含水层下特厚煤层综放开采覆岩破坏规律研究.pdf

论文题目含水层下特厚煤层综放开采覆岩破坏规律研究 专 业采矿工程 硕 士 生于 水 （签名） 指导老师伍永平 （签名） 摘 要 对于特厚煤层综放开采条件下上覆岩层的破坏特点国内外研究较少，而上覆岩层的 运动、破断直接涉及到导水裂隙带发育高度，能使位于开采范围内的地表水、地下水溃 入井下，威胁着井下作业的安全。因此，研究特厚煤层上覆岩层的移动和破坏规律具有 重要的经济效益和社会意义。 本文以断裂力学和弹塑性力学知识为基础，将矿山压力理论和特殊开采理论紧密结 合，对上覆岩层的破坏过程建立各种力学模型分别进行了研究分析，根据上覆岩层的受 力情况，总结了综放工作面覆岩结构及其破坏特点。在此基础上，分析了导水裂隙带的 形态、发育特征及其高度变化特征，最后总结出影响导水裂隙带高度发展的主要因素。 以西安科技大学岩层控制重点实验室为依托，针对彬长矿区胡家河煤矿工程地质条 件，利用物理相似模拟试验方法对综放开采过程进行了研究，分析了上覆岩层采动过程 中岩体运移规律和裂隙扩展规律,导水裂隙带发展高度约为采高的 14～16 倍，且与推进 距离大致成线性关系，洛河组砂岩含水层可能引发矿井突水。 采用有限差分数值模拟方法对含水层下综放开采覆岩破坏规律进行了模拟研究，分 析了采动过程中覆岩的破坏场、应力场和位移场特征，对工作面发生突水灾害的可能性 做了预计。 根据实验模拟结果，总结综放工作面覆岩破坏规律，采用数学方法对经验公式进行 了优化，与生产单位实际情况相比较，准确性较高，可靠性较好，具有一定的参考意义。 关 键 词含水层；综放开采；覆岩破坏；导水裂隙带；相似模拟 研究类型应用研究 Subject Research on Special Thick Coal Seam Overburden Broken Rule in Fully Mechanized Caving under Aquifer Specialty Mining Enginerring Name Yu Shui （（Signature）） Instructor Wu Yongping （（Signature）） ABSTRACT The research on special thick coal seam overburden broken rule in fully mechanized caving is rare at home and abroad, but movement and failure of overburden are directly related to water flowing fractured zone, it can make surface and underground water in mining scope pour into underground and threaten the safety of underground operation. Due to this fact, it has important economic and social significance to study special thick coal seam overburden movement and failure law. Based on fracture and elastic-plastic mechanics, combining the underground pressure theory with special mining theory closely, establishing every kind of mechanical model on the process of overburden failure and analyzing each of them respectively, according to the stress of overburden, this paper summarizes the overburden structure and damage characteristics of fully mechanized caving face. On this basis, water flowing fractured zone morphology, growth and height variation characteristic are analysed, finally, the main factors of the influence of water flowing fractured zone height development are summarized. Relying on the key lab of ground controlling in Xi’an University of Science and Technology, according to the engineering geological conditions of Hujiahe coal mine in Binchang mining area, fully mechanized caving process is studied by physical simulation test , then rock mass migration and crack extension principles of overburden during mining are analyzed, the height of water flow fractured zone is 1416 times than that of mining, it also has curve relationship with advance distance, and the sandstone aquifer of Luohe group can cause water bursting. Using finite difference numerical simulation , the rule of overburden failure under aquifer is studied, then the failure field, stress field and displacement field characteristics of overburden during mining are analyzed, after that, the possibility of water bursting disaster is expected. According to simulation results, the paper summarizes strata failure rule of fully mechanized caving face, and optimizes empirical ula using mathematical , the expected results compared with the actual situation of production unit have the higher accuracy, better reliability and certain reference significance. Key words Aquifer Fully mechanized caving Overburden failure Water flow fractured zone Similar simulation Thesis Application Research 目 录 I 目 录 1 绪论........................