榆神矿区覆岩大面积垮落灾变控制研究.pdf

万方数据 目录 II 万方数据 万方数据 万方数据 The experimental research shows that the of monitoring and control makes the roof no longer a large area of collapse to ensure the safety of the working face, and the research results have important guiding significance to the control of the large area collapse of Yushen Coal Roof. Key words Collapse of large area of roof, monitoring of mine pressure, forced caving by deep hole blasting, and setting of coal pillar Research TypeApplication Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 ...................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 .................................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 .................................................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................. 2 1.2.1 国内研究现状 ............................................................................................................ 2 1.2.2 国外研究现状 ............................................................................................................ 4 1.3 研究内容、方法及技术路线 ......................................................................................... 4 1.3.1 研究内容 ................................................................................................................... 4 1.3.2 研究方法 .................................................................................................................... 4 1.3.3 技术路线 .................................................................................................................... 5 2 榆神矿区地质及开采特征 ..................................................................................................... 6 2.1 地层及煤层赋存情况 ...................................................................................................... 6 2.2 水文地质概况 .................................................................................................................. 6 2.3 本章小结 .......................................................................................................................... 9 3 榆神矿区覆岩大面积垮落灾变物理相似模拟研究 ........................................................... 10 3.1 顶板大面积垮落灾变相似材料模拟研究 .................................................................... 10 3.1.1 相似材料模拟实验铺装 .......................................................................................... 10 3.1.2 实验过程分析 .......................................................................................................... 