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松软顶板稳定原理分析.rar

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    松软 顶板 稳定 原理 分析
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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 矿井概况与地质特征 .................................................................................................................11.1 矿井概况 ..............................................................................................................................11.2 井田地质特征 ......................................................................................................................31.3 煤层特征 ..............................................................................................................................62 井田境界和储量 .......................................................................................................................92.1 井田境界 ..............................................................................................................................92.2 井田工业储量 ......................................................................................................................93 矿井工作制度、设计生产能力及服务年限 .........................................................................143.1 矿井工作制度 ....................................................................................................................143.2 矿井设计生产能力及服务年限 ........................................................................................144 井田开拓 .................................................................................................................................164.1 井田开拓的基本问题 ........................................................................................................164.2 方案比较 ............................................................................................................................194.3 矿井基本巷道 ....................................................................................................................235 准备方式— 采区准备方式 .....................................................................................................345.1 煤层地质特征 ....................................................................................................................345.2 采区巷道布置及生产系统 .................................................................................................355.3 采区车场选型设计 .............................................................................................................396 采煤方法 ...................................................................................................................................426.1 采煤工艺方式 ......................................................................................................................426.2 回采巷道布置 ......................................................................................................................527 井下运输 ...................................................................................................................................557.1 概述 ......................................................................................................................................557.2 采区运输设备选择 ..............................................................................................................567.3 大巷运输设备选 ..................................................................................................................588 矿井提升 ...................................................................................................................................618.1 矿井提升概述 ......................................................................................................................618.2 主副井提升 ..........................................................................................................................619 