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义.................................................................................................1 1.2 国内外研究现状及发展趋势.....................................................................................2 1.2.1 国外对综放开采覆岩破坏规律的研究..........................................................2 1.2.2 国内对综放开采覆岩破坏规律的研究..........................................................3 1.2.3 发展趋势..........................................................................................................4 1.3 研究的主要内容及方法.............................................................................................4 1.3.1 研究的主要内容..............................................................................................4 1.3.2 研究方法..........................................................................................................5 1.4 技术路线.....................................................................................................................5 2 覆岩破坏规律及导水裂隙带基础研究................................................................................7 2.1 上覆岩层破坏形式.....................................................................................................7 2.1.1 弯拉破坏..........................................................................................................7 2.1.2 剪（切）断破坏............................................................................................13 2.2 上覆岩层受力状态...................................................................................................14 2.3 上覆岩层导水裂隙带发育规律...............................................................................15 2.3.1 上覆岩层“三带理论”................................................................................15 2.3.2 导水裂隙带形态............................................................................................17 2.3.3 导水裂隙带发育特征....................................................................................18 2.3.4 导水裂隙带高度变化特征............................................................................18 2.3.5 影响导水裂隙带高度发展的因素................................................................20 2.4 综放工作面覆岩结构及破坏特点...........................................................................22 2.5 本章小结...................................................................................................................23 3 综放开采相似模拟试验研究..............................................................................................24 3.1 相似模拟试验原理...................................................................................................24 3.2 相似模拟试验设计...................................................................................................25 3.2.1 试验目的........................................................................................................25 3.2.2 模型参数确定................................................................................................26 3.2.3 试验设备........................................................................................................27 3.2.4 试验步骤........................................................................................................28 3.3 模型的开采与观测...................................................................................................29 目 录 II 3.4 试验数据分析...........................................................................................................32 3.4.1 工作面来压情况分析....................................................................................32 3.4.2 上覆岩层裂隙发展及分布规律....................................................................32 3.4.3 上覆岩层垮落特征分析................................................................................34 3.5 本章小结...................................................................................................................34 4 综放开采数值模拟试验研究..............................................................................................35 4.1 计算方法简介...........................................................................................................35 