11 3.1.3 覆岩活动及地表下沉规律 ...................................................................................... 19 3.2 隔离煤柱与两条临时煤柱相间布置模拟实验 ............................................................ 21 3.2.1 相似材料模拟实验铺装 .......................................................................................... 21 3.2.2 实验过程及煤柱应力分析 ...................................................................................... 22 3.2.3 覆岩活动及地表下沉规律 ...................................................................................... 33 3.3 本章小结 ........................................................................................................................ 36 4 榆神矿区覆岩大面积垮落灾变数值模拟研究 ................................................................... 37 4.1 临时和隔离煤柱数值模拟 ............................................................................................ 37 4.1.1 计算准则和参数选择 .............................................................................................. 38 4.1.2 临时与隔离煤柱相间布置数值模拟 ...................................................................... 38 4.2 隔离煤柱与两条临时煤柱相间布置数值模拟 ............................................................ 44 4.2.1 模型建立和开采方案 .............................................................................................. 44 万方数据 目录 II 4.2.2 数值模拟的结果分析 .............................................................................................. 44 4.3 本章小结 ........................................................................................................................ 50 5 榆神矿区覆岩大面积垮落灾变分析及控制技术 ............................................................... 51 5.1 隔离（刚性）煤柱和临时（让压）煤柱 .................................................................... 51 5.2 煤柱稳定性判据 ............................................................................................................ 52 5.3 临时和隔离煤柱理论分析 ............................................................................................ 54 5.3.1 煤柱失稳的强度理论 .............................................................................................. 54 5.3.2 两种煤柱稳定安全系数评价 .................................................................................. 54 5.3.3 煤柱屈服区宽度理论 .............................................................................................. 55 5.3.4 连续梁计算 .............................................................................................................. 