矿井通风安全 ...........................................................................................................................659.1 选择矿井通风系统 .............................................................................................................659.2 采区及全矿所需风量 ..........................................................................................................699.3 矿井通风总阻力计算 ..........................................................................................................729.4 选择矿井通风设备 ..............................................................................................................799.5 防止特殊灾害的安全措施 ..................................................................................................82中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 II 页10 设计矿井基本技术经济指标 .................................................................................................85参考文献 ....................................................................................................................................86专题部分松软顶板稳定原理分析 ...............................................................................................................871 软岩巷道围岩控制原则 ...........................................................................................................871.1 对症下药原则 ......................................................................................................................871.2 塑性圈原则 ..........................................................................................................................871.3 提高围岩自稳能力原则 .....................................................................................................871.4 联合支护原则 .....................................................................................................................871.5 大断面及避开最大水平应力原则 ......................................................................................872 软岩巷道支护实例 ...................................................................................................................882.1 巷道地质条件与原有支护 ..................................................................................................882.2 巷道破坏原因分析 ..............................................................................................................882. 3 巷道支护措施改进 .............................................................................................................882. 4 巷道支护措施改进后的效果 .............................................................................................893 支护技术 ...................................................................................................................................913.1 支护方式的选择 ..................................................................................................................913.2 锚网带支护加固原理 ..........................................................................................................913.3 锚固形式选择 ......................................................................................................................913.4 合理锚杆参数的确定 ..........................................................................................................914 深部沿空留巷的数值模拟分析 ...............................................................................................934.1 模型建立 .............................................................................................................................934.2 巷道围岩变形与应力分布特征分析 .................................................................................945 深部沿空留巷支护井下试验 ...................................................................................................965.1 沿空留巷支护设计 .............................................................................................................965.2 