韩家湾近距浅埋房柱式采空下动压灾害防治研究.pdf

分 类 号TD323密级 学号G13253 硕士学位论文 Thesis for Master’s Degree 韩家湾近距浅埋房柱式采空下动压韩家湾近距浅埋房柱式采空下动压 灾害防治研究灾害防治研究 申请人姓名 雷旭轮 指 导 教 师 张杰（校内） 蒋荣华（校外） 类别 非全日制专业学位硕士 工 程 领 域 矿业工程 研 究 方 向 矿山压力研究 2017 年 6 月 论文题目韩家湾近距浅埋房柱式采空下动压灾害防治研究 工程领域矿业工程 硕 士 生雷 旭 轮签名 指导教师张杰签名 蒋 荣 华签名 摘 要 陕北侏罗纪煤田近距浅埋煤层多年的研究和结果表明，其大多为煤层群开采，具有 埋深浅、薄基岩、地表厚风积沙覆盖层的赋存特点。以往多采用房柱式开采，形成了大 量房柱式采空区，而近距煤层群开采动压灾害显现明显。本文以理论分析、物理相似模 拟实验及数值模拟等研究方法，对房柱式采空区下覆岩结构、煤柱稳定性、顶板应力分 布、应力传递及动压防治等问题进行了研究。 通过物理相似模拟试实验揭示了宽煤柱下 3-1煤开采顶板破断动压机理， 由于房柱采 空区内残留煤柱的存在，关键层在推进方向上受力不均匀，当关键层断裂位置位于残留 煤柱下方时，关键层易发生滑落失稳；当关键层断裂位置位于两残留煤柱之间的采空区 下方时，关键层已发生回转失稳。利用 FLAC3D数值软件模拟了在 3.4m 房柱和 15m 隔 离煤柱下，对 2-2煤层进行了回采，发现在 3-1煤层上方 5m10m 的范围内，应力曲线波 动明显减弱， 直接顶上部06m受煤柱集中应力的影响较小， 而直接顶上部615m的关 键层受到上部残留煤柱影响较明显，2-2煤层残留煤柱影响深度约为 27m。通过相应影响 因素确定了支架的工作阻力。 分析了深孔预爆预防动压机理，提出了动压力防治技术，井下采用 KJ959 微震监测 系统，地面采用存储式 YTZ-3 地震仪，在 3302 工作面过上覆房柱采空区煤柱进行了预 爆破，根据微震监测系统监测的微震事件定位，推断了预爆影响范围，在现场取得了良 好的预防效果。 关 键 词浅埋煤层；房柱式开采；采空区；动压防治；微震监测 研究类型应用研究 Subject Study on Hanjiawan shallow near the room and pillar miningdisaster prevention and control of air under dynamic pressure Specialty Mining Engineering Name Lel Xu-lunSignature Instructor Zhang JieSignature Jiang Rong-huaSignature ABSTRACT Jurassic coalfields in shallow seam near years of research and results show that the number of coal mining, the main feature is the occurrence of shallow buried depth, thin bedrock and thick sand layer. In the past using room and pillar mining is backward, the ation of a large number of room and pillar goaf, and close seam group the dynamic pressure of mining disasters has obvious. Based on the theoretical analysis, physical simulation and numerical simulation experiment, the room and pillar mining overburden structure space, the stability of coal pillar, roof stress distribution, stress transfer and dynamic pressure control problem was studied. Through the physical simulation experiment reveals wide coal pillar under 3-1coal mining roof breaking mechanism of dynamic pressure, because the real column mining residual coal pillar in mined out area, the key layer in the advancing direction of uneven force, when the key stratum is located in residual coal pillar below, the key layer easy to be slipped instability; when the key stratum is located between two residual coal pillar under the goaf, the key layer has been simulated. Rotary instability in 3.4m columns and 15m isolation pillar by FLAC3Dnumerical simulation software of 2-2coal seam mining, found in the range