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综放沿空留巷围岩应力控制及支护技术研究.rar

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    综放沿空留巷 围岩 应力 控制 支护 技术研究
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    中国矿业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 I 页目 录一般部分1 矿区概述及井田地质特征 ...............................................................................................11.1 矿区概述 .....................................................................................................................11.2 井田地质特征 .............................................................................................................31.3 煤层特征 .....................................................................................................................82 井田境界和储量 .............................................................................................................132.1 井田境界 ...................................................................................................................132.2 矿井工业储量 ...........................................................................................................142.3 矿井可采储量 ...........................................................................................................163 矿井工作制度、设计生产能力及服务年限 .................................................................193.1 矿井工作制度 ...........................................................................................................193.2 矿井设计生产能力及服务年限 ...............................................................................194 井田开拓 .........................................................................................................................214.1 井田开拓的基本问题 ...............................................................................................214.2 矿井基本巷道 ...........................................................................................................315 准备方式— 采取巷道布置 ...............................................................................................435.1 煤层的地质特征 .......................................................................................................435.2 采区巷道布置及生产系统 .......................................................................................445.3 采区车场选型设计 ...................................................................................................496 采煤方法 .........................................................................................................................506.1 采煤工艺方式 ...........................................................................................................506.2 回采巷道布置 ...........................................................................................................617 井下运输 .........................................................................................................................637.1 概述 ...........................................................................................................................637.2 采区运输设备选择 ...................................................................................................657.3 大巷运输设备选择 ...................................................................................................668 矿井提升 .........................................................................................................................688.1 概述 ...........................................................................................................................688.2 主副井提升 ...............................................................................................................689 矿井通风及安全 ...............................................................................................................729.1 矿井地质、开拓、开采概况 ...................................................................................72中国矿业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 II 页9.2 矿井通风系统的确定 ...............................................................................................729.3 矿井风量计算 ...........................................................................................................769.4 矿井通风阻力 ...........................................................................................................819.5 矿井通风设备选型 ...................................................................................................869.6 特殊灾害的预防措施 ...............................................................................................9110 设计矿井基本技术经济指标 .........................................................................................92参考文献 ...............................................................................................................................93专题部分 综放沿空留巷围岩应力控制及支护技术研究 ...............................................941 绪论 ...................................................................................................................................941.1 问题的提出及研究意义 ...........................................................................................941.2 研究现状 ...................................................................................................................942 综放沿空留巷围岩结构 .................................................................................................983 沿空留巷围岩应力分布 .................................................................................................984 沿空巷道围岩控制理论 ...............................................................................................1004.1 煤层巷道失稳力学机理 .........................................................................................1014.2 综放沿空巷道破坏形式 .........................................................................................1025 综放沿空留巷支护结构可靠性分析的必要性 ...........................................................1026 巷内支护形式 ...............................................................................................................1037 综放沿空巷道帮锚杆剪切破坏分析 ...........................................................................1047.1 综放沿空留巷矿压与数值计算模型 .....................................................................1047.2 顶板锚杆剪切变形的数值模拟 .............................................................................1068 巷旁支护形式 ...............................................................................................................1079 综放沿空留巷充填支护研究 .......................................................................................1099.1 综放沿空留巷充填概述 .........................................................................................1099.2 综放巷内充填原位沿空留巷围岩结构力学模型 .................................................1099.3 工程实例 .................................................................................................................11110 结论 .............................................................................................................................112参考文献 .............................................................................................................................114翻译部分 英文原文 .......................................................................................................115STRESS DISTRIBUTION AROUND MINE WORKINGS .........................................115矿山巷道围岩应力分布的计算方法 .................................................................................124致 谢 .................................................................................................................................131中国矿业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 1 页1 矿区概述及井田地质特征1.1 矿区概述1.1.1 矿区的地理位置涡北井田位于淮北平原西部,行政区划属安徽省涡阳县管辖。