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学术型硕士论文 Strata Behaviour Law in Zhaizhen Coal Mine at Shan Dong Province with Backfilling Technology 翟镇矿充填采煤矿压显现规律翟镇矿充填采煤矿压显现规律 作 者DEON Makavelo Germain 导 师张吉雄 教授 中国矿业大学 二〇一七年五月 万方数据 Strata Behaviour Law in Zhaizhen Coal Mine at Shan Dong Province with Backfilling Technology 中 国 矿 业 大 学 万方数据 中图分类号 TD823 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 学术型硕士学位论文 Strata Behaviour Law in Zhaizhen Coal Mine at Shan Dong Province with Backfilling Technology 翟镇矿充填采煤矿压显现规律翟镇矿充填采煤矿压显现规律 作 者 DEON Makavelo Germain 导 师 张吉雄 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 绿色开采 答辩委员会主席 谢文兵 评 阅 人 马立强 张寅 二〇一七年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学 位论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版 和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为 教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案 馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规， 同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书）。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 DEON Makavelo Germain 在规定的学习年限内，按照研 究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我 的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结 构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文 作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 Acknowledgments I would like to express my deepest and heartily thanks to Almighty God for all of his blessings, mercy, kindness, support and protection that I have been receiving throughout of my studies and the preparation of this thesis. Unfortunately, no matter how extensive the list of expressions of thanks for those who tendered their help to me, it is always incomplete and inadequate. First and foremost, I would like to express my gratitude and indebtedness to Prof. Dr Zhang Jixiong at China University of Mining and Technology for his kindness in allowing me to do work in this present topic. His availability, his knowledge, his judicious advice, his comments and his corrections made possible the realization of this masters project and this thesis. I am sincerely thankful to him for his able guidance and pain taking effort in improving my understanding of this project. I would like to convey my sincere gratitude and indebtedness to my research group, in particularly Dr Zhou Nan and Dr Zhang Qiang for their help at different times. I am also grateful to RAINIZAFY Shalohy Michel, MOSHOESHOE Emmanuel Nkuebe, QURESHI Abdullah Rasheed and Qiang Sun, for their contribution in this thesis and their continuous moral support. I am also thankful to the cooperation between Chinese government and Malagasy government for giving me this great opportunity to study here in China, without this cooperation this thesis could never have been achieved. I also acknowledge my indebtedness to whose details are mentioned in reference section, an assemblage of this nature could never have been attempted without reference to and inspiration from their works. Most of all to my parents, I thank you for your encouragement and your patience. Without your support, I would have never made it to the end. Last but not the least, sincere thanks to all my friends who have patiently extended all sorts of help for accomplishing this thesis. 