of 3-1over the coal seam in the 5m10m should be force fluctuation curve Significantly decreased 06m by the upper immediate roof coal pillar stress concentration is smaller, and directly overhead 615m key layer by the upper residual coal pillar effect is obvious, 2-2coal seam residual coal pillar affected depth is about 27m. by the corresponding impact factors to determine the working resistance of support. Analysis of the prevention mechanism of dynamic pressure blasting deep hole pre, put forward dynamic pressure control technology, using KJ959 underground microseismic monitoring system, the ground uses storage YTZ-3 seismic instrument, in 3301 working face overburden pillar goaf of coal pillar was pre blasting, according to the micro seismic event location monitoring, inference. Pre detonation impact range, has good prevention effect in the field. Key wordsShallow Coal Seam; Pillars Mining; Goaf; Dynamic Pressure and Disaster Prevention; Microseismic Monitoring ThesisApplication analysis 目录 I 目 录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 问题的提出及研究意义..............................................................................................1 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................2 1.2.1 国内外近距浅埋煤层研究成果.......................................................................2 1.2.2 近距浅埋煤层房柱式采空下灾害研究...........................................................4 1.2.3 近距浅埋煤层房柱式采空下灾害预防...........................................................5 1.3 存在的问题..................................................................................................................6 1.4 论文研究的主要内容及技术路线..............................................................................6 2 矿井开采地质条件分析.........................................................................................................8 2.1 矿井基本情况..............................................................................................................8 2.2 水文地质条件..............................................................................................................9 2.3 3301 工作面开采条件................................................................................................10 2.3.1 工作面地质条件.............................................................................................10 2.3.2 工作面上部采动情况.....................................................................................11 2.4 