井下监测与支护效果分析 .................................................................................................996 深部沿空留巷的支护原则与建议 .........................................................................................1056.1 深部沿空留巷的支护原则 ...............................................................................................1056.2 存在的问题与改进建议 ...................................................................................................1057 结 论 .......................................................................................................................................1077. 1 合理确定开拓布局 ..........................................................................................................1077. 2 优化支护设计 ..................................................................................................................1077. 3 优化巷道断面形状 ..........................................................................................................1077. 4 开拓巷道围岩控制主要途径 ...........................................................................................107翻译部分英文原文 ..................................................................................................................................109NUMERICAL SIMULATION OF COAL FLOOR FAULT ACTIVATION INFLUENCED BY MINING................................................................................................................................109中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 III 页中文译文 ..................................................................................................................................116采矿对煤层底板断层活化影响的数值模拟 .........................................................................1161 简介 .......................................................................................................................................1162 数值计算模型的形成 ...........................................................................................................1163 数值模拟结果与分析 ...........................................................................................................1174 结论 .......................................................................................................................................119致 谢 .........................................................................................................................................122中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 1 页1 矿井概况与地质特征1.1 矿井概况1.1.1 地理位置与交通新庄矿位于豫、皖两省交接的永城市东部,行政区划分苗桥、茴村两乡管辖,主管部门为河南省神火集团,井田东部及北部以人为边界与安徽皖北矿务局刘桥二矿分界,西以王庄断层(F21)与葛店煤矿毗邻,南至煤层露头线。矿井范围由 11 个边界拐点连线圈定,其边界拐点坐标见表 1.1—1。南北长约 7.5 Km 东西宽约 3 Km,面积约 22.5 Km2。地理位置为东经 116°37′15″,北纬 33°55′25″。表 1.1—1 新庄煤矿边界拐点坐标一览表直 角 坐 标 直 角 坐 标拐点经 距(Y) 纬 距(X) 拐点 经 距(Y) 纬 距(X)1 39465400 3761960 7 39466400 37526802 39465840 3761920 8 39464240 37538203 39466700 3761250 9 39463280 37528004 39466984 3760200 10 39463160 37538305 39466220 3753600 11 39463700 37554706 39466640 3753110该矿西至永城市 24Km,东距安徽省淮北市 19 Km,西北 120 Km 可达京九、陇海西两主干铁路的交通枢纽---- 商丘车站,东北 94 Km 到津浦、陇海两铁路之枢纽---- 徐州车站,矿区内部有专用运煤铁路与陇海铁路相连,省道永淮公路从矿区穿过,矿区内公路、铁路纵横交错,四通八达,交通十分便利。优越的地理位置为煤炭市场的开发创造了得天独厚的条件。交通位置图见图 1-1-1。图1.1.1 矿井交通位置图1.1.2 地形地貌本区属于黄淮冲积平原,区内地势平坦,地面标高+30.3m 左右,井田南约 6 Km 有沱河向东注入安徽省的新汴河,中南部有王引河,最大排洪量 12.278 S/m3。1973 年 7 月14 日最高水位:王引河+30.63m,水深 2.7m 左右;曹沟+30.42m,水深 1.96m。王引河、曹沟均属人工渠道,水位随季节变化,冬季有干涸现象。工业广场的附近一带历史最高水位标高不大于+31.69m 。矿区开发建设的过程中逐步完善排涝工程,内涝基本解除,地中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 2 页表水对矿井开采及矿区建设没有危害。 1.1.3 水系水源条件本区属淮河水系,区内无地表水体,自北而南有曹沟,王引河、运粮河等三条季节性小河,自西北向东南流入安徽省境内汇于淮河。因地势平坦,一般河谷宽缓,河床较浅,水流坡度很小。雨季洪水期,近河低洼地段常积水内涝成灾;据永城市水利局资料,1963 年汛期,在二牛、黄饭棚、大小新庄一带积水深 0.5~1.0m 。最高洪水位 31.79m。干旱季节,河水位一般低于地下水位,成为排泄地下水的渠道。矿井用水主要分为地面用水和井下用水。地面用水主要是由二眼水源井及一座水厂来供应;井下降尘用水采用井下排水经处理后再返回井下。