万方数据 I Abstract The use of solid backfilling mining SBM in underground coal mine is increasing not only in China but worldwide due to his efficiency on strata behaviour control. Backfill is defined as a mining used to fill the goaf or gob area after coal extraction with an appropriate product such as gangue, waste rock, fly ash and other solid wastes. Solid backfilling mining is essentially applied to provide regional rock support within a mining excavation in order to enable further operations. Moreover, solid backfilling mining is used in order to prevent many hazards in underground coal mining not only mentioned surface subsidence caused by the rapid coal extraction but to prevent fires and explosions. SBM facilitates particularly the extraction of coal under three, improve mine ventilation and stability of the rock, as well as for economic and environmental factors. Due to its various technical, economic and environmental advantages, solid backfill mining is one of the main lines of research in the field of mine waste management, as it represents an alternative solution that can improve the efficiency of a mining operation. Solid backfilling mining is an advantage for mining companies to accomplish many of their objectives. This thesis is to investigate the strata behaviour law through the efficiency of dense backfill body in the goaf area to replace the previous roof after coal extraction. According to the geological condition of 7203W backfilling working face of Zhaizhen coal mine, the basic principles of vertical stress distribution and vertical displacement distribution were modellized by numerical simulation using Flac3D software and analysed. And the characteristics of overburden strata movement law in-situ of the mine site were analysed by monitoring the support resistance of hydraulic support, the roof dynamic subsidence in the backfilled area, the stress of backfill body, the mass ratio of cut coal to backfilled materials, the front abutment pressure, and the roadway deation. In this respect, the research results are as follows （1）Numerical simulation results show that the increasing of advancing speed of the working face during the coal extraction associated with backfilling has an important effect on the dynamic process of surface subsidence and changes the state structure of the stratum, but it does not affect the final development degree of surface basin. Moreover, strata movement process and surface subsidence process cause by the rapid coal extraction in 7203W backfilling working face accord with the general law of strata movement and surface subsidence. The