本章小结....................................................................................................................12 3 近距浅埋煤层房柱式采空下开采覆岩破坏规律研究.......................................................13 3.1 覆岩关键层结构分析................................................................................................13 3.2 房采区煤柱稳定性分析............................................................................................16 3.3 房柱采空区煤柱应力分布数值模拟研究................................................................18 3.3.1 数值模型的建立.............................................................................................18 3.3.2 数值模拟结果分析.........................................................................................19 3.5 物理相似模拟实验....................................................................................................25 3.5.1 实验设计.........................................................................................................25 3.5.2 物理相似模拟实验结果分析..........................................................................27 3.6 下煤层工作面支架阻力确定....................................................................................30 3.6.1 房采区下支架载荷的确定.............................................................................31 3.6.2 爆破卸压后支架工作阻力确定.....................................................................33 3.7 本章小结....................................................................................................................34 4 房柱式采空下开采动压防治技术.......................................................................................35 4.1 危险区域预测............................................................................................................35 4.2 煤柱预爆弱化设计....................................................................................................35 目录 II 4.2.1 爆破钻孔设计.................................................................................................36 4.2.2 爆破参数.........................................................................................................38 4.2.3 过程控制.........................................................................................................38 4.2.4 动压预测预报.................................................................................................41 4.3 爆破工程施工............................................................................................................42 4.4 微震监测分析............................................................................................................44 