57 5.3.5 密闭墙控制覆岩大面积垮落 .................................................................................. 61 5.4 覆岩初次大面积垮落灾变控制 .................................................................................... 61 5.4.1 开切眼切槽深度的确定 .......................................................................................... 63 5.4.2 砂基型覆盖层大面积垮落控制 .............................................................................. 67 5.4.3 土基型覆盖层大面积垮落控制 .............................................................................. 68 5.5 本章小结 ........................................................................................................................ 69 6 现场监测与分析 ................................................................................................................... 70 6.1 现场顶板及煤柱应力监测 ............................................................................................ 70 6.1.1 工作面测站布置 ...................................................................................................... 70 6.1.2 监测设备选择 .......................................................................................................... 70 6.1.3 应力监测结果及分析 .............................................................................................. 71 6.1.4 间隔煤柱稳定性分析 .............................................................................................. 73 6.2 本章小结 ........................................................................................................................ 74 7 结论 ....................................................................................................................................... 75 致 谢 ........................................................................................................................................ 77 参考文献 .................................................................................................................................. 78 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 陕西省煤炭资源已探明储量1700多亿吨，其中低灰、低硫优质资源约占全国50， 且这部分资源赋存条件好、灾害少，开采成本低，有利于建设大型、特大型矿井，也是 加工转化的优质资源。国家规划的14个大型煤炭基地，在我省有神东、陕北、黄陇3个。 我省的大部分优质煤炭资源主要集中在榆林地区，榆林市煤炭资源分布广泛，含煤面积 占全市国土面积的54。煤炭资源按照煤层赋存的地层时代可以划分为侏罗纪煤资源、 石炭-二叠纪煤资源和三叠纪煤资源。截至2010年底已经探明的资源储量约1490亿吨， 总量占全省已探明煤炭资源量的86。全市共有煤矿404个，其中小型（30万吨／年以 下）391个，占煤矿总数的96.78。经过整顿关闭、资源整合和机械化改造，现榆林市 煤矿数量减少到了260处能力4.88亿吨，数量、能力分别约占全省的57.6和70，而且 比重会越来越大。 榆林市煤炭资源煤质优良，地质构造简单，多为近水平煤层；煤层埋藏浅、顶底板 条件好，开采条件优越。但采用传统房柱式开采方法时，不仅存在采出率很低（仅为 2035％） 、工艺落后、劳动强度大、效率低、通风条件差等缺点，更严重的是常发生顶 板大面积塌陷灾变，严重威胁矿井的人员安全。