maximum vertical stress 万方数据 II displacement value on the two both side of the edge of the working face and the backfill body is 7.8 MPa during whole extraction and within the backfill body range from 3.6 to 4.98 MPa. The maximum vertical displacement value is about 3.6 to 4.98 MPa （2）The field measurement results show that the support resistance decreases obviously. The dynamic subsidence of the immediate roof is coherent with the variation stress of the backfill body, and tends to be stable after the working face retreating to 120-150 m away from the open cut. The maximum peak value of front abutment pressure arises in a range of 5 to 12 m in front of the working face. The mass ratio is greater than the designed value of 1.15, in which effectively ensures the control of strata movement. The research results are based for intensively studying basic theories of strata behaviour law and its control in solid backfill mining, and provide theoretical guidance for engineering design in full mechanized solid backfilling mining FMSBM. Keywords Coal under three, strata behaviour law, strata movement and roof subsidence control, waste backfilling 万方数据 III 详细详细摘要摘要 目前，针对超高水充填、膏体充填、胶结充填和固体充填已经做了大量的 实验和应用。本论文主要研究充填采煤矿压显现基本规律。固体充填开采是指 将煤矸石、矸石、粉煤灰等固体废弃物用于充填采空区的采矿方法，其实质是 在采矿过程中利用充填体提供围岩支撑力，来提供安全开采回填的空间。固体 充填采矿技术可以避免许多事故的发生，包括开采过程中引起的地表沉陷、火 灾和爆炸以及可以解放“三下”压煤（建筑物下、铁路下和水体下）、改善矿 井通风效果和提高围岩的稳定性，并且能保证经济和环境协调发展。在中国， 每个矿井都会面临“三下”压煤的难题，所以这一问题的解决显得尤为重要。 矿压显现规律研究是基础。由于其各种技术、经济和环境的影响，固体充填开 采也是管理矿山废弃物方面的重要手段，它提供了一种提高采矿效率的解决方 案。固体充填采矿技术已经成为煤矿开采的一个重要手段，对地表沉陷的有效 控制使这项技术在中国乃至世界范围内得到了广泛的应用。 本论文主要通过对比研究综采机械化固体充填开采和传统的综采地表沉陷 规律，掌握固体充填采矿技术对岩层控制的科学认识。翟镇煤矿 7203W 充填采 煤工作面是一个固体充填开采的成功案例，工作面煤层快速开采之后，采空区 固体充填体会引起顶底板垂直应力和垂直位移发生变化，导致异于传统综采面 的矿压显现。通过数值模拟和现场监测，得到 7203W 固体充填采煤工作面的矿 压显现规律。因此，本研究将为中国矿业大学和马达加斯加在采矿工程和岩土 工程方面的科研合作和工程实践提供参考。 想要达到上述研究目的，必须通过严谨的计划方案，往往实现计划目标的 第一步是查阅参考文献了解所研究的方向。基于翟镇煤矿工程地质条件，尤其 是 7203W 充填采矿工作面开采后对地表产生的变化规律进行研究，并分析固体 充填采矿技术对地表沉陷控制的技术分析。本文主要研究内容如下第一章提 出文章整体介绍，主要包括研究背景、研究的意义、研究的目的、问题陈述、 国内外文献综述和研究的技术路线等；第二章提出了岩层的移动特点和固体充 填采煤岩层控制情况，对目前固体充填采矿技术在岩层移动特征主要因素及其 控制方面进行总结；第三章详细介绍了翟镇煤矿现场条件和固体充填采矿技术 在翟镇煤矿的现场实践情况；第四章通过数值模拟表明岩层移动规律，基于煤 岩体的力学参数，利用 Flac3D软件对 7203W 充填采煤工作面进行数值模拟，并 根据翟镇煤矿的矿山地质条件分析了垂直应力和垂直位移在不同阶段的分布情 况；第五章通过监测翟镇煤矿的原岩应力分析了实际矿山地质条件下的岩层移 动规律，最后一章为结论和建议。 万方数据 IV 采煤过程中的推进速度、顶板下沉引起的不同岩体结构、岩体物理力学性 质、采场形状和尺寸、开采深度等因素都影响着岩层移动和顶板下沉规律，但 想要获得这些问题的解决方案是比较困难的。因此，采用数值模拟以近似的方 法来解决这些问题。目前，数值模拟广泛应用于各种工程中，尤其是在岩土工 程中的应用解决了岩土问题的复杂不可预测性等问题。根据矿山地质条件及与 7203W 充填采煤工作面相关的地质力学参数，采用数值模拟方法，使用 Flac3D 软件模拟充填开采的推进速度对岩层运动的影响。同时，数值模拟离不开现场 实测的验证。因此，通过现场测量建立岩层移动规律，即借助于电子仪器对岩 层进行监测。研究技术路线的第一阶段是数据收集和分析；第二阶段是建立数 值模拟模型，通过结果分析更好地了解引起岩层运动规律的主要因素和岩层变 形特征；第三阶段是基于现场监测，通过分析监测结果得出不同推进速度下的 岩层移动规律特征；最后一个阶段是总结充填开采矿压显现规律的提炼。 在保证长壁开采工作人员的安全方面，井下顶板和工作面的岩层控制至关 重要。为了使作业安全，使煤炭开采成为可能，岩层控制涉及系统的适应性， 我们可以通过这个系统对岩层运动进行控制。固体充填采矿技术适用于“三下” 煤层开采，有利于对地表建筑物和其他设施的保护，因此可以安全地对铁路下、 水体下和建筑物下煤炭进行开采，同时解决矿区倾倒地表的煤矸石和煤电厂的 粉煤灰存放问题，改善了矿区环境。固体充填采矿技术是把采矿和充填结合起 来，该技术已在“三下”条件下成功的开采了煤炭资源，所以充填开采在控制岩 层移动和控制地表沉陷方面具有很好的优势。