4.4.1 监测方案.........................................................................................................45 4.4.2 传感器安装.....................................................................................................49 4.4.3 监测数据处理.................................................................................................49 4.4.4 监测结果分析.................................................................................................61 4.5 本章小结....................................................................................................................64 5 主要结论与展望...................................................................................................................65 5.1 主要结论....................................................................................................................65 5.2 展望............................................................................................................................65 致谢...................................................................................................................................66 参考文献...................................................................................................................................67 附录...................................................................................................................................71 1 绪论 1 1 绪论 1.1 问题的提出及研究意义 陕北侏罗纪煤田与德国的鲁尔煤田、 美国的阿巴拉契亚煤田等被称为世界七大煤田， 其探明可采储量占全国煤炭探明储量的 1/3，是我国目前开采储量最大的煤田。陕北侏 罗纪煤田主要赋存特征是埋藏深度浅、上覆基岩薄，厚风积沙覆盖层，其开采形式多为 煤层群开采。开采实践表明，开采松散层覆盖下的浅埋煤层时，因采动而形成的顶板结 构及来压特征会使其顶板普遍出现台阶下沉等矿压现象，发生压架等事故。目前，随着 我国经济的高速发展，对煤炭的需求也在不断增加，致使陕北浅埋煤层的开采规模不断 扩大，许多矿井的煤炭资源从开采初期至现在逐渐枯竭，从而转向煤层群的上、下部开 采即相邻煤层的开采。当相邻煤层之间的距离较大时，上部煤层开采完之后，由于其开 采扰动未能波及下煤层，故当下部煤层开采时，上煤层开采对下煤层的影响较小。下煤 层开采时开采方法以及引起的矿压显现规律等受上部煤层开采的影响程度很小，当煤层 层间距足够大时，几乎不受上煤层的影响，此时基本与单一煤层开采情况相同。但是随 着相邻煤层之间的距离减小，浅埋煤层群开采时相互之间的影响将逐渐增加，尤其是当 相邻煤层之间的距离较近时，上部煤层开采引起的动压作用对此煤层底板有破坏作用， 即当下部煤层开采前煤层顶板已受到上部煤层的开采扰动，破坏了其完整性。上部煤层 开采后形成的房柱式采空区，或者是房柱式采空区内开采后残留的区段煤柱，由于煤柱 受上覆岩体的载荷作用，在煤层底板会形成压力集中。在集中压力的作用下，下部煤层 开采时，开采区域的应力和顶板运动所形成的结构将发生很大变化。由于随着时间的增 加上部煤层及房柱式采动扰动影响区即压力集中区的位置已经变化不清，从而在近距浅 埋煤层群下行开采中出现了许多复杂的顶板及煤柱问题，即新的动压灾害现象，严重影 响着煤矿的高产高效。而现有的浅埋煤层开采中对于顶板事故控制管理的现有理论及经 验，已经不能有针对性的解决和控制这类新的矿压灾害问题。因此在现已成熟的浅埋煤 层理论下，继续深入研究，在顶板控制技术方面实现新的突破，特别是在浅埋煤层群下 行开采的过程中，对于新遇到的工作面压架和综采工作面布置以及引起的强烈矿压问题 亟待解决。由于浅埋煤层特殊的赋存条件，其复杂采动影响区下的顶板控制问题更加突 出， 已严重影响和限制着综采面的布置以及工作面的支护， 严重制约着矿井的高产高效， 急需先进的技术来解决由此引发的采动区顶板强烈矿压灾害的难题。 陕北韩家湾煤炭有限公司，由于 2-2煤层已经采完，且 3-1煤层位于 2-2煤层之下，属 于煤层群下行开采。