上世纪郭家湾、哈拉沟、大砭窑、李顺 梁、唐家梁、前石畔、枣稍峁、前塔等煤矿接连发生大范围陷落灾变；到本世纪兔糖浆 渠煤矿、朝阳煤矿、老虎梁煤矿、府榆煤矿、三道沟煤矿、西岔沟煤矿、赵家梁煤矿及 府谷镇二矿等同样相继发生顶板大面积塌落灾变，其中府榆煤矿与相邻的中大煤矿于 2005年11月16日大面积塌落，塌陷总面积很大，竟达25.88万m2，死亡2人；赵家梁煤矿 于2008年8月1日发生大面积冒顶，地面塌陷面积达12万m2，9人被困于井下，后经多个 矿业集团的矿山救护队数日全力抢救，最终8人幸免脱险，但仍有1人死亡，社会影响很 大。顶板大面积塌落灾变使部分煤矿因此而报废，如枣稍峁、朝阳、老虎梁等煤矿，使 部分煤矿因此而报废，如大砭窑、前塔和糖浆渠等煤矿。神木县2005年煤炭开采形成的 采空区面积达99km2，其中已塌陷面积达44km2。2010年塌陷区面积95km2，2015年塌陷 面积达到280km2。2005年底全市采空区面积约320km2，2010年达到1500km2，2015年底 达到2900km2，塌陷区面积达到320km2。 顶板大面积塌落灾变的发生机理主要是原设置的煤柱失去长期稳定性， 煤柱的连续 破坏失稳诱发顶板的大面积垮落， 只有设置好隔离煤柱及留设相应的临时煤柱可防止顶 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 板大面积塌落灾变 1.1.2 研究意义 针对榆神矿区煤炭开采存在的覆岩大面积垮落灾变，采用了相似材料模拟实验、计 算机数值模拟和理论计算分析和煤矿现场试验等方法，对榆神不同的开采方法存在的 大面积垮落灾变及在开切眼强制放顶和顶板小面积无灾害垮落方法进行了系统的研究， 利用探索出的监测与控制方法使得顶板不再出现大面积的垮落灾害保证了工作面安全 生产。论文研究成果对榆神煤炭避免出现顶板大面积垮落灾变开采具有重要指导意义。 为类似地质条件下防治顶板灾变提供了借鉴。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内研究现状 为改善矿井安全条件和提高煤炭采出率， 榆神矿区上世纪先后有数个煤矿进行了改 旧房柱式开采为长壁式开采的试验， 然而由于单体支柱不能够有效地支撑顶板而造成很 大的台阶切落和大面积垮落灾变，因此单体支柱长壁开采方法只能退出“舞台”，然后又 恢复到原有的房柱式开采方法。如哈拉沟煤矿、郭家湾煤矿等。神东公司大柳塔煤矿初 期也曾采用单体支柱长壁开采，C202单体支柱长壁工作面来压时顶板沿煤壁台阶切落， 落差为350～600mm，最大切顶长度达70m，最后也因单体支柱无法抗拒覆岩整体切落 而撤出地面，使C202成为大柳塔煤矿第一个也是最后一个长壁单体支柱工作面。对于生 产能力为0.60Mt/a及以下矿井而言，在“浅埋煤层”条件下，采用长壁综合机械化采煤方 法必须选用高阻力液压支架，在当时经济上是不合理的。南梁煤矿与西安科技大学合作 进行了单体支柱长壁间隔开采方法研究，并在南梁煤矿成功应用，间隔开采为工作面从 开切眼起向前推进50m，然后留10m煤柱停采，此后重新开切眼，并在煤柱中间开两个 口，用作工作面设备的搬家通道，而且采用密闭封闭后方采空区，之后工作面由新开的 切眼处重新开采，在工作面推进50m后同样留10m煤柱，然后再新开切眼，依此类推。 与传统房柱式开采方法比较，长壁间隔开采方法大大提高了煤炭采出率，改善了矿井的 经济效益。陕西省煤炭科学研究所与陕西省煤炭工业管理局、神木县煤炭工业管理局、 西安科技大学等合作完成了陕北神木浅埋煤层0.60Mt/a及以下矿井采煤方法研究课 题，通过物理及数值模拟研究，进行支架设计和现场工业试验，工作面采用整体悬移支 架支护，通过来压前强制放顶措施，成功地开采了两个工作面，实现了工作面连续推进， 取得了较好的社会和经济效益[1-11]。 大柳塔煤矿1203工作面是神东公司第一个长壁综合机械化工作面， 根据上世纪我国 缓倾斜煤层工作面顶板分类方案及其推荐的合理支架，工作面选择了额定工作阻力 万方数据 1 绪论 3 3500kN的液压支架。然而工作面初次来压来压期间，工作面中部约90m范围顶板沿煤壁 台阶切落，31m范围内切落最为严重，切顶台阶达1.0m，支架被“压死”、部件破坏。为 了防止支架大范围压死和损坏，在液压支架下架设3根液压支柱才防止了切落顶板继续 整体下沉，安全度过初次来压。而工作面周期来压顶板同样为覆岩全厚整体切落。每次 来压不仅顶板淋水增大，支架载荷急剧增加，安全阀大部分开启，而且部分支架油缸臌 胀和胀裂， 矿压显现剧烈。 这说明额定工作阻力3500kN的液压支架对于一般赋存条件的 煤层是可行的，但不能有效控制榆神矿区煤层顶板。基于这一实践，神东公司长壁工作 面所选的液压支架额定工作阻力愈来愈大，从第二个20601综采工作面开始，液压支架 额定工作阻力增大到6708kN/架，其后随着采高的增大，支架额定工作阻力又增大到 8368kN/架，目前达12000kN/架左右。尽管所选支架工作阻力大得极为罕见，但仍然不 能抗衡工作面顶板初次大面积垮落灾变， 浅埋近距煤层上覆岩层破坏机理研究是研究上 覆岩层动态载荷传递机理的关键，它是以老顶关键块体的破断铰接运动为边界条件，以 浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层控制研究为基础， 从岩体结构力学和土力学的角度探 求地表沙土层破坏机理。由于老顶关键层上载荷具有动态特征，因此其研究内容属于矿 山岩体力学、土动力学交叉学科，其边界条件是以顶板结构岩块运动为边界，从研究的 理论基础来讲，围岩介质涉及到连续介质、松散介质和块体介质等，这些问题研究也是 固体力学应用的重要分支和扩展。