与传统综采工作面有所区别的是 固体充填采矿技术的主要设备有（1）自移式带式输送机，确保固体充填物料 从运输皮带上输送到充填刮板输送机上；（2）充填式液压支架，主要保证综采 固体充填工作面连续生产，是综采固体充填开采的主要设备。夯实机构将从充 填刮板输送机投放的固体材料推入采空区并压实，使充填体接触到直接顶以控 制围岩；（3）充填刮板输送机，具有刮板输送机输送固体物料的功能，以及在 一定时间内把所需的物料卸入到采空区内。固体充填开采的覆岩移动特征不同 于垮落法开采，其主要特征是下沉和破裂。均匀充填后统一沉降是充填采煤 上覆岩层最常见的现象，但在垮落法开采中却不能见到。该采煤技术地表的最 大沉降比垮落法开采小得多。固体充填开采覆岩移动缓慢，比垮落法开采缓慢。 提出了岩层运动控制及其等价采高理论，基于等价采高（EMH）理论，该技术 中的沉陷盆地与等值高度垮落法开采沉陷盆地相似。在固体充填开采中，依靠 等价采高控制岩层移动和地表沉陷的原理和预测。等价采高是固体充填开采中 岩层移动的关键控制因素。该技术对减少地层沉降和保护建筑物免受破坏具有 万方数据 V 很大的价值，这也解释了固体充填开采能否有效控制覆岩移动和地表沉陷的原 因，该方法是一种绿色开采方法。 地质条件是影响煤矿生产的关键，特别是在井工开采中。本论文通过对翟 镇煤矿矿山地质条件和充填开采技术进行研究，详细分析了目前提供的基础资 料，研究采煤区域矿山压力显现规律。翟镇煤矿 7203W 充填工作面的地质条件 2煤层，属于二叠纪后期，工作面地面对应为矿井巷道东部入口在翟镇路和泰 兴路的十字路口，处于村庄和农田之下约 120 m 范围内。从地表到工作面的垂 直高度是 517.1 m 565.8 m。2煤层对应海拔是-340 m -384.6 m，地表高程为 177.1 m 181.2 m。2煤层的厚度约为 2.7 m，平均倾角是 10.5o，平均走向长 度是 286m，平均倾向宽度为 92.8 m，可采储量约为 93800 t。基于翟镇煤矿的 实际开采情况，在保证安全性的基础上，对 7203W 充填采煤工作面采煤效率进 行优化。翟镇煤矿 7203W 固体充填采煤工作面关键设备有 1六柱式充填液 压支架，型号 ZC5200/14.5/30，工作阻力 5200kN，初撑力为 4262 kN 5325 kN， 支撑高度是 1450 mm 3000 mm，支撑宽度是 1420 mm 1590 mm，支撑强度 为 0.37 MPa 0.46 MPa。2SZB-730/75 破碎机，长度为 41 m，运行速度为 1.39 m/s，电动机功率 75 W，破碎能力为 400 t/h。3 带式输送机，型号 DDS100/63/275，长 280 m，宽 280 mm，其运输能力可以达到 630 t/h，皮带运 行速度是 2 m/s，电机功率是 275 kW。4 自移式转载机，型号 SZB-730/75， 长度为 41 m，电机功率是 75 kW，运输能力为 400 t/h，中储仓的尺寸大小为 1500630270 mm，运输速度是 1.39 m/s。5 刮板输送机，型号 SGD-630/264， 电机功率是 2132 kW，其运输能力为 400 t/h，每个刮板之间的间距为 1080 mm， 中储仓尺寸大小是 150730730 mm，刮板链形式为单链，刮板链运行速度为 0.93 m/s，电机功率为 75 W。 开采引起的应力重新分布是采矿工程面临的一个挑战。长壁开采影响了周 围煤层和岩体的初始应力场，造成地表变形。基于 7203W 充填工作面实际情况， 建立了数值计算模型，模型的尺寸高 486 m，长 148.7 m，宽 293 m，模的四周 固定 X，Y 方向位移底部边界是限制位移，上边界是无约束的。网格数为 104400，节点数是 111780。基于对 7203W 充填工作面地层剖面图和地质报告， 模型采用 Mohr-Coulomb 准则假定力学参数，包括上覆岩层高度、密度、体积 模量、剪切模量、粘聚力、内摩擦角和抗拉强度。 根据 7203W 工作面的地质条件和几何模型，建立数值模拟方案如下煤炭 开采过程中，先采 2煤层，此外在建立初始模型的同时，选择布置测点跟踪受 采动影响引起的应力分布和位移变化。总的来说，设置 9 个测量点来记录工作 面推进方的垂直位移分布和垂直应力分布。采场设计推进间距是 25 m，共推进 万方数据 VI 8 步，25 m、50 m、75 m、100 m、125 m、150 m、200 m、250 m 和 300 m。每 2 个测量点之间的距离为 25 m，测点布置到从 150 m 开切眼处到剩余所留 50 m 煤柱。选取模型走向方向作为推进方向，通过对 7203W 充填工作面的垂直应力 分布和垂直位移分布进行分析，发现在 7203W 充填工作面 2煤层厚 2.7 m 符合 一般煤层的岩层移动和地表沉陷规律，且采动不影响最终的表面盆地发展。从 目前的数值模拟结果可知竖向应力分布和垂直位移分布面积减少，此外数值 模拟结果表明整个开采过程中的垂直应力分布范围是 3.6 MPa 7.8 MPa，应力 最大处位于工作面周围，约 7.8 MPa。充填体内的应力分布范围 3.6 MPa 4.98 MPa，这意味着抗压强度范围在 3.6 MPa 4.98 MPa 的充填材料足以支撑工作 面顶板。此外数值计算结果表明工作面的推进速度改变了覆岩层的结构，其顶 底板的垂直位移变得越来越大。7203W 充填工作面推进速度对动态过程的岩层 移动和地表沉陷有着显著的影响，但不影响表面盆地最终的发展。此外数值模 拟的结果表明，整个开采与回填之后，覆岩地层形成稳定的 “两带”结构，不同 于自然垮落法，同时充填采煤法上覆岩层的移动缓慢，顶板下沉弯曲的最大值 为 207.39 mm。这说明充填体在压实后可以支撑覆岩，并承受覆岩荷载，地表 沉降不明显。 通过对 7203W 充填开采工作面液压支架工作阻力、采空区顶板动态下沉、 充填体的应力监测、采充比、前支承压力的监测和巷道变形的研究，对固体充 填开采压力监测的基本方法和原理进行了分析和优化。为了更好地理解充填工 作面撤架过程中支架阻力的变化规律，监测了 7203W 充填工作面液压工作阻力。 液压支架沿工作面线性布置从 I到 IX总计 9 站。液压支架阻力是将液压支架 6、 13、20、27、34、35、40、45、53和 60支架分别嵌入在每个站。此 外，在煤体内监控顶板压力变化和充填体动态变化，并在充填体的内部进行动 态监控。五个充填体压力监测和五个顶板动态监测分别安装在距离回风巷为 15 m, 30 m, 45 m, 60 m 和 75 m 处。当工作面推进到 25 m 时进行顶板的实时动态监 测。此外，监测 7203W 充填工作面液压支架支护阻力和两巷前方支承压力的变 化，在巷道的中部专门开设连接巷道，对充填体的后部进行矿压监测。