朱德仁[35-37]在研究了采場力學(xué)模型和巷道圍巖構(gòu)造的基礎(chǔ)上,提出在工作面端頭部位應(yīng)力較為集中,且處于懸空狀態(tài),頂板可能沿構(gòu)造弱面斷裂,構(gòu)成三角形懸臂梁構(gòu)造.通過比照此模型與采場上覆巖層的構(gòu)造特征、變形運(yùn)動規(guī)律和應(yīng)力分布狀態(tài),能夠更好地認(rèn)識到沿空留巷開采體系里采場與巷道的整體協(xié)調(diào)關(guān)系.在針對沿空留巷變形規(guī)律的研究基礎(chǔ)上,煤礦根據(jù)沿空留巷能否進(jìn)行充填與切頂,大致可將我們國家沿空留巷技術(shù)分為下面三種:①基于定向爆破和恒阻大變形錨索的切頂留巷法何滿潮帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)科研攻關(guān),提出短臂梁理論,建立留巷空間內(nèi)的力學(xué)構(gòu)造模型,革新了工作面回采巷道布置方式和回采工藝,實(shí)現(xiàn)采區(qū)內(nèi)只需在初期布置一條回采巷道,之后的回采巷道在工作面回采的同時自動成巷的N00工法.該工法將工作面回采與回采巷道掘進(jìn)融合為一體,同時研發(fā)出適用于N00工法的回采、錨固、切頂及封閉采空區(qū)的配套設(shè)施,該技術(shù)體系已在陜煤集團(tuán)神南檸條塔礦業(yè)公司成功施行,實(shí)現(xiàn)采區(qū)內(nèi)的連續(xù)生產(chǎn),獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果.②人工切頂沿空留巷切頂沿空留巷是煤礦選擇沿空留巷方式回采時的常用方式,尤其在頂板及其堅(jiān)硬難以自行垮落的區(qū)域,必須使用爆破、水壓致裂的方式方法讓側(cè)向頂板斷裂.常見的技術(shù)方案是:工作面回采前給頂板補(bǔ)打高強(qiáng)度恒阻大變形錨索進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固,在頂板與煤壁交線位置布置爆破鉆孔,頂板預(yù)裂卸壓構(gòu)成切縫線;工作面回采后,利用單體液壓支柱結(jié)合鋼梁進(jìn)行巷內(nèi)輔助加強(qiáng)支護(hù),同時兼做輔助切頂?shù)某尚?③充分利用礦山壓力的無爆破無充填體的自然沿空留巷方式方法鄭西貴在研究不同煤柱寬度對巷道圍巖穩(wěn)定性的變化規(guī)律基礎(chǔ)上,進(jìn)行理論計(jì)算推導(dǎo)和數(shù)值模擬的研究,提出取消護(hù)巷煤柱,優(yōu)化巷內(nèi)支護(hù)與圍巖構(gòu)造的承載體系,加強(qiáng)巷內(nèi)輔助支撐的支護(hù)阻力,構(gòu)成無煤柱、無充填墻體的自然沿空留巷方式方法.該方式方法適用于頂板較完好且能夠自行垮落的回采工作面,巷內(nèi)架設(shè)密集單體支柱配合十字鉸接頂梁構(gòu)成的被動切頂支架,保證頂板的及時破斷,自然構(gòu)成穩(wěn)定留巷空間.該沿空留巷方式方法在冀中能源公司下多個煤礦實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用,華而不實(shí)在老母坡礦和蘭花寶欣礦建成了多個無煤柱無充填沿空留巷工作面,解決了采掘接替緊張,提高煤炭資源回收率,延長礦井服務(wù)年限.1.2.2影響因素評價(jià)與地質(zhì)模型建立研究方式方法煤礦巷道處在人-設(shè)備-環(huán)境等多因素共同影響的復(fù)雜系統(tǒng)中[38],與巷道穩(wěn)定性有關(guān)的各影響因素之間互相關(guān)聯(lián),但又有不同的發(fā)生機(jī)理.煤礦發(fā)展早期,工人根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)歷體驗(yàn),使用敲幫問頂?shù)确绞脚卸ㄏ锏赖姆€(wěn)定性,在一定范圍內(nèi)對巷道可能存在的變形毀壞有預(yù)警作用,但不具有普遍性,判定結(jié)果帶有較強(qiáng)的主觀性,缺乏理論根據(jù).謝和平[39,40]針對如今仍處于初級階段的煤礦生態(tài),從多個方面著手改變現(xiàn)前階段粗放式的資源開采方式,把握住煤炭資源科學(xué)開采和科學(xué)產(chǎn)能的核心,爭取到達(dá)工作面無人化生產(chǎn)、綠色化生產(chǎn)的目的.