浅埋近距煤层上覆岩层破坏机理还涉及到裂纹的扩 展、传播及止裂等，因此也涉及到断裂和损伤力学。因此榆神矿区综采工作面采用强制 放顶措施，以减少顶板悬顶面积和来压强度[12-18]。 房柱式或类似房柱式开采方法是榆神中小型煤矿最常用的采煤方法， 小煤矿采用长 壁布置的留煤柱支撑的房柱开采方法，即工作面首先开掘进风平巷和回风平巷，到开采 区边界后掘开切眼拉通两平巷，构成一个完整的通风系统。之后再采巷房，巷房宽度一 般为4m，接着后退回收巷房两侧煤柱，最终在采空区留5m或6m的支撑煤柱。国内在煤 柱留设尺寸、采留比等方面研究较多，所留煤柱基本满足开采期间的安全需要。但由于 煤柱只是处于临时稳定状态，不可能处于永久稳定，因此，在经过10年、20年，甚至更 长时间后，煤柱将失去其稳定性而破坏，从而引起顶板大面积垮落[19-27]。 榆神矿区实现保水开采的最佳办法是采用充填开采方法， 这样不仅可以有效实现保 水采煤，还可以避免顶板大面积垮落事故。现有充填技术主要有超高水材料充填；膏 体充填采煤技术，是一种通过将粉煤灰、煤矸石、劣质土等一系列固体废弃物制作成为 无临界流速、不需脱水的膏状浆体，而后通过泵压或重力作用，利用管道将其输送到采 煤工作面，适时充填采空区的新型绿色开采技术；固体物充填技术，采用的是将破碎后 的煤矸石或者固体废料，再加入煤灰、黄土等材料，充分利用井下开采出的矸石进行充 填的置换开采技术，此方法可以实现在矿井底下处理矸石，从而达到矸石不再出井。采 用当地广泛存在的风积砂原料作为骨料，因地制宜，从而研发出适合榆阳煤矿地质采矿 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 条件的规模化、机械化、自动化充填开采工艺方法与系统，最终建设充填开采的新型矿 井，2012年后半年进行了现场工业性试验。榆阳区上河等煤矿、金牛煤矿也在积极进行 充填开采的实施[28-56]。 1.2.2 国外研究现状 长壁工作面顶板控制问题同样在美国、澳大利亚、印度等国的浅埋煤层开采中也存 在，如我国煤矿工程机械装备集团最初出口给印度东南公司巴兰布矿综采设备中的 ZZ4400/14/31四柱支撑掩护式液压支架， 工作阻力4400kN/架， 工作面顶板来压时大面积 垮落面积为12600m2， 工作面中部32架支架被“压死”， 顶板沿煤壁台阶下沉600～800mm， 部分支架液压系统元件、立柱和顶梁遭到破坏。该工作面采高2.4m，顶板岩层单向抗压 强度3.213.9MPa，应该说强度也很小，但顶板初次垮落步距竟达84m，发生大面积垮落 灾变。为了预防灾变，缓和大面积垮落的冲击，在采空区上方工作面中部地面向下钻孔 进行覆岩松动爆破，炮眼深3035m，炮眼直径100mm，炮眼排距15m，间距58m，每 眼装药50kg左右[57-63]。 总之，在浅埋煤层顶板大面积垮落研究方面，国内进行了许多研究，也取得了不少 成果，但长壁综采开采、长壁间隔开采和传统房柱式开采发生顶板大面积垮落灾变的危 险并未消除。而国外基本未进行相关研究。 1.3 研究内容、方法及技术路线 1.3.1 研究内容 榆神矿区存在发生顶板大面积垮落灾变的危险， 对于顶板大面积垮落落灾变的监测 与控制方法，本论文对顶板大面积垮落灾变的监测与控制进行研究。 （1）对工作面有威胁的顶板大面积垮落主要发生在初次来压阶段，主要采用理论 分析、物理相似模拟实验等进行开切眼深孔爆破强制放顶参数进行研究。 （2）通过采用物理相似模拟实验、数值模拟及现场试验等方法，研究合理的隔离 煤柱和临时煤柱几何参数，实现小面积无灾害垮落，防止顶板大面积垮落灾害。 （3）采用理论分析、数值模拟等方法进行煤柱留设参数、开采工艺等研究，预防 顶板大面积垮落灾变。 1.3.2 研究方法 本论文采用了相似材料模拟实验、 计算机数值模拟和理论计算分析和煤矿现场试验 等方法， 对榆神不同的开采方法存在的大面积垮落灾变及在开切眼强制放顶和顶板小面 积无灾害垮落方法进行了系统的研究，从而使得顶板不再出现大面积的垮落灾害，保证 万方数据 1 绪论 5 工作面安全生产。 1.3.3 技术路线 图 1.1 技术路线 榆神矿区覆岩大面积垮落灾变控制研究 榆神矿区覆岩大面积垮落灾变控制 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 2 榆神矿区地质及开采特征 2.1 地层及煤层赋存情况 榆神矿区开采区地面广为现代风积沙及第四纪黄土所覆盖， 地层仅沿沟谷及河床两 岸零星出露。区内地层自下而上依次为上三迭统永平组；下侏罗统富县组；中下侏罗 统延安组；中侏罗统直罗组、安定组；下白垩统洛河组；第三系上新统；第四系中更新 统、上新统、全新统。 中下侏罗统延安组为开区主要含煤地层。共有编号煤层10层，其中可采及局部可采 煤层6层，见表2.1。 表表 2.1 可采煤层主要特征表可采煤层主要特征表 序号 煤层 编号 容重 104N/m3 煤层厚度m 距上煤层间距m 煤层 稳定性 最小-最大 一般 最小-最大 一般 1 2-2 1.30 1.32-12.50 6-8 稳定 2 3-1 1.29 0.71-4.32 2-2.50 27-41 30-35 稳定 3 4-2 1.29 0.00-5.36 2.0 31.90-42.10 38-42 基本稳定 4 4-3 1.28 0.06-2.70 2.0 13.30-27.30 25-26 稳定 5 5-2 1.30 1-2-4.98 3-4 26.10-40.50 35-40 不稳定 6 5-3 1.31 0.41-6.07 3-4 9.00-23.50 12-20 稳定 2.2 水文地质概况 榆神矿区开采区属于“保水采煤”的区域。