为了实 现 7203W 的充填效果的观测，在两巷设置了 20 个测量点监测围岩变形。1测 点位于距离煤壁 5 m 处和其他测量点之间的距离是 10 m。此外，四个单体支撑 压力监测记录仪安装在轨道巷1测点在 2012 年 10 月 21 日安装在轨道巷中部 距离工作面 93.4 m 处，3测点在 2012 年 10 月 20 日安装在离工作面 27.4 m 处， 4测点在 2012 年 10 月 20 日安装在轨道巷中部距离工作面 47.4 m 处，7测点在 2012 年 12 月 3 日安装在距离工作面 80.7 m 处。在整个开采过程中，液压支架 万方数据 VII 的工作阻力是相对稳定的，并在 2100 kN - 2100 kN 区间内变化，没有工作阻力 急增的现象。 结果表明在 7203W 充填工作面开采的过程中没有明显的初次来压和周期 来压，这意味着充填体改变了上覆岩层的状态，承载着大部分的顶板压力。此 外，液压站的平均初始支持力和平均工作阻力差异较小，在顶板弯曲之前，充 填液压支架有效控制顶板，只有一个支护阻力达到了初始支护力的 42.75，其 余均低于 25，且充填工作面整体工作阻力普遍较低，充填工作面的支持控制 效果的和采空区充填的压实效果得到加强。随着工作面的推进，工作面支架的 工作阻力未达到额定工作阻力，工作面中间部分的支架工作阻力保持在 4000 kN 左右，安全阀的开放率只有 0.87，这大大削弱了充填工作面的压力，总的 来说，工作面液压支架工作阻力是偏低的。根据充填液压支架和采空区密实充 填体物理模拟，充填液压支架的工作阻力低于全部垮落法液压支架的工作阻力， 采空区内充填体增大压实效果会更有利于顶板控制和顶板管理。通过对两巷道 压力监测，矿山压力低于全部垮落法开采，随着工作面的推进，工作阻力开始 逐渐增大，稳定增长，但没有出现急增的情况，说明密实充填体，可以改善围 岩结构，使得工作面无强烈的矿压现象。 关键词关键词三下压煤，岩层移动规律，岩层移动与顶板下沉控制，矸石充填法 万方数据 VIII Contents Abstract ........................................................................................................................ I Contents .................................................................................................................. VIII List of Figures ............................................................................................................ XI List of Tables ......................................................................................................... XVII 1 Introduction .............................................................................................................. 1 1.1 Background ............................................................................................................. 1 1.2 Significance ............................................................................................................. 3 1.3 Aims of the Study ................................................................................................... 4 1.4 Problem Statement .................................................................................................. 4 1.5 Summary of Research Status Review at Home and Abroad ................................... 6 1.6 Research Content and Technical Route ................................................................ 19 2 Strata Movement Features and Control with SBM ............................................ 22 2.1 Basic Technology of Solid Backfill mining .......................................................... 22 2.2 Strata Movement Features .................................................................................... 29 2.3 Strata Movement Control ........................................................................ 33 2.4 Chapter summary .................................................................................................. 41 3 Geological and Mining Condition of Zhaizhen Coal Mine ................................ 43 3.1 Geological Condition of Zhaizhen Coal Mine ................