據(jù)此從多個維度對科學(xué)產(chǎn)能進(jìn)行評價(jià),包括生產(chǎn)安全維度、生產(chǎn)機(jī)械化程度和生產(chǎn)綠色環(huán)保程度,以發(fā)達(dá)國家科學(xué)產(chǎn)能作為基準(zhǔn),建立科學(xué)產(chǎn)能評價(jià)體系.鄒喜正[41,42]等研究了巷道圍巖穩(wěn)定性分類的標(biāo)準(zhǔn),提出將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊聚類預(yù)處理,并應(yīng)用層次分析法分析有哪些因素影響回采巷道圍巖的穩(wěn)定性,確定每個影響因素的權(quán)值.牛少卿、楊雙鎖等[43,44]研究了巷道圍巖穩(wěn)定的分級標(biāo)準(zhǔn),在結(jié)合圍巖構(gòu)造特性及應(yīng)力分布特征的基礎(chǔ)上,以強(qiáng)度準(zhǔn)則作為巷道圍巖失穩(wěn)條件,通過理論分析影響因素的效果,給出了圍巖穩(wěn)定性分類標(biāo)準(zhǔn),并通過分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行針對性的支護(hù)設(shè)計(jì).張嘉勇[45,46]針對巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了類似模擬實(shí)驗(yàn)研究,從地質(zhì)條件、支護(hù)方式、巷道施工工藝等方面對巷道圍巖變形進(jìn)行評價(jià),提出模糊數(shù)學(xué)綜合評判結(jié)合層次分析法進(jìn)行影響因素的定性定量分析,結(jié)合煤礦巷道頂板事故發(fā)生的特點(diǎn)和條件,計(jì)算各影響因素的權(quán)值.于鑫[47]等分析比擬了影響巷道圍巖穩(wěn)定的巷道寬度、高度、埋深、側(cè)壓系數(shù)和圍巖綜合強(qiáng)度等多個影響因素,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案研究因素的影響范圍及大小,結(jié)合類似材料模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比照驗(yàn)證.劉曉云[48]針對地質(zhì)工程的復(fù)雜性和不確定性特點(diǎn),建立不確定信息的綜合處理體系.先根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件,運(yùn)用未確知測度理論,從覆巖構(gòu)造、煤體賦存、施工布置、支護(hù)方案和實(shí)際使用效果等多個方面選取共11項(xiàng)影響因素,通過工程實(shí)踐經(jīng)過中收集的實(shí)測數(shù)據(jù)建立樣本數(shù)據(jù)庫,根據(jù)此數(shù)據(jù)庫建立未確知測度函數(shù),能夠確定巷道圍巖穩(wěn)定性評價(jià)等級,并根據(jù)評價(jià)等級進(jìn)行穩(wěn)定程度排序.運(yùn)用定性分析手段研究評價(jià)體系中的關(guān)鍵因素,運(yùn)用熵原理定量計(jì)算關(guān)鍵因素權(quán)值,同時根據(jù)置信度辨別準(zhǔn)則對巷道類別進(jìn)行斷定.許滿貴[49]綜合分析了多種不確定信息處理方式方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件,選用復(fù)雜且精到準(zhǔn)確度較高的模糊數(shù)學(xué)法結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行不確定信息的處理,充分利用了模糊數(shù)學(xué)能夠綜合評判和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有自學(xué)習(xí)能力的特點(diǎn),建立模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型.該模型能夠通過評價(jià)的經(jīng)過不斷地完善本身,具有并行計(jì)算和在全局范圍內(nèi)尋找最優(yōu)解的能力,適用于影響因素和權(quán)值都在不斷變化的大型復(fù)雜系統(tǒng)的預(yù)測.