当开采 3-1煤层时，由于 2-2煤层未采动区和房柱式形成的采空区以 及长壁工作面开采形成的采空区的综合影响。因此，研究韩家湾矿煤层群采动压形成原 西安科技大学工程硕士学位论文 2 因、支架选型及灾害防治措施，不仅仅对韩家湾煤矿高产高效开采以及综采工作面的合 理布局及支架选型具有重要的指导意义，而且对陕北矿业安山煤矿等类似条件矿井动压 灾害防治及工作面合理布置与选型也具有重要价值。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内外近距浅埋煤层研究成果 成煤过程中由于成煤地质构造存在差异，致使浅埋深煤层在世界范围内分布并不均 匀，国外典型的浅埋煤田有印度拉尼根杰煤田Raniganj Coalfield、莫斯科煤田Moscow Coalfield、澳大利亚猎人谷煤田Hunter Valley Coalfield和美国阿巴拉契亚煤田 Appalachia Coalfield[1][5]。 前苏联 M.秦巴列维奇对浅埋煤层矿压显现规律的研究，提出了台阶下沉假说[6]，该 假说认为当煤层埋藏不深时，即浅埋煤层，其上覆岩层可视为均匀分布的物质。 前苏联 B.B.布德雷克于 1981 年在前苏联某杂志上发表名为“莫斯科近郊煤田矿山 压力的特点”的文章。文章表示，在煤层埋藏深度大约为 100m 时，同时其上覆有厚粘 土层覆盖，当开采扰动引起顶板垮落时，顶板来压相当强烈，而普通采场顶板由于其垮 落从下至上逐层变形这一过程是相对比较缓和，这与浅埋煤层顶板来压特征有很大的区 别[7]。 澳大利亚 B.霍勃尔瓦依特博士等人对新南威尔士浅部长壁开采进行了实测分析，得 出初次来压时的顶板跨距大约为 10m,沿采空区边缘和工作面顶板岩层破断几乎都是垂 直断裂。地表最大下沉量为采高的 3/5，其中主要发生在距离工作面大约 40m 以内，研 究发现浅埋煤层开采后形成的采空区在自重压力下迅速压实、并且上覆岩层发生整体移 动的现象[8]。 澳大利亚 B.K. Hebblewhite 及 L. Holla 等认为浅埋煤层开采完以后煤层顶板沿采空 区垂直断裂，通过对多层位立体钻孔锚固装置进行了实测分析，而锚固装置贯穿于整个 采空区，分析得出开采后顶板垮落高度大约为采高的 8 倍左右，地表下沉速度快且顶板 来压大[1][2]。 欧美国家比如美国与英国主要采用房柱式开采，主要是为了控制开采浅部煤层引起 的地表的塌陷，造成地表植被破坏。他们主要对开采引起的地表沉陷以及开采之前的地 层地震波探测和对探测结果及工程地质的评价等进行了研究[9][10]。印度与南非等国家由 于经济落后，相关科研缺乏资金，导致缺乏相关理论技术，因此研究焦点主要集中在房 柱式开采所引起的地表沉陷与预计以及煤柱稳定性及其最大载荷的确定等方面的研究， 而在长壁工作面的开采方式研究的很少，并且很少采用长壁式开采[11][13]。 综上所述，国外学者主要对浅埋长壁工作面开采时由此引发的一系列矿压显现规律 1 绪论 3 及矿压现象进行了大量的研究，其研究主要集中于对矿山压力以及因开采引起的地表沉 陷进行了现场实测，并没有对浅埋煤层房柱式采空下长壁工作面的上覆岩层来压机理及 动压灾害与防治进行深入研究。而其中有些研究只是对研究方向进行了初步的界定，但 对浅埋煤层房柱式采空下动压灾害研究有很大的参考价值。 20 世纪 90 年代初期，随着陕北神东矿区的开发建设，我国学者针对浅埋煤层顶板 结构及围岩控制做出了大量的研究。国内煤炭高校及各科研机构的教授、学者对特殊地 质条件下现成的近距离浅埋煤层的矿压显现规律，顶板垮落形式及形成的结构，巷道布 置形式和断面形状选择以及围岩稳定性等做了大量分析研究， 取得了很多里程碑的成果。 这些成果对浅埋煤层的安全高效开采产生了重要的指导作用。 侯忠杰教授等[14]对判定采场主关键层的充分条件应为顶板来压强度条件进行了论 证.对组合关键层弹性模量、 承受载荷和极限跨距的计算公式进行了推导， 完善了组合关 键层理论.揭示了地表厚松散层浅埋煤层组合关键层自身不能形成三铰拱式平衡的机理。 石平五教授等通过对 “浅埋煤层矿压显现及岩层控制规律研究” 的研究， 提出了 “大 结构、小结构”力学模型[15]。文献[15]研究认为，在浅埋煤层的条件下，由于上覆基岩 岩层垮落形成的大结构与小结构具有不同的周期性，从而引起工作面来压强度和周期来 压的不同步性。 侯忠杰教授[16]等以浅埋煤层关键层理论为基础,总结了浅埋煤层矿压显现规律，分 析了厚松散层浅埋煤层的顶板破断特点，首次提出了两层关键层可形成组合关键层理论 的概念。指出组合关键层因为厚度大，岩柱断裂度大，所以岩柱结构不易发生回转失稳。 解兴智[17]通过对鄂尔多斯地区浅埋煤层房柱式采空区下长壁开采进行了分析研究， 研究发现浅埋煤层房柱式采空区上覆岩层在一定的范围内存在叠合梁结构，且呈现出上 位基本顶结构以固定梁，下位基本顶结构为悬臂梁的双梁式结构。发现上位固定梁与下 位悬臂梁失稳的不同周期性是导致长壁工作面支架失稳的主要原因。 屠世浩等[18]通过对浅埋煤层房柱式采空区下，近距离煤层综采工作面开采顶板由于 受到房柱式采空区煤柱的集中应力，可能出现下煤层覆岩大面积垮落带来冲击式灾害等 问题进行研究。 通过对鄂尔多斯乌兰集团石屹台煤矿 2-1煤层综采工作面开采实际进行了 现场调研与测试，采取了地面钻孔注砂充填煤房等预防措施，来实现工作面的安全高效 生产。 张杰教授等[19]为了研究采高对组合关键层破坏的影响，通过运用数值分析方法研究 了采高变化对组合关键破断的影响，即对采场来压步距的影响，修正了浅埋煤层开采采 场初次来压步距的计算公式。该公式对于地表厚土层浅埋煤层中的组合关键层的破断距 计算具有一定的适应性。 