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浅析深井巷道的围岩变形破坏机理与支护技术.rar

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    浅析 深井 巷道 围岩 变形 破坏 机理 支护 技术
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    中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 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 ........................................................................................................................72 井田境界及储量 ....................................................................................................................102.1 井田境界 ......................................................................................................................102.2 矿井工业储量 ..............................................................................................................102.3 矿井可采储量 ..............................................................................................................133 矿井工作制度、设计生产能力及服务年限 ........................................................................163.1 矿井工作制度 ..............................................................................................................163.2 矿井设计生产能力及服务年限 ..................................................................................164 井田开拓 ................................................................................................................................184.1 矿井开拓的基本问题 ..................................................................................................184.2 矿井基本巷道 ..............................................................................................................305 准备方式— 采区巷道布置 ....................................................................................................415.1 煤层地质特征 ..............................................................................................................415.2 采区巷道布置及生产系统 ..........................................................................................415.3 采区车场选型设计 ......................................................................................................456 采煤方法 ................................................................................................................................476.1 采煤工艺方式 ..............................................................................................................476.2 回采巷道布置 ..............................................................................................................577 井下运输 ................................................................................................................................607.1 概述 ..............................................................................................................................607.2 采区运输设备选择 ......................................................................................................617.3 大巷运输设备选择 ......................................................................................................648 矿井提升 ................................................................................................................................668.1 概述 ..............................................................................................................................668.2 主副井提升 ..................................................................................................................669 矿井通风及安全 ....................................................................................................................709.1 矿井地质、开拓、开采概况 ......................................................................................709.2 矿井通风系统的确定 ..................................................................................................709.3 矿井风量计算 ..............................................................................................................739.4 矿井通风阻力计算 ......................................................................................................809.5 选择矿井通风设备 ......................................................................................................849.6 特殊灾害的预防措施 ..................................................................................................8910 