針對復(fù)雜系統(tǒng)的不確定信息處理,通常難以獲得精到準(zhǔn)確清楚明晰而且可靠的結(jié)果,每種分析方式方法都有本身的適用性與局限性[50],對于本文中將進(jìn)行的巷道穩(wěn)定性模型,應(yīng)在綜合分析多種信息處理方式方法的優(yōu)缺點(diǎn)后選擇最為適宜的.由于本文篇幅較長,部分內(nèi)容省略,具體全文見文末附件6主要結(jié)論本文以老母坡礦5101工作面作為工程背景,采用理論分析、物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬等手段研究了無煤柱、無充填墻體、組合支架切頂?shù)淖匀谎乜樟粝锓绞皆诓煌こ痰刭|(zhì)條件下的可行性,運(yùn)用層次分析法結(jié)合模糊數(shù)學(xué)法建立了沿空巷道圍巖穩(wěn)定性綜合評價(jià)體系,并與老母坡礦2104工作面的工程實(shí)踐進(jìn)行互相驗(yàn)證.本文研究經(jīng)過中得出的主要結(jié)論如下:(1)解釋了自然沿空留巷構(gòu)造的特點(diǎn)和穩(wěn)定性機(jī)理,以及側(cè)向頂板怎樣破斷構(gòu)成穩(wěn)定留巷空間.自然沿空留巷是指留巷空間內(nèi)不留煤柱、不設(shè)充填墻體,通過在巷內(nèi)布置強(qiáng)力的輔助支撐進(jìn)行被動切頂?shù)囊环N沿空留巷方式,其構(gòu)造的穩(wěn)定在于構(gòu)成圍巖-支護(hù)體系,其關(guān)鍵在于在適宜的機(jī)會和空間位置上布置有效的支護(hù)體系構(gòu)成有效的承載體系.(2)分析了巷道頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性質(zhì)及主要支護(hù)材料力學(xué)性能,在這里基礎(chǔ)上進(jìn)行了老母坡礦5101工作面的數(shù)值模擬研究,數(shù)值模擬結(jié)果表示清楚,自然沿空留巷方式方法能夠構(gòu)成穩(wěn)定的留巷空間,巷道圍巖的應(yīng)力及位移分布在工作面回采經(jīng)過中保持較好的穩(wěn)定狀態(tài),呈現(xiàn)分段漸次垮落特征.在工作面連續(xù)推進(jìn)經(jīng)過中,應(yīng)力峰值也逐步向前移進(jìn),應(yīng)力峰值主要集中在工作面端頭附近;滯后工作面40~60m范圍內(nèi)采空區(qū)應(yīng)力值已基本降低到穩(wěn)定狀態(tài);巷道兩幫承受載荷較大,留巷空間內(nèi)頂板受力狀況良好.(3)分析總結(jié)了影響留巷圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬研究,正交試驗(yàn)結(jié)果初步分析表示清楚,各影響因素重要性排序?yàn)?I(埋深)I(巷道高度)I(頂板巖性)I(采高)I(巷道寬度)I(側(cè)壓系數(shù)),華而不實(shí)多因素對巷道圍巖移進(jìn)率的整體影響趨勢趨近線性相關(guān).(4)建立了沿空留巷圍巖頂?shù)装逑鄬σ七M(jìn)率的線性預(yù)測模型:y=0.006A-0.005B+0.004C-0.008R+0.0003H-0.002該模型的決定系數(shù)R2在合理范圍內(nèi),殘差知足正態(tài)分布,預(yù)測模型可靠性較高.基于層次分析法計(jì)算了關(guān)鍵因素的影響權(quán)值,得出[巷道寬度A,巷道高度B,采高C,煤層埋深H,直接頂巖體質(zhì)量等級R,側(cè)壓系數(shù)]的權(quán)值為[0.10,0.09,0.08,0.27,0.46,0.01],判定矩陣通過一致性檢驗(yàn).建立了巷道圍巖類別的從屬度函數(shù),并依此進(jìn)行支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì).綜合上述研究,構(gòu)成自然沿空留巷方式方法的可行性與適用性評判體系.(5)以老母坡礦2104工作面的實(shí)際工程應(yīng)用對本文的研究進(jìn)行了驗(yàn)證,圍巖相對移進(jìn)率估計(jì)值為6.97%,實(shí)際工程中巷道圍巖相對移進(jìn)率約為12%,巷道回采側(cè)幫部變形占據(jù)主導(dǎo)地位,受采動的影響大,距離工作面越近,變形量及變形速度越大;距工作面越近時,巷道頂板下沉越占據(jù)主導(dǎo)地位;底板變形遭到較為強(qiáng)烈的采動影響,距離工作面越近,底鼓變形量及變形速度越大.