井田中心南距涡阳县城 4 km。井田范围:矿井范围南起 F9 断层,北至刘楼断层;东起太原组第一层灰岩顶面的隐伏露头线,西止于 32 煤层-1000 m 水平等高线的地面投影线。平面上近似为一矩形,南北长约 6 km,东西宽约 3.2 km,勘查面积约 19.2 km2。地 理 坐 标 为 东 经 116°09′58″ ~ 116°12′45″, 北 纬 33°30′53″ ~ 33°34′48″。濉阜铁路从矿井东南约 3 km 处通过,涡阳车站距矿井中心约 5 km 左右,在矿井的西部约 40 km 处有京九铁路;涡阳~河南省永城公路纵贯全区,涡阳至阜阳、蚌埠、亳州、淮北及邻县有四通八达的公路网。涡河可长年通航小型机动船,上游可达亳州,下游直通淮河。因此本区交通运输条件十分便利,井田交通位置图如图 1-1-1。1.1.2 矿区的气候条件本区属季风暖温带半湿润气候,气候温和,四季分明。年平均气温 14.6℃,最高气温 41.2℃,最低气温-24℃。最早冻结期为 11 月,最迟解冻为翌年 3 月,最大冻土深度为 0.19 m。年平均风速为 3.2 m/s,平均降雨量 811.8 mm,雨季集中在 7~8 月份。春秋季多东北风,夏季多东~东南风,冬季多北~西北风。1.1.3 矿区的地形地貌及水文条件本区地势平坦,地面标高+29.49~+31.80 m,地势西北高东南低,地面村庄较多。涡河及其支流武家河为长年性河流,由西北向东南流径井田西南部,涡阳县城关涡河节制闸上游最高洪水位(1963 年 8 月 7 日)标高为+30.45 m。区内沟渠纵横,均为人工开挖的灌溉沟渠,较大的涡新河长年有水。1.1.4 地震情况根据《中国地震动参数区划图》 (GB18306-2001 ) ,本区地震烈度为Ⅶ度。1.1.5 矿区内工农业生产、建筑材料等概况井田位于淮北平原西部,以农业为主,工业欠发达。农作物主要有小麦、大豆、红薯、玉米等。井田 8 煤组赋存区内共有大小村庄 22 个,其中初期移交采区范围村庄 6 个,共 1110 户。投产工作面影响范围需搬迁村庄 1 个,共 134 户。矿井建设和生产期间应根据国家政策,有计划的妥善处理征地和迁村事宜。矿井建设中的钢材、木材、水泥等材料主要由外地供应,砖、瓦、砂、石等土产材料均可由当地解决。1.1.6 区域电源本区电源充沛可靠。涡阳县城南现有 220/110/35kV 区域变电所,其变压器容量为中国矿业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 2 页1×120 MVA+1×90 MVA,为双回路供电方式。设计矿井供电电源引自涡阳县城南220/110/35 kV 区域变电所,采用 35 kV 向矿井供电,每回线路长约 14 km。目前矿井供电线路已经架设完毕并供电。图 1-1-1 交通位置示意图1.1.7 水源本区水源充足。根据现有水文地质资料,新生界第一含水层富水性强,水质较好,可作为矿井的生活水源。矿井水经处理后,可作为矿井及选煤厂生产用水。 经涡阳县水利局涡水政字[2001]93 号文《关于对淮北矿业有限公司〈关于涡北矿井取水许可预审请函〉的复函》批准,同意日取水量 1200 m3,基本可以满足矿井生活用商 丘 市 徐 州 市亳 州 市 淮 北 市宿 州 市永 城阜 阳 市淮 南 市 蚌 埠 市涡 阳砀 山蒙 城太 和 颖 上 寿 县江 苏 省南河 省徽安 省16° 17°16° 17°34°34°34°34°中国矿业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 3 页水量的需求。矿井投产后,正常排水量为每小时 250 m3,远大于矿井及选煤厂生产用水需求。本矿井供水水源是可靠的,已得到落实。1.2 井田地质特征1.2.1 区域地质特征淮北煤田中的地层类型,属华北型地层范畴,且为其中淮河地层分区中之淮北地层小区。在地层层序中,除部分缺失外,一般均发育比较齐全,地层综合柱状图如图1-2-1。1.2.2 地层特征本矿井内古生界岩层均隐伏于新生界松散层之下,经钻孔揭露,自下而上分别为奥陶系考虎山组、石炭系本溪组、太原组,二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组,第三系、第四系。各组岩性特征由老到新简述如下:1)奥陶系(O 2t)老虎山组:揭露厚度 10.76 m,为深灰色略带肉红色块状微晶白云质含泥质灰岩,含燧石结核,裂隙尤为发育。2)石炭系(C)(1)中统本溪组(C2b) 与下伏老虎山组假整合接触。厚 43.73 m,为深灰色钙质泥岩、暗紫色~杂色铝质泥岩、铁铝质泥岩为主,上部夹浅灰白色生物碎屑泥晶灰岩两层。(2)上统太原组(C 3t)与下伏本溪组整合接触,厚 127.70 m。根据岩性特征分段叙述如下:下段:为深灰色生物碎屑泥晶灰岩,有孔虫、瓣鳃类等动物化石。中段:浅灰色~灰色细中粒石英砂岩、泥岩夹薄煤三层及生物碎屑灰岩一层。上段:灰~深灰色泥晶生物碎屑灰岩5层夹深灰色泥岩及薄层细砂岩。灰岩中含较多蜓类、腕足类、珊瑚、海百合茎等动物化石。3)二叠系(P )(1)下统山西组(P 1S)与下伏太原组整合接触。底界以太原组L 1 灰岩之顶为界,上界至铝质泥岩下骆驼钵砂岩之底,厚 66.85 ~ 108.11 m,平均厚 87.76 m。由砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层组成,含10、11 两煤层(组) 。(2)下统下石盒子组(P 1X)与下伏山西组整合接触。