设计矿井基本技术经济指标 ..............................................................................................90中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 II 页参考文献 ....................................................................................................................................91专题部分浅析深井巷道的围岩变形破坏机理与支护技术 ....................................................................921 引言 ........................................................................................................................................922 深井巷道支护研究现状及存在问题 ....................................................................................932.1 深井巷道的研究进展 ..................................................................................................932.2 深井巷道矿压显现的研 究现状 ..................................................................................932.3 国内外在深井巷道支护方面的研究现状 ..................................................................942.4 深井巷道支护存在的问题 ..........................................................................................953 深井巷道围岩变形破坏机理及支护研究 ............................................................................963.1 巷道变形破坏机理分析 ..............................................................................................963.2 深井巷道支护机理 ......................................................................................................964 深井回采巷道支护相似模拟研究 ........................................................................................994.1 概述 ..............................................................................................................................994.2 矿区工程地质条件和开采条件 ..................................................................................994.3 回采巷道相似模拟试验设计 ......................................................................................994.4 相似模拟试验结果分析 ............................................................................................1004.5 相似模拟试验结论 ....................................................................................................1035 深井软岩巷道围岩变形破坏及耦合支护数值模拟研究 ..................................................1045.1 软岩巷道围岩控制理论研究的发展和现状 ............................................................1045.2 软岩的工程特征及力学属性 ....................................................................................1045.3 深井软岩巷道破坏机理与特点 ................................................................................1065.4 深井软岩巷道的支护 ................................................................................................1075.5 巷道耦合支护作用数值模拟研究 ............................................................................1075.6 模拟试验结论 ............................................................................................................1106 结论 ......................................................................................................................................1116.1 深井巷道围岩变形破坏机理 ....................................................................................1116.2 深井巷道支护技术 ....................................................................................................111参考文献 ..................................................................................................................................113翻译部分 英文原文 ..................................................................................................................................114中文译文 ..................................................................................................................................123致 谢 ......................................................................................................................................130中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 1 页1 矿区概述及井田地质特征1.1 矿区概述1.1.1 井田位置及交通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,地理坐标东径 116°09′58″~ 116°12′45″,北纬 33°30′53″~33°34′48″。井田东西宽约 2.7 km,南北长约 5.5 km,面积约 15 km2。濉(溪)~阜(阳)铁路从井田东南约 3km 处通过,该线往东北经符离集可接入津沪线,往西南经阜阳可接入京九线。井田附近在濉~阜铁路上有涡阳和龙山两个车站,距井田中心分别为 5 km 和 11 km。区内公路四通八达。涡阳~永城公路纵贯井田东部,涡阳往阜阳、蚌埠、亳州、淮北、永城等邻近市、县均有公路相通。涡河是淮河的支流,距矿井工业场地最近处仅 2 km,可通行 200 t~400 t 级船。由涡河经怀远可进入淮河,还可经洪泽湖于淮安转入京杭运河进入长江。因此,本区地理位置优越,交通运输方便,矿井具备铁路、公路和通航河流三种运输条件。