许家林教授等[20][21]对神东矿区相关浅埋煤层矿井的关键层结构及关键层结构类型 和关键层破断失稳形式及其特征进行了分析研究，并且对浅埋煤层覆岩关键层结构类型 西安科技大学工程硕士学位论文 4 进行了划分，即浅埋煤层覆岩关键层结构类型有单一关键层和多层关键层两种结构。同 时提出了神东矿区浅埋煤层单一关键层结构工作面出现台阶下沉的力学机理并建立了相 关力学模型。 侯忠杰教授等[22]通过对南梁煤矿浅埋煤层开采后顶板条件及顶板垮落结构的研究， 将原采用的房柱式和刀柱式开采方法用长壁间隔式开采方法代替，通过运用相似材料模 拟实验、理论分析及现场试验对间隔开采方法工作面合理开采段长度进行了界定，开采 长度为 50 m， 煤柱宽度为 10m， 从而实现了浅埋煤层开采完后由于隔离煤柱的支撑作用， 使煤柱间形成小面积垮落而不影响工作面的正常生产，使榆神府矿区中小型矿井中第一 个成功采用长壁工作面布置单体支柱开采的矿井。 王家臣教授等[23]研究了房柱式采空区煤柱稳定性及其变形失稳过程，建立了带柱帽 的无梁楼盖体系计算模型，通过采用 FLAC3D数值计算和相似材料模拟试验计算对模型 的正确性进行了验证。 张杰教授等[24]对浅埋煤层中潜水渗流场与工程开挖应力场相互影响的分析，建立了 厚松散层富含潜水浅埋煤层组合关键层的岩体水力学模型;通过采用数值模拟， 模拟了房 柱式采空区下煤柱破坏变形过程。 综上所述，国内外学者对浅埋煤层开采引起上覆岩运动规律、房柱式采空区残留煤 柱稳定性及破坏失稳过程以及浅埋煤层顶板控制和相关技术进行了研究分析。针对浅埋 煤层房柱式采空区下煤层开采条件，指出导致周期来压的不等距性和来压强度的不等强 性的主要原因是上下位悬臂梁失稳的不同周期性造成的[25]。目前，对浅埋房式采空区下 近距离煤层长壁开采时覆岩关键层结构、煤层房采区煤柱稳定性、房柱采空区煤柱底板 应力分布及相关具有针对性的防治技术研究较少，给该类煤层的综采工作面设备选型及 工艺参数、顶板控制管理等带来困难，严重制约着工作面的高产高效。 1.2.2 近距浅埋煤层房柱式采空下灾害研究 由于浅埋煤层独特的地质条件，致使其矿压显现规律与普通深埋煤层矿压显现规律 有很大的不同，国内许多学者为了使矿山开采安全高效进行，对浅埋煤层顶板的塌落以 及近距浅埋煤层房柱式采空下由于综采矿压产生相应的灾害进行研究。黄庆享教授[6]通 过研究得出浅埋煤层虽然埋深浅，但工作面初采期间，顶板的周期来压步距大，来压 强度也大。上覆岩层随着工作面正常推进依次离层，并逐渐到达地表，松散层整体下沉， 形成地表盆地。此时，如果工作面支架初撑力太小，工作面就容易出现台阶下沉。 冯国瑞等[26]针对浅埋煤层房柱式采空区下进行长壁开采，研究发现由于煤层间存在 相互影响的作用力和采空区有无充填及充填程度的影响，导致上覆岩基本顶很难形成稳 定结构，且上煤层房柱式开采后残留的支撑煤柱在其底板形成集中应力，从而使下煤层 长壁开采区的顶板结构和应力场发生显著变化，如内蒙古鄂尔多斯有很大矿井上煤层房 1 绪论 5 柱式开采完以后，下煤层开采时，工作面顶板沿煤壁整体切断，顶板大面积垮落导致支 架压死事故。 刘义新[27]通过对普通长壁工作面开采和房柱式采空区下长壁开采进行了对比研究， 由于长壁开采工作面的基本顶和直接顶是由上覆岩层中不同岩性和厚度的岩层组成的连 续介质结构，而房柱式采空区由于破坏了这种连续的顶板结构，使顶板在运动特征和力 的传递性等方面发生很大的改变，从而在煤层群开采下部煤层时与单一煤层开采相比出 现了许多新的矿压现象。 成根明[28]研究发现近距浅埋煤层由于相邻煤层之间的距离不同，开采时相互之间的 影响程度也各不同，当煤层之间的距离较小时，相邻上下煤层之间开采的相互影响程度 就会很大，尤其是当煤层之间距离很近时，上煤层开采完以后，下部煤层在开采前其顶 板的完整程度由于受上部煤层开采损伤影响变得更加严重。 当煤层群开采时，若上煤层采用房柱式采煤法开采，上煤层煤房开采以后在采空区 有大量的残留支撑煤柱，有很大一部分残留煤柱在开采过程中会处于暂时的稳定状态。 但随着时间的流逝，部分煤柱在风化作用下会发生流变，强度降低。其主要表现在下煤 层开采时，顶板很容易发生冒漏，甚至大面积垮落，严重时造成压架事故;煤柱群之间易 发生“多米诺”效应[25]，引发冲击式强地压，对下煤层长壁工作面造成冲击，影响工作 面安全高效生产；当裂缝将上下煤层采空区贯通，会使煤层自燃。 杨平等[29]-[31]研究得出房柱式开采后，采空区有大量的残留支撑煤柱，虽然开采后初 期煤柱由于强度大，没有受到风化作用而保持暂时性稳定，但是浅埋煤层埋藏浅，基岩 薄，煤层开采后不能形成砌体梁式的咬合结构，致使房柱式采空区煤柱承受来自上覆岩 层直至地表松散层的载荷作用，使其受力很大。房柱式采空区遗留煤柱和煤层顶板组成 一个整体结构系统，在静载荷作用下，煤柱稳定性不仅取决于煤柱自身的整体强度，还 取决于煤柱与顶板的力学特性关系。另外，由于煤柱受到长时间的风化作用，煤柱强度 降低，煤柱群对上覆岩层的支承能力弱化，单一煤柱的失稳将使其支撑上覆岩体载荷转 移到相邻煤柱上并引起该煤柱过载而失稳，这种渐进过程引发煤柱破坏的多米诺效应， 从而引发大面积顶板垮落。 张弛等[32]-[33]通过对近距浅埋煤层房柱式采空下长壁开采研究分析， 房柱式采空区顶 板大面积垮落容易造成工作面支架压架事故，更严重会引发矿震现象和飓风灾害。因此 对房柱式采空区下煤柱稳定性研究具有重要参考意义。 1.2.3 近距浅埋煤层房柱式采空下灾害预防 由于近距浅埋煤层房柱式采空下灾害复杂多变，对于其预防的具体措施，国内学者 研究较少， 但以下学者针对近距浅埋煤层房柱式采空下灾害研究得出了相应的预防措施。 王方田等[34]对浅埋煤层房柱式采空区下近距离煤层长壁工作面开采覆岩运动规律 西安科技大学工程硕士学位论文 6 研究得出房柱式采空下动压灾害预防措施主要有控制合理煤层采高、加强顶板支护系统 管理、地