巷道兩幫與頂?shù)装遄冃乌厔菖c預(yù)測結(jié)果較好的吻合,實(shí)踐證明了無煤柱、無充填墻體沿空留巷方式的可行性,驗(yàn)證了本文所建立巷道圍巖綜合評價(jià)體系的可靠性.致謝彭城春日,天朗氣清,身處校園中,細(xì)數(shù)在礦大求學(xué)七年光陰.這里的一切都在塑造著我的精神,烙印在我的成長道路上.我相信,在中國礦業(yè)大學(xué)的經(jīng)歷值得我銘刻一生.首先感謝我的導(dǎo)師,鄭西貴教授,他優(yōu)秀的做人品質(zhì)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、謙遜的處事風(fēng)格以及忘我的工作精神都潛移默化地影響著我.從論文的開題、研究方向確實(shí)定到最終的成稿,每一步都飽含著教師的諄諄教導(dǎo).很屢次教師會關(guān)切地詢問論文的進(jìn)展情況,指導(dǎo)我關(guān)鍵問題的解決思路.正是教師嚴(yán)格的要求、和顏悅色的教誨,使我有了前進(jìn)的動力.研究生的三年學(xué)習(xí)光陰,正是在教師極具人格魅力的帶領(lǐng)下,心懷夢想兢兢業(yè)業(yè)地走過.感謝山西古縣老母坡煤業(yè)有限公司的劉春雷總工及曹偉康科長在現(xiàn)場實(shí)踐和基礎(chǔ)資料收集方面所給予的幫助和指導(dǎo),感謝技術(shù)科楊志強(qiáng)、王進(jìn)鋒等人對科研項(xiàng)目的支持,在校外實(shí)踐的經(jīng)過當(dāng)中,我感遭到獨(dú)屬于礦業(yè)工作者的豪爽與灑脫,同時他們身上堅(jiān)忍不拔的精神也深深地影響到我.論文的成稿離不開巷道圍巖控制課題組的教師、同門師兄弟的無私幫助,忠心感謝姚強(qiáng)嶺教授、馮曉巍講師、種照輝講師等在課題組內(nèi)部答辯時給予的指導(dǎo),感謝郭玉博士、安鐵梁博士在論文思路上給予的意見,感謝劉燦燦博士、朱登興碩士等在論文寫作及數(shù)值模擬經(jīng)過中給予的幫助,十分感謝馬昂碩士、李之尚碩士、王剛碩士、王濟(jì)宇碩士、段強(qiáng)強(qiáng)碩士、許夢斌碩士等同門師兄弟在資料收集、實(shí)驗(yàn)操作等方面的做出的工作與幫助,在巷道圍巖控制課題組與這樣一群優(yōu)秀的人共事是我的榮幸.感謝礦業(yè)工程學(xué)院、深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、采礦系的各位教師、領(lǐng)導(dǎo)在科學(xué)研究上的支持與指導(dǎo),感謝他們?yōu)閷W(xué)生提供的優(yōu)越的科研平臺和良好的生活環(huán)境.感謝我的家人,他們無私的愛與支持,是我在自個成長的道路上最堅(jiān)強(qiáng)的后盾.勤奮務(wù)實(shí)進(jìn)取奉獻(xiàn)的礦大校風(fēng),好學(xué)力行、求是創(chuàng)新、艱辛奮斗、發(fā)奮圖強(qiáng)的礦大精神都在指引著我前進(jìn)的方向,我將在中國礦業(yè)大學(xué)其獨(dú)特魅力的影響下真正成為一名礦大人,我為身為礦大學(xué)子而自豪.最后,向百忙之中審閱本文和參加論文答辯的各位教師致謝,由于本文水平有限,文章中難免有錯誤之處,還望專家、教授斧正,不甚感謝!以下為參考文獻(xiàn)[1]侯朝炯,勾攀峰.巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)理研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000(03):342-345.[2]韓昌良.沿空留巷圍巖應(yīng)力優(yōu)化與構(gòu)造穩(wěn)定控制[D].中國礦業(yè)大學(xué),2020.[3]孫恒虎,吳健,邱運(yùn)新.沿空留巷的礦壓規(guī)律及巖層控制[J].煤炭學(xué)報(bào),1992(01):15-24.[4]侯朝炯,李學(xué)華.綜放沿空掘巷圍巖大、小構(gòu)造的穩(wěn)定性原理[J].煤炭學(xué)報(bào),2001(01):1-7.[5]曹偉康.沿空留巷技術(shù)在老母坡礦的應(yīng)用[J].煤炭與化工,2021(01):95-98.[6]何滿潮,陳上元,郭志飚,等.切頂卸壓沿空留巷圍巖構(gòu)造控制及其工程應(y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