交通位置见图 1-1-1。1.1.2 地形地貌与水文情况本区地势平坦,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。1.1.3 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。1.1.4 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 矿区经济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。矿井建设中的钢材、木材、水泥、等材料主要有外地供应,砖、瓦、砂、石等土产材料均可由当地解决。井田中心距涡阳县城仅 4 km,为本矿井建设和生产、居民生活等依托城市提供了便利条件。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 2 页1.1.6 区域电源本区电源充沛可靠。涡阳县城南现有 220/110/35 kV 区域变电所,其变压器容量为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。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。1.1.8 拆迁征地问题井田 8 煤组赋存区内共有大小村庄 22 个,应根据国家政策,有计划的妥善处理征地和迁村事宜。图 1-1-1 涡北煤矿交通位置图商 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 届本科生毕业设计 第 3 页1.2 井田地质特征图 1-2-1 煤层柱状图灰 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7.37中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 4 页1.2.1 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。各组岩性特征如图 1-2-1 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。(4)上统石千峰组(P 2h)与下伏上石盒子组整合接触,揭露厚度大于 310 m。下段:厚约 80 m。为灰白色粗粒石英砂岩夹砖红色细砂岩、粉砂岩薄层,石英含量可达 85 ~ 90%,含长石及重矿物,接触式、基底式胶结,填隙物主要为硅质、少量泥、钙质,局部可见泥岩角砾,厚层状,层理不发育。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。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 5 页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。 1.2.2 地质构造涡北井田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块内。井田主体构造表现为一遭受断层(块)切割了的西倾单斜,明显受到区域构造的制约。井田地质构造复杂程度属中等类型,局部中等偏复杂。1)断层根 据 《 涡 北 井 田 勘 探 ( 精 查 ) 地 质 报 告 》 , 全 区 共 发 现 断 层 5 条 。刘楼断层:为矿井北部边界。正断层,走向近 EW,倾向 N,走向长度大于 3 km,落差大于 1000 m,倾角 30 ~ 50º。F1 断层:正断层,走向 SN,倾向 E,走向长度大于 5.5 km,贯穿整个矿井。落差 66 ~ 290 m 不等,北部较小,一般小于 100 m,最小为 80 m,向南变大,最大 290 m。断层倾角变化也较大,在 30 ~ 75º 之间,局部呈舒缓波状,由北向南倾角逐渐增大,造成无煤带水平宽度在 70 ~ 250 m 之间,一般为 150 m 左右。F2 断层:正断层。走向总体近 EW。走向长度约 3 km,贯穿井田倾向。落差 20~150 m,浅部小,深部大,断层倾角 45 ~ 70º。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 6 页F3 断层:正断层 ,走向总体近 EW。走向长度约 3 km,贯穿矿井倾向。落差 100~350 m,倾角 40º -70º。F4 断层:正断层 ,位于井田南部边界,走向总体近 EW,在浅部逐渐变成近 SN,走向长度约 3 km,落差大于 270 m,倾角 50°。2)岩浆岩区内岩浆活动不甚强烈,仅在井田边缘有两个钻孔见到。根据已有资料分析,岩浆岩的侵入时代应属于燕山期,岩浆岩对井田内煤层、煤质影响的可能性较小。1.2.3 水文地质淮北煤田位于安徽省淮北平原的北部,为新生界松散层覆盖的全隐蔽煤田。在地貌单元上属华北大平原的一部分,除濉溪、肖县和埇桥区北部符离集~徐州一带为震旦、寒武、奥陶系等基岩裸露的剥蚀低山,残丘和山间谷地外,其余地区皆为黄、淮河冲积平原。区内河渠纵横,河流较多,多属淮河水系。1)主要水文地质条件(1)地表水本矿范围内的地表水均属淮河水系,主要地表水系为涡河、武家河、涡兴河等。涡河是淮河北岸的一级支流,流经本矿西南边界,由西北流向东南汇入淮河。涡河常年水深 1 ~ 2 m,汛期 4 ~ 8 m,3 年、5 年、10 年一遇流量分别为 1100 m3/s、1500 m 3/s、1800 m 3/s。(2)新生界松散层矿内煤系地层均被新生界松散层所覆盖。松散层厚度受古地形所控制,总体趋势是自东向西逐渐增厚,两极厚度 378.80 ~ 445.40 m,一般厚度为 400 m 左右。按其岩性组合及区域资料对比,自上而下可划分出四个含水层(组)和三个隔水层(组) 。①第一含水层(组)底板深度在 31.30 ~ 35.40 m 之间,一般为 33.66 m 左右。含水砂层厚度为 14.85~26.00 m,一般为 20.85 m 左右。顶部近地表 0.5 m 左右为褐灰色耕植土,埋深在 5~7 m 处富含钙质结核和铁锰质结核。该层(组)主要由浅黄色细砂、粉砂及粘土质砂,夹 2~3 层薄层状砂质粘土组成。②第二含水层(组)底板深度 86.30~97.10 m,一般为 91.39 m 左右。含水层厚度 12.00 ~ 28.50 m,一般为20.50 m 左右,由浅黄色细砂、粉砂及粘土质砂,夹 5 ~ 8 层砂质粘土或粘土组成。该含水层(组)砂层单层厚度小,变化大,一般砂层不发育。③第三含水层(组)底板深度为 260.20 ~ 297.60 m,一般为 270 m 左右,含水层厚度 69.50 ~ 124.10 m,一般为 100 m 左右,由深黄、棕黄、棕红、灰白色、中砂、细砂、粉砂及粘土质砂,夹 5 ~ 8层粘土或砂质粘土组成。(3)基岩含水层①二叠纪地层含水层叠纪地层岩性主要由泥岩、粉砂岩及砂岩所组成,并以泥岩和粉砂岩为主。砂岩裂隙一般不发育,即使局部地段裂隙较发育,也具有不均一性,且抽水试验水量较小。中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 7 页②8 煤组顶、底板砂岩裂隙含水层(段)含水层厚 3.50 ~ 40.00 m,平均厚度 21.43 m,由浅灰色中细粒砂岩为主,夹泥岩和粉砂岩组成,裂隙不甚发育,钻探揭露时无漏水现象。2)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,取矿井正常涌水量 320 m3/h,考 虑 井 筒 淋 水 及 消 防 洒 水 、 黄 泥 灌 浆 等 生 产 工 艺 中 增 加 的 水 量 , 确 定 矿 井 最 大 排水 量 为 360 m3/h。1.3 煤层特征1.3.1 煤层本井田二叠纪含煤地层,总厚约 990 m,含煤 20~ 30 余层,煤层总厚约 20~26 m 。上石盒子组下部含 1、2、3 三个煤组,多为薄煤层。下石盒子组含 4、5、6、8 等四个煤组,为井田主要含煤段。山西组下部含 10 煤组,煤层薄。1)可采煤层全井田可采和局部可采的有 3、6、8、10 等四层煤层,总厚度 9.86 m,占煤层总厚的44%,其中 8 煤为主要可采的较稳定煤层,总厚度 7.37 m,占可采煤层总厚的 75%;其它为不稳定的局部可采煤层。3 煤层:位于上石盒子组下部,为本组唯一可采煤层。煤层厚 0.22~1.75 m,平均 0.88 m,可采指数 58%。结构简单,部分见煤点具一层夹矸,夹矸为炭质泥岩或泥岩。 32 煤层为局部可采的不稳定煤层。煤层顶、底板以泥岩为主,并有少量粉砂岩和细砂岩。6 煤层:位于下石盒子组下部,上距 3 煤层平均间距为 211.25 m,煤层厚 0~1.66 m,平均 0.76 m,可采指数 30%。结构简单,少数见煤点具一层夹矸,夹矸为炭质泥岩。6 煤层为局部可采的不稳定煤层。煤层顶、底板以泥岩为主,并有少量粉砂岩。8 煤层:位 于 下 石 盒 子 组 下 部 , 上 距 6 煤 层 平 均 间 距 38.16 m, 煤 层 厚 7.06~ 7.68 m,平 均 7.37 m, 可 采 指 数 100%。 结 构 简 单 , 煤层为较稳定煤层。煤层顶板以泥岩为主,粉砂岩、细砂岩次之,粉砂岩、细砂岩下常发育泥岩伪顶,底板一般为泥岩。煤层特征见表 1-3-110 煤层:位于山西组下部,上距 8 煤层平均间距为 17.7 m,煤厚 0~1.58 m,平均为0.85m,可采指数 41%。结构简单,少量见煤点具一层夹矸,夹矸为泥岩或炭质泥岩。煤层顶板以泥岩为主,粉砂岩次之,底板一般为粉砂岩。表 1-3-1
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