下界从骆驼钵砂岩之底,上界至 3 煤组下 K3 砂岩之底,地层厚 246.73~255.31 m,平均厚 250.04 m,岩性由砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层组成。本组为本矿主要含煤段,含 4、5、6、8 等四个煤组,其中 8 为本矿主要可采煤层。(3)上统上石盒子组(P 2S)与下伏下石盒子组整合接触。下界从 K3 砂岩之底,上界至平顶山砂岩之底,厚约642 m。由砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层组成。泥岩、粉砂岩颜色变杂,紫色和绿色增多。含 1、2、3 三个煤层(组) ,其中 3 煤层为局部可采煤层。中国矿业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 4 页(4)上统石千峰组(P 2h)与下伏上石盒子组整合接触,揭露厚度>310 m。中国矿业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 5 页图 1-2-1 地层综合柱状图灰 色 ~ 深 灰 色 ,泥 质 结 构 ,平行 节 理 ,端 口 平 坦 岩 芯 破 碎灰 色 ,薄 ~ 中 厚 层 状 ,平 行 节理 裂 隙 发 育 ,为 方 解 石 充 填灰 色 薄 ~ 中 厚 层 状 ,平 行 节理 ,裂 隙 发 育 ,为 方 解 石 充 填灰 色 ,粉 砂 质 结 构 ,垂 直 裂 隙黑 色 ,阶 梯 状 ,条 痕 黑 褐 色 ,玻 璃 光 泽 属 半 亮 光 亮 型 煤地 层 单 位界 系 组统 层 厚/m柱 状 图1: 50煤 层标 号 岩 石 名 称 岩 性 描 述8.20层号1.504.707.603.900.857.3015.263.709.506.805.3110.352.500.764.276.38煤泥 岩细 砂 岩粉 砂 岩泥 岩煤砂 质 泥 岩细 砂 岩砂 质 泥 岩细 砂 岩含 铝 泥 岩粉 砂 岩细 砂 岩炭 质 泥 岩煤泥 岩细 砂 岩8煤6656463626160595857676869707172736煤0煤古生界二叠系下统下石盒子组灰 白 色 中 厚 层 状 ,细 粒 结 构含 互 层 状 粉 砂 质 平 行 节 理深 灰 色 ,中 厚 层 状 ,泥 质 结构 水 平 层 理 裂 隙 发 育黑 色 ,粉 末 状 ,条 痕 黑 褐 色 ,丝 绢 光 泽 属 半 暗 型 煤灰 色 ~ 深 灰 色 ,泥 质 结 构 ,滑 面裂 隙 发 育 ,端 口 平 坦 ,岩 芯 破 碎灰 白 色 细 粒 结 构 钙 质 胶结 ,分 选 中 等 ,岩 石 破 碎灰 色 ,粉 砂 质 结 构 ,垂 直 裂 隙浅 灰 白 色 ,中 厚 层 状 ,泥 质 结构 含 铝 质 ,裂 隙 发 育灰 色 ,薄 ~ 中 厚 层 状 ,平 行 节理 裂 隙 发 育 ,为 方 解 石 充 填灰 色 ~ 深 灰 色 泥 质 结 构 ,平行 节 理 ,端 口 平 坦 ,岩 芯 破 碎黑 色 粉 末 状 条 痕 黑 褐 色 ,丝 绢 光 泽 ,属 半 暗 型 煤深 灰 色 中 厚 层 状 ,泥 质 结构 水 平 层 理 裂 隙 发 育深 灰 色 ,中 厚 层 状 ,泥 质 结构 水 平 层 理 裂 隙 发 育9.2中国矿业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 6 页上段:砖红色粉砂岩为主,夹细砂岩薄层,镜下鉴定石英含量可达 75 ~ 85%,长石含量 10%左右,含有重矿物,基底式、接触式胶结,填隙物主要为钙质,少量泥质,常见钙质结核,平行层理发育,层面含白云母片。4)上第三系(1)中新统本统与下伏二叠系呈不整合接触。厚度 111.20 ~ 147.80 m,平均为 133.50 m,一般可分为三段:下段:为残坡积相沉积,岩性较杂,其厚度变化大,为 0 ~ 11.35 m,一般厚度 3 ~ 4 m,为深黄、灰白、灰绿及棕红色砂砾、砾石、粘土砾石、粘土质砂及钙质粘土组成,多呈半固结状。中段:为湖相沉积,岩性为灰绿色粘土和半固结及固结状灰白色泥灰岩及钙质粘土。泥灰岩坚硬有溶蚀现象,具溶孔或小溶洞。一般厚度 10 m 左右。上段:为湖相沉积,岩性由灰绿、灰白、灰黄色厚层粘土及砂质粘土间夹 5~8 层细砂或粘土质砂组成。粘土单层厚度大,分布稳定,质纯致密,具静压滑面。一般厚度 110 m 左右。(2)上新统与下伏中新统呈整合接触,为河湖相沉积物,分为上中下三段:下段:棕黄、灰绿、灰白色中细砂及粉砂、粘土质砂间夹 3 ~ 6 层砂质粘土及粘土组成。一般厚度 55 m 左右。中段:棕黄及浅黄色中细砂和粉砂间夹 3 ~ 5 层粘土或砂质粘土,砂层单层厚度大,结构松散。局部夹 1 ~ 3 层薄层呈透镜状分布的砂岩(盘) ,钙泥质胶结,岩性坚硬。本段厚度 95 m 左右。上段:灰绿、浅黄、棕黄色粘土及砂质粘土夹 2 ~ 3 层细砂及粘土质砂。顶部富含钙质及铁锰质结核组成古土壤层,相当于沉积间断古剥蚀面,是第三系与第四系地层的分界线。厚度 32 m 左右。5)第四系该地层假整合于上第三系之上,厚度 83 ~ 99 m,一般为 91 m 左右。1.2.3 构造涡北煤矿位于淮北煤田涡阳矿区的东北部,地处宿北断裂、光武~固镇断裂及夏邑~固始断裂和丰涡断裂所围成的菱形地块内。主体构造表现为一遭受断层(块)切割了的西倾单斜。矿井构造明显受到区域构造的制约。涡北煤矿井田构造中等,局部中等偏复杂。总体上为一走向近南北,向西倾斜的单斜构造,地层倾角一般在 15~25º。其南、北自然边界分别为 F4 断层及其分支 F4-1 断层和刘楼断层。区内的 F1(横向) 、F 2(纵向)和 F3(纵向)三条相交的正断层将矿井分割成六个小区。