4.1.1 概述................................................................................................................35 4.1.2 计算程序........................................................................................................36 4.2 计算模型的建立.......................................................................................................36 4.2.1 计算模型........................................................................................................36 4.2.2 本构关系........................................................................................................37 4.2.3 力学参数的选取............................................................................................37 4.2.4 数值模拟计算方案........................................................................................38 4.3 模拟计算结果分析...................................................................................................38 4.3.1 围岩破坏场分析............................................................................................38 4.3.2 围岩应力场分析............................................................................................41 4.3.3 围岩位移场分析............................................................................................44 4.4 本章小结...................................................................................................................47 5 综放工作面覆岩破坏规律及导水裂隙带高度预测..........................................................48 5.1 综放工作面岩层移动与破坏规律...........................................................................48 5.2 传统经验公式法预计导水裂隙带最大高度...........................................................49 5.2.1 导水裂隙带最大高度的预计经验公式........................................................49 5.2.2 经验公式计算结果........................................................................................49 5.3 根据模拟结果优化导水裂隙发育经验公式...........................................................50 5.3.1 模拟结果........................................................................................................50 5.3.2 回归分析........................................................................................................50 5.3.3 回归分析结果................................................................................................51 5.4 现场实测...................................................................................................................51 5.5 本章小结...................................................................................................................52 6 结论与展望..........................................................................................................................53 6.1 结论...........................................................................................................................53 6.2 展望...........................................................................................................................54 致 谢......................................................................................................................................55 目 录 III 参考文献..................................................................................................................................56 附 录......................................................................................................................................58 Ⅰ 攻读硕士学位期间参与的科研项目........................................................................58 Ⅱ 攻读硕士学位期间发表的学术论文........................................................................58 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 从 20 世纪中叶开始，世界能源的消耗速度急剧增加，在今后 15 年里，全球能源的 需求仍将以每年 2的速度递增[1]。其中煤炭是目前全球储量最丰富的化石燃料，不论 作为能源，还是作为化工原料，在促进全球经济发展特别是可持续发展方面，都发挥着 极其重要的作用。