这个区域水文地质工作比较薄弱，属于富 水区和较富水区（图2.1）。 （1）第四系松散岩类及基岩风化带孔隙、裂隙潜水含水层组 ① 全新统河谷冲积层孔隙潜水 分布在井田南侧头道河以北，为头道河的一级阶地，宽8001000m，岩性为粉细沙 中、粗沙互层，涌水量200350m3/日； ② 上更新统冲湖层孔隙潜水 分布于井田的东北角，面积较小，为东、北、西高，向南张口的小型盆地，汇水条 件较好， 有利于接受周边的侧向补给。 含水层岩性为粉沙细沙， 厚22m， 水位埋深5.6m, 涌水量480m3/日； ③ 中更新统黄土裂隙孔洞潜水 万方数据 2 榆神矿区地质及开采特征 7 井田水位埋深13.7029.80m，据SHK1835孔、Y23孔抽水试抽资料，降深 9.2413.93m，渗透系数0.1740.735m/日。 图 2.1 沙层厚度等值线及富水性分区图 （2）侏罗系中细砂岩孔隙、裂隙层间承压含水岩组 含水层主要由 2-2 煤层顶板巨厚层中细粒砂岩组成，分布较为稳定，厚度变化较 大，一般为 27.5064.72m，且裂隙较为发育。地下水具有承压性，属孔隙、裂隙层间承 压水。含水层顶板埋深 67.53111.04m，压力水头 92.32120.54m。据 SHK1835 孔、 SHK1940 孔、Y23 孔抽水试验资料，降深为 26.3055.69m，涌水量 30.1550-2m3/日， 渗透系数 0.00960.0156 m/日。 矿井水文地质勘探类型划为二类一型，即裂隙充水简单型矿床。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 8 图 2.2 水文地质简图 （3）隔水层 在基岩中，厚度较大且连续分布的泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及部分粉砂岩等 泥岩类，与含水层相间分布，厚度一般为10～40m，为层间裂隙承压水的隔水层。 2.3 开采技术现状 受制于井田面积及开采技术水平，以及保水开采的需要，榆神矿区煤矿的开采方式 也经历了一段曲折的发展沿革。 （1）房柱式开采方式；采煤方法也在最初的小煤窑旧房柱式基础上，不断改进， 安全性有所提高。 万方数据 2 榆神矿区地质及开采特征 9 （2）短壁炮采放顶煤；最初采用短壁式炮采放顶煤工艺，开采2-2煤层平均厚度 5.23m，采2.2m，放2.0m，并留设1.0m左右护顶煤。沿工作面推进方向每隔30m切隔成 块，块内留设“丁”字煤柱68m，顶板由煤柱支撑，采空区最大跨度15m，长度25m，未 发生顶板冒落现象。工作面之间留设10m隔离煤柱。 （3）长壁条带开采；自2006年5月开始工作面变为长壁布置，“长壁工作面”沿走向 200m，在“长壁工作面”内划分为小区域开采，小区域间留设宽度为20m隔离煤柱。工作 面中间留设宽度约15m中间煤柱，将其分为东西两个开采面小区域，小区域内留设矩形 煤柱。中间煤柱每隔20m开掘一个联络眼。东西两个开采面沿倾向留设11排支撑煤柱， 每排6个支撑煤柱，支撑煤柱尺寸约为8m 7m。现在采用“长壁系统条带采煤方法”。即 开采系统采用长壁布置，工作面系统内采用条带开采，留煤柱支撑顶板及上覆盖层，保 护含水层。条带开采采用“采12、留8”方案，即每开采12m宽度的条带，留8m区内煤柱 视煤柱稳定性情况，可以在采过10个条带后，留一个区内隔离煤柱，宽度12m。 （4）走向长壁综采；工作面采用长壁综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。 2.4 本章小结 （1）该区域内对井下开采有影响的主要含水层，一是上更新统冲湖层孔隙潜水、 即萨拉乌素潜水层，也是“保水采煤”需要保护的水体；二是开采煤层上方直罗系中统直 罗组J2Z砂岩（七星镇砂岩）、和2-2煤层顶板（真武洞砂岩）均为厚-巨厚层的中粗细 粒砂岩，分布较稳定，连续性好。两层砂岩除局部有泥岩隔水外，多是同一含水体，岩 层裂隙较为发育，为地下水赋存提供了一定条件。但是从现有报告看，仅仅是这两层砂 岩含水层，并不给矿井开采造成灾害性影响。 （2）总体上，萨拉乌素潜水层是富水层。但是各个矿井的具体特征有所不同，勘 探报告的描述也有差别，整个规划的地方煤矿开采区还需要做系统的水文地质工作。由 于这个区域已经划为“保水采煤”区，而且发生过数起矿井透水事故。因此，萨拉乌素潜 水层必须是“保水采煤”的保护层。 （3）某些矿井的勘探报告中指出，煤层顶板的砂岩含水体与萨拉乌素潜水层勾通. 如榆卜界煤矿井田南侧由于2-2煤层自燃使顶板垮落，造成一定厚度的冒落带和裂隙带, 而其上方无隔水层存在，与第四系松散岩类含水层勾通。又如金牛煤矿东南部由于3号 煤层自燃后顶板垮落，造成一定厚度的破碎层和裂隙密集带，其上无隔水层存在，与第 四系松散岩类含水层勾通。因此，至今对这个区域“保水采煤”的基本思路是开采中，绝 对要保证2-2煤层顶板厚-巨厚砂岩层（真武洞砂岩）开采中不能受到破坏。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 10 3 榆神矿区覆岩大面积垮落灾变物理相似模拟研究 物理相似模拟研究是一种重要的科学研究手段， 是在实验室内按相似原理制作与原 型相似的模拟，借助先进的测试方法和手段，有效获取模型内力学参数及其分布规律， 利用模型模拟结果，从而推断原型中可能发生的力学现象，从而解决覆岩大面积垮落灾 变过程无法观测的目的。 3.1 顶板大面积垮落灾变相似材料模拟研究 3.1.1 相似材料模拟实验铺装 （1）模拟实验煤柱尺寸选择 实验选用3m模型架，比例1100，以南梁煤矿覆盖层较厚的20111工作面为原型。 模型选取原型覆盖层厚度相对变化较大的长度为300m剖面， 其基岩厚度平均46m，开采 顺序