1.1.4 气象及地震本矿区属半干燥大陆性气候,夏季炎热多雨,冬季干燥寒冷,四季气候变化分明。据永城市气象站资料,年平均气温 14.2℃,绝对最高气温 41.5℃(1966 年 7 月 18 日),最低气温–23.4℃(1969 年 2 月 5 日);年平均降雨量 847.66mm,年最大降雨量1518.6mm(1963 年),年最小降雨量 537.7mm(1966 年),降雨量多集中于 6~8 月份,占全年降雨量的 50%;年平均蒸发量 1807.4mm,年最大蒸发量 2290.4mm(1966 年),结冰期一般在 11 月~翌年 3 月,最大冻土深度为 21cm(1977 年);夏季多东南~南风,冬季多西北~北风,年平均风速 3.4m/s;最大风速 20m/s。冬季 12 月至翌年 3 月为降雪期,11 月至翌年 4 月为冻土期,最大冻土厚度为 19cm。据《中国地震目录第二集》(1960 年版)记载,自公元 925 年以来,安徽省肖县、宿县一带微震频繁,强震不断,曾发生强烈地震 38 次,其中 1668 年郯城发生 8.5 级强烈地震。本区位于郯(城)~庐(江)地震影响带,根据国家质量技术监督局发布的“中华人民共和国国家标准 GB18306—2001《中国地震动参数区划图 》(河南省部分)”本区地震动峰值加速度为 0.05g,地震烈度为Ⅵ度。1.1.5 矿区电源条件及通讯条件 永城市工业较为发达,电源条件好,矿区有多座电厂和变电站,可满足矿井用电。矿井采用双回路供电,一路来自永城电厂,另一路来自淮北渠沟变电站。原设计矿井工业场地及北风井场地的 35kV 变电所 3 路进线电源分别为沱新线、葛新线和渠新线;渠新线来自淮北渠沟变电所,距离新庄矿 30km;沱新线来自永城沱滨变电所,距离新庄矿 24km。葛新线为新庄矿与葛店矿的互备用电源架空线,长度 5km。矿井35kV 架空电源线皆为 LGS-120 型。技改工程实施时,矿井工业场地的 35kV 变电所 3 路进线电源分别改为来自沱新线、新双线、新风线;沱新线来自永城沱滨变电所,距离新庄煤矿 24km;新双线为新庄煤矿与葛店煤矿双庙站的互备电源架空线路,长度为1.8km;新风线为新庄煤矿与北风井场地的互备用电架空电源线路,长度为 4.6km。北风井场地 35kV 变电所 2 路进线电源分别改为来自光新风线和新风线;光新风线来自神火光明变电所,距离北风井 11.2km。矿井架空电源线沱新线为 LGJ-185 型,光新风线、新双线为 LGJX-240 型,新风线为 LGJ-120 型。1.1.6 主要建筑材料供应条件矿区位于豫东大平原上的人口稠密区,劳动力资源比较丰富。土产建筑材料砖、瓦、中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 3 页石子和料石均可就地供应,钢材、木材和水泥等物资可经公路及铁路直接运至矿井工业广场。1.1.7 工农业情况永城市现有耕地面积 160×104 亩,多属粘沙两合土。主要粮食作物有小麦、玉米、大豆、高粱、谷子等,主要经济作物有棉花、花生、芝麻、油菜和蔬菜等,是优质小麦生产基地,全国粮棉油百强县。永城市形成了建材、冶金、化工、机电、煤炭、电力、轻纺、造纸、食品、酿酒、电解铝等工业体系和优势产业;矿产资源丰富,为全国六大无烟煤生产基地,主要矿产有煤、铁、花岗岩、膨润土、高岭土、大理石、矿泉水等 23 种。1.1.8 地区经济概况 新庄矿位于河南省永城市,河南省重点建设的区域性中心城市。地处东经 115°58′~116°39′,北纬 33°42′~34°18′之间,平均海拔 33 米。市境的北、东、南及西南部分别与安 徽 省的 砀 山 县 、萧 县 、濉溪县、涡阳县、亳 州 市毗邻,西部和西北部与河南省的夏 邑 县缘连。 沱 河 穿过西城区的北部和 东 城 区 的南部,芒 砀 山 位于北部的芒山 镇 境内,主峰海 拔 高 度 159 米。 311 国 道 从中部东西贯穿境内,连 霍 高 速 公路、永登高速公路东西贯穿境内。规划中的济祁高速公路邢商永地 方 铁 路 已经招标。沱浍河复航工程 12.5 期间争取开工。全境近似椭 圆 ,地势由西北向东南微倾,平均海拔 31.9 米,除东北有方圆 16 平方公里的芒砀山群外,大部分为平 原 地区,属暖 温 带 季风性半湿 润 气候 区,年平均气温 14.3℃。现辖 18 个镇、11 个乡, 744 个行 政 村 ,3706 个自 然 村 。所属乡镇有:城关镇、演集镇、酂城镇、十八里镇、高 庄 镇 、芒山镇、薛湖镇、马桥 镇 、裴桥镇、陈集镇、蒋口镇、太丘镇、李 寨 镇 、顺和镇、苗桥镇、茴村镇、卧龙镇、侯岭镇;酂阳乡、王集乡、马 牧 乡 、双桥乡、龙 岗 乡 、刘 河 乡 、条 河 乡 、陈官庄乡、城厢乡、黄口乡、新 桥 乡 。是全国六大无烟煤基地之一,华东工业的能源后方。境内有 200 多家面粉企业,也是国家唯一授予“中国面粉城”称号的城市,永城拥有两家中国 500 强企业-永城煤电控股集团和神火集团、是河南省最大的煤化工基地。1.2 井田地质特征1.2.1 井田地质概况 新庄煤矿属于华北地层区鲁西分区徐州小区,矿区内无基岩出露,全被新生界所覆盖。根据钻孔揭露,区内地层由老到新依次发育有奥陶系中统马家沟组;石炭系中统本溪组,上统太原组;二叠系下统山西组、下石盒子组,上统上石盒子组和新生界第三系、第四系。其中石炭~二叠系为主要含煤地层。1.2.2 地层 井田含煤层由下至上有太原群、山西组、下石盒子组、上石盒子组。太原群(C3t)厚 134m-149m,平均 138m。岩性主要由隐晶质灰岩、泥岩组成,其次为砂质泥岩及砂岩。顶部灰岩稳定,厚 2m 左右,为 K3 标志层;底部灰岩厚13m-17m,一般 15m,以含燧石结核为主要特征, 为 K2 标志层。山西组(P1S)厚 110m,由灰至灰黑色泥岩、砂质泥岩及白色细致粗粒砂岩组成。下石盒子组(P1XS)厚 73m-113m,平均 108m。由砂岩、砂质泥岩组成。底部为中国矿业大学 2012 届本科生毕业设计 第 4 页鲕状铝质泥岩,为 K4 标志层。上石盒子组(P2SS )厚度大于 400m,底部为 K5 砂岩标志层与下石盒子组分界;上部紫色斑块泥岩夹厚层砂岩,以 K6 长石石英砂岩为较稳定的标志层。1.2.3 褶皱、断层及陷落柱(1)褶曲①前松向斜:为一向 NNW 倾伏、两翼基本对称的宽缓向斜。轴部位于 408 孔和苗 4孔一线,即前松村庄一带,向南延伸至 403 孔南部消失,向北至苗 4 孔北部消失,向斜轴线南北长约 2.1km。两翼地层倾角 8~12°。向斜东翼与东区背斜西翼共用。轴部因受F4 断层的切割,局部地层倾角达 15°,破坏了地层的连续性。该向斜由井下巷道、钻孔及三维地震勘探控制,依据可靠。② 东区背斜:轴部位于本矿东部 505 孔一带,为一向 NNW 倾伏、两翼基本对称的宽缓背斜。轴线与前松向斜近于平行,向南、北分别延伸至 508 孔东部及张庄与黄药店之间,长约 1.8km。两翼地层倾角 6~11°。背斜西翼与前松向斜东翼共用,背斜东翼向东延伸至安徽省刘桥井田。该向斜由钻孔及三维地震勘探控制,依据充分可靠。(2)断层新庄煤矿区内发育的主要大断层 2 条。现将主要断层叙述如下:王庄断层(F21 )位于王庄至池楼一线,为井田之西界。该断层略呈弯曲展布,总体走向北北东,断层面倾向北西西,倾角 70°,西盘下降,东盘相对上升,为一正断层。断层落差北小南大,落差为 80m-250m。在井田范围内断层走向长约 10Km,南部向黄集井田延伸,斜交于黄集断层,向北延伸情况不明。断层旁侧煤层牵引明显,并发育数条与之呈极小锐角的派生次级断层。黄饭棚断层(F4 ),分布于井田中南部,走向北北西,断层面倾向西西南,倾角35°。北东盘上冲,南西盘相对下降,落差 35m,为一逆断层。西北端消失于张庄西部,向东南尖灭于 501 孔附近,走向约 3.9 Km。该断层切割前松向斜的轴部,破坏了向斜的横向连续性。主要地质构造特征见表 1.2-1表 1.2-1 主要地质构造特征表序号 名称 断层性质 断层面走向 断层面倾向 倾角(°) 落差( m)1 王庄断层 正断层 北北东 北北西 70 180-2502 黄饭棚断层 逆断层 北北西 西西南 35 251.2.4 水文地质特征(1)概况新庄煤矿西部以走向近南北、倾向西、东盘上升西盘下降、落差250~180m 的王庄正断层为边界,造成矿井内二 2 煤层、三 2 煤层与西盘(下降盘)下石盒子组上部砂、泥岩地层相接,该断层基本上为一条阻水边界断层,以矿区中部 NNE 向永城背斜轴部为轴心,向东西两翼至二 2 煤层露头线为界,南北长约 30km,东西宽平均约 7km,面积约 200~230km 2,为太原组灰岩,奥陶系灰岩和寒武系灰岩的隐伏露头区。在永城背斜轴部从柏山惠、候岭经永城市至大孟庄一线为岩溶含水层的浅埋
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