煤炭作为我国的主要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地位。 根据国土资源部报告统计 2002 年中国煤炭消耗量 16 亿吨， 2005 年中国煤炭消耗量 19 亿吨[2]，2007 年原煤产量已经达到 25.23 亿吨[3]，2009 年全国煤炭开采量达 30.5 亿吨之 多。 预计到 2030 年我国对煤炭的总需求量仍将超过 20 亿吨[4]， 并且直到 2050 年在我国 一次能源消费结构中，煤炭仍将占有 50以上。在此形势下，煤炭资源的开采无疑成为 我国经济稳定、持续、快速发展的前提条件。 我国“三下一上”所造成的煤炭呆滞数量之多，在世界范围内是罕见的。据 1994 年的不完全统计，我国“三下”压煤量达 122 亿 t，其中水体及含水层下压煤占有很大 比例，我国有 125 条较大的河流压煤，还有微山湖、太湖、大冶湖和渤海等湖海下压煤。 在华北、东北和华东平原地区普遍有第四系的含水层砂岩覆盖，这些地区的煤田开采都 存在含水砂层下的采煤问题。如何安全合理的开采含水层下压煤，成为当今煤炭开采技 术研究的一个重要课题[5]。 含水层下采煤是在地表或煤层上覆岩层中存在水体的情况下如何实现安全采煤的 技术，而综采放顶煤采煤方法具有掘进率低、效率高、适应性强及易于实现高产高效等 优势，并且在我国取得了迅速的发展，在厚煤层下使用该采煤方法具有较好的前景。然 而综采放顶煤开采工艺使采场的上覆岩层活动规律及结构特点发生了较大的变化，造成 了明显的矿压凸现。另外，综放开采煤炭的一次开采厚度加大，开采强度也随之增加， 采动破坏影响程度明显加剧，这对水体下安全采煤产生重大影响，具体应采取一些技术 措施，把工作面涌水量控制在保证安全生产且同时取得良好经济效益的水平上，从而最 大限度地开采水体下压煤[6,7]。 在处理水体下采煤问题时， 主要考虑开采引起的覆岩中的裂缝是否通过相互连通以 及相互连通的裂缝是否波及到水体[8]。因此，分析覆岩破坏规律，特别是能够导水的冒 落带和裂隙带的高度及其分布形态至关重要。导水裂隙带发育的形态、规律、高度以及 影响因素，前人已经有了相当多的研究，并且形成了规范，但针对特定地质条件下，尤 其是富水含水层下开采覆岩的导水裂隙带发育范围和高度研究不足。研究表明，出现井 下透水灾害主因是开采导致上部隔水层破坏，形成了通达含水体的导水裂隙带。 西安科技大学硕士学位论文 2 陕西省彬长矿区煤炭资源十分丰富，煤层厚度大，层位稳定，结构简单，煤质优良。 属高热值、低中灰、低硫、低磷煤，是良好的动力燃料、工业气化和低温干馏用煤。矿 区具备建设大型煤电水一体化产业的良好条件。国土资源部及国家发展和改革委员会将 彬长矿区列为十九个首批国家规划的煤炭矿区之一，成为国家未来能源接续地。井田内 大部为黄土所覆盖，基岩仅在较大的河谷两侧有少量出露。第四系表土厚 11.85m，基岩 厚度超过 500m，主要由泥岩、含砾砂岩，粗砂岩、粗砾岩等组成，强度低，岩层在无 水条件下自稳性较好，但遇水易软化、甚至溶解，覆岩顶板含水层共 11 层，其中洛河 组砂岩含水层分布广、厚度大、富水性较强，对本矿区煤层的安全开采构成了威胁。因 此，研究含水层下特厚煤层综放开采覆岩破坏规律，为解决特厚煤层富水覆岩条件下高 强度开采过程的突水问题以及煤矿安全、高产、高效具有实际意义。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 国外对综放开采覆岩破坏规律的研究 放顶煤采煤法是一种古老的采煤方法，俗称“高落式”采煤法。综合机械化放顶煤 采煤法是近代发展起来的一种采煤方法。 1964 年， 法国首先在布朗齐矿试验成功一次采 全厚综采放顶煤采煤法。之后，前南斯拉夫、前苏联、匈牙利、保加利亚等国先后引进 了这种方法，取得了较好的经济效益，而且在不同的煤层赋存条件下有所发展[9,10]。综 放开采在国外的最好水平，月产量只达到 10 万 t 左右，工效 5060t/工。进入 20 世纪 90 年代，综放开采的发源地法国由于煤炭资源枯竭，煤炭工业萎缩，自 1992 年关闭最 后一座综放开采的矿井以后不存在综放工作面。俄罗斯、乌克兰、前南斯拉夫、罗马尼 亚等国也由于条件限制，综放开采规模很小，水平很低，没有达到高产高效的水平[11]。 关于国外放顶煤开采上覆岩层活动规律方面，在文献中出现较多的是法国的 J.P.皮 凯对布朗煤田达﹒尔西矿放顶煤工作面的矿压研究[12,13]。由于实际采高加大，放顶煤工 作面的矿压“三量”值也会增加，法国的尚邦教授等研究人员在 140 个各种工作面的实 测基础上，提出了预计顶煤下沉量的简易公式[14]。前苏联曾在库兹巴斯的列宁矿和舌位 雅科夫矿进行了专门的测试，得出顶煤在 1m、2m、3m 悬长时产生裂隙破坏的频率 n 与垮落角 δ 之间的关系[15]。 国外对导水裂隙带理论也进行了长期研究，并根据本国实际制订了相关规程与规 定。英国矿业局早在 1968 年就颁布了海下采煤条例，对覆岩的组成、厚度、煤层采厚 以及采煤方法等作了相应的具体规定；日本曾有 11 个矿井进行过海下采煤，海下采煤 的水患防治措施严密， 安全规程针对冲积层的组成与赋存厚度作出了允许与禁止的开采 规定；俄罗斯于 1973 年出版了确定导水裂隙带高度方法指南，1981 年颁布了有关水体 下开采的规程， 根据覆岩中粘土层厚度、 煤厚、 重复采动等条件的变化来确定安全采深， 1 绪论 3 但这些规定与规程大多是统计经验而没有进行深入的理论与方法研究。 1.2.2 国内对综放开采覆岩破坏规律的研究 厚煤层综采放顶煤开采技术在我国经历近半个世纪的探索、试验，几经周折，现在 已经成为一种成熟的、安全高效、先进的采煤方法，从而使厚煤层的开采进入了一个新 的发展时期。厚煤层综采放顶煤开采技术在我国的发展进程大致可分两个阶段。 第一阶段是探索试验阶段，从 20 世纪 50 年代至 1990 年底，这个阶段我国放顶煤 技术主要处于学习、引进和借鉴的阶段。19901992 年以后，我国综放开采技术的发展 进入第二阶段，即成熟阶段，成熟的标志是我国综放开采技术走上了独立发展的道路， 不仅创造了超出分层综采的技术经济指标，并且在装备上，特别在放顶煤液压支架的研 制上摆脱了仅靠引进国外技术的发展模式，在创新上取得了突破性的进展[16]。 根据文献[1723]，我国许多专家学者对综放工作面的覆岩破坏规律进行了分析和总 结。 中国工程院院士刘天泉提出了覆岩破坏学说[24]。认为长壁开采后，覆岩变形特征及 导水性能将上覆岩层分为“三带” ，目前国内主要以此理论为研究覆岩运动规律的基础。 此后山东科技大学高延法教授突破了传统的三带观念，提出岩移“四带”模型[25]，将基 岩依其破坏后的力学结构特征划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲积层带，进一步 拓宽了对覆岩破坏运动规律的认识。 中国矿业大学陆明心、郝海金、吴健认为综放工作面上覆岩层存在着比分层开采层 位更高的平衡结构，以大变形梁的形式存在，结构的活动是一个逐渐变化的过程，在这 一过程中，平衡结构其下的顶板和顶煤相互作用[26,27]。 钱鸣高院士、缪协兴和许家林教授首次提出了采场上覆岩层活动中的关键层理论， 建立了关键层的判别准则，深入研究了在关键层作用下岩层的变形、离层及断裂规律。 根据关键层移动和采场矿压研究提供了一种统一思想和方法[28]。 煤炭科学总院北京开采所闫少宏、贾光胜针对放顶煤开采上覆岩块运动特点引入了 有限变形力学理论[29]。兖州矿业集团赵光彻、陶廷云应用内外应力场理论对分层开采、 网下综放、全厚综放三种不同条件下的冒落岩层厚度、导水裂隙带高度、地表沉陷特征 及支承压力大小及分布特点进行了分析和探讨，并建立了相应的计算模型[30]。吴健教授 通过对通化道清矿急倾斜水平分段放顶煤工作面观测，将顶煤移动过程分为冒落前和冒 落后两个阶段，冒落后阶段又分为冒落过程、压实过程和放出过程[31]。 目前国内确定导水裂隙带高度的方法主要有三类 （1）探测法[32,33] 几十年来，煤矿多采用钻孔冲洗液法探测导水裂隙带高度。随着煤炭科学技术不断 发展和进步， 探测导水裂隙带高度相继出现了许多新的探测手段和方法， 如注水试验法、 西安科技大学硕士学位论文 4 高密度电阻率法、超声成像法、声波 CT 层析成像法等。根据实际需要，人们有时将这 几种方法相结合使用。 （2）经验公式计算法 经验公式计算法是在准确地分析判断矿区覆岩结构类型的基础上，利用建筑物、 水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中的经验公式计算得出导水裂隙带高 度。如刘天泉等[34]对水平煤层、