Ⅰ区:刘楼断层~F 2 间, F1~矿井浅部边界;Ⅱ区: F2~F 3 间,F 1~矿井浅部边界;Ⅲ区:F 3~F 4 间,F 1~矿井浅部边界;Ⅳ区:刘楼断层~F 2 间,F 1~矿井深部边界;Ⅴ区:F 2~F 3 间,F 1~矿井深部边界;Ⅵ区:F 3~ F4 间,F 1~矿井深部边界。1)褶皱构造中国矿业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 7 页本矿褶曲不甚发育,仅存在一些宽缓的波状起伏。F 1 断层以东的Ⅰ、Ⅱ小区,地层倾角变化不大,一般在 18º 左右;F 1 断层以西的Ⅲ 、Ⅳ小区,地层倾角则相对较为平缓,但沿走向也有一定的变化,北部宽缓,地层倾角在 11~21º 之间,一般在 17º 左右。自第8 勘查线向南~-700 m 水平以深的地段,地层倾角变陡,由 21º 逐渐变为 25º,致使南部水平宽度减小,地层走向也逐步拐向西南方向。2)断层根据《涡北井田勘探(精查)地质报告》 ,全区共发现断层 6 条,分别为刘楼断层、F1、F 2、F 3、 F4、 F4-1。其中刘楼断层为北部井田边界,F 4、F 4-1 为南部井田边界。F1、F 2、F 3 为井田内断层。刘楼断层:为矿井北部边界。正断层,走向近 EW,倾向 N,走向长度>3 k m,落差>1000 m,倾角 30~50º。断层控制严密,属查明断层;F4 断层:为矿井南部边界。正断层,走向总体为 NE 方向,在矿井浅部逐渐转向近EW 方向。倾向 SE,走向长度>2.3 km,落差>280 m ,倾角 70º。属查明断层;F4-1 断层:为矿井东南部边界。正断层,走向总体为 NE 方向,倾向 SE,走向长度>900 m,落差>270 m,倾角 50º,南部被 F3 所截。为查明断层;F1 断层:为分区断层。正断层,走向 SN,倾向 E,走向长度>6 km ,贯穿整个矿井。落差 20~250 m 不等,北部较小,一般3.7 km,切割整个矿井。落差在 40~310 m 之间,倾角为 40~70º。属查明断层;F3 断层:走向总体近 EW,东段由于受 F1 的切割影响,使其走向变为 NEE 向。落差在 0~40 m 之间,倾角为 15º。属查明断层。3)岩浆岩区内岩浆活动不甚强烈,仅在矿井边缘有两个钻孔见到。其中一孔:斑状花岗岩,厚度 7.80 m,侵入层位位于本溪组顶部;另一孔:闪斜煌斑岩,厚度 1 m,侵入层位在上石盒子组上部,下距 3 煤组约 270 m 左右。根据已有资料分析,岩浆岩对矿井内煤层、煤质影响的可能性较小。从区域岩浆岩资料及本矿井的侵入层位可以推断,区内岩浆岩的侵入时代应属于燕山期。4)岩溶塌陷通过三维地震勘探在勘探区内没有发现直径大于 30 m 的陷落柱。1.2.4 水文地质条件1)主要充水含水层(1)新生界第四含水层本含水层(组)直接覆盖在煤系地层之上,其厚度变化主要受古地形控制,含水层厚度 0~11.35 m,平均厚 3.43 m。其岩性较复杂,多为半固结及固结状砾石及粘土质砂组成。分布极不稳定。与煤系砂岩裂隙水有一定的水力联系,是浅部煤层开采的主要补给水源;(2)煤系砂岩裂隙含水层(段)煤系砂岩裂隙水是矿井的直接充水水源,由于砂岩裂隙发育不均一,一般富水性较中国矿业大学 2012 届本科毕业设计说明书 第 8 页弱,以静储量为主,补给量不足;(3)灰岩岩溶裂隙含水层(段)太灰和奥灰岩溶裂隙发育不均,富水程度不一,但总体上讲,是富水含水层,正常情况下对煤层开采无直接充水影响,但当遇断层使煤层与灰岩对口接触或其间距缩短或是遇封闭不良钻孔等情况,灰岩水有可能突入矿井。随着采掘的延深,加之灰岩水压高的影响,灰岩的可能突水性大大增加。太灰和奥灰水的防治是本矿防治水工作的重点和难点;(4)断层本矿构造属中等局部偏复杂类型。断层破碎带岩性较混杂,主要为泥岩、粉砂岩及少量砂岩,挤压揉皱现象严重,但钻探揭露时均未发生漏水。断层的富水性弱,导水性差。但由于本矿部分为层断距大,造成 62、6 3、8 煤层与太灰对口。开采到这些部位时,太灰的突水可能性很大,应引起重视。2)主要隔水层(1)新生界第三隔水层(组)主要由灰绿色粘土和砂质粘土组成,粘土可塑性好,膨胀性强,厚度大且分布稳定,具有良好的隔水性,可有效地阻隔三含及其以上各含水层与四含及各基岩含水层的水力联系;(2)8 煤组下隔水层(段)隔水层厚 17.26~66.41 m,一般 30 m 左右,以铝质泥岩、泥岩和粉砂岩为主夹少量砂岩,裂隙不发育,隔水性能较好;(3)11 煤底至太原组灰岩顶部隔水层(段)11 煤距太灰间距为 7.63~19.77 m,平均间距 14.49 m,一般起不到防水作用,若开采 11 煤,底板突水可能性大,必须采取有效措施。3) 矿井涌水量设计结合地质报告所提矿井涌水量,并参考邻近矿井估算矿井正常涌水量为 250 m3/h,最大涌水量为 280 m3/h。4)矿井开采受水害威胁程度本矿为全隐伏煤田,上覆巨厚新生界松散层,松散层一般厚度为 400 m 左右。由于有厚度大、隔水性良好的第三隔水层的存在,地表水及一、二、三含水对矿井充水无影响。在合理留设防水煤柱的情况下,四含水是矿井充水的补给水源,但四含水厚度不大,富水性较弱,对矿井开采影响不大。煤系砂岩裂隙水是矿井充水的直接充水水源,但煤系砂岩裂隙发育不均一,一般富水性较弱,以静储量为主,对矿井充水威胁不大。太灰在正常情况下,距 8 煤 100 多米,除开采 112 煤层外,一般对其它煤层影响不大,但要注意受断层影响,煤层和太灰对口部位。5)水文地质条件分类的综合评定按照《矿井水文地质规程》中有关矿井水文地质条件分类标准,通过对本矿井水文地质条件综合分析,水文地质条件应为以裂隙充水为主的简单~中等类型,若开采 112 煤,由于受底板灰岩水威胁,水文地质条件应为中等类型。
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