坚硬顶板条件下底板破坏深度及控制方法技术研究.pdf

分类号分类号TD823TD823密密级级 公公开开 U U D D C C 单位代码单位代码1042410424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 坚硬顶板条件下底板破坏深度及坚硬顶板条件下底板破坏深度及坚硬顶板条件下底板破坏深度及坚硬顶板条件下底板破坏深度及 控制方法技术研究控制方法技术研究控制方法技术研究控制方法技术研究 聂树强聂树强 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士领域名称领域名称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名温温 兴兴 林林职职称称副副 教教 授授 副指导教师姓名副指导教师姓名李李 法法 柱柱职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇〇六二〇〇六年年十十月月 论文题目论文题目论文题目论文题目 坚硬顶板条件下底板破坏深度及坚硬顶板条件下底板破坏深度及坚硬顶板条件下底板破坏深度及坚硬顶板条件下底板破坏深度及 控制方法技术研究控制方法技术研究控制方法技术研究控制方法技术研究 作者姓名作者姓名作者姓名作者姓名聂 树 强入学时间入学时间入学时间入学时间2004 年 3 月 领域名称领域名称领域名称领域名称矿业工程研究方向研究方向研究方向研究方向矿井特殊开采与安全 指导教师指导教师指导教师指导教师温 兴 林职职职职称称称称副 教 授 副指导教师副指导教师副指导教师副指导教师李 法 柱职职职职称称称称高级工程师 论文提交日期论文提交日期论文提交日期论文提交日期2006 年 10 月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期2006 年 10 月 授予学位日期授予学位日期授予学位日期授予学位日期 T T T THEHEHEHE RESEARCHRESEARCHRESEARCHRESEARCH OFOFOFOF SOLEPLATESOLEPLATESOLEPLATESOLEPLATE’ ’ ’ ’S S S S DESTROYDESTROYDESTROYDESTROY DEPTHDEPTHDEPTHDEPTH ANDANDANDAND CONTROLCONTROLCONTROLCONTROL UNDERUNDERUNDERUNDER THETHETHETHE CONDITIONCONDITIONCONDITIONCONDITION OFOFOFOF HARDNESSHARDNESSHARDNESSHARDNESS ROOFROOFROOFROOF A A A Adissertationdissertationdissertationdissertationtedtedtedtedininininfulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethetherequirementsrequirementsrequirementsrequirements ofofofof thethethethedegreedegreedegreedegreeofofofof MASTERMASTERMASTERMASTER fromfromfromfrom ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand TechnologyTechnologyTechnologyTechnology bybybyby NieNieNieNie SHuQiangSHuQiangSHuQiangSHuQiang SupervisorSupervisorSupervisorSupervisorAssociateAssociateAssociateAssociate ProfessorProfessorProfessorProfessorWenWenWenWen XinglinXinglinXinglinXinglin SeniorSeniorSeniorSenior EngineerEngineerEngineerEngineerLiLiLiLi FaZHuFaZHuFaZHuFaZHu CollegeCollegeCollegeCollegeofofofof NaturalNaturalNaturalNatural ResourcesResourcesResourcesResourcesandandandand EnvironmentalEnvironmentalEnvironmentalEnvironmental EngineeringEngineeringEngineeringEngineering OctoberOctoberOctoberOctober,2006,2006,2006,2006 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名 日期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION Ideclare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Doctor of Philosophy in Shandong University of Science and Technology,iswholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 1 摘摘要要 本文研究了坚硬顶板围岩及底板岩体应力情况，对坚硬顶板条件下底板破坏深度进 行了深入的理论研究，为探讨煤层底板破坏深度奠定了一定的理论基础。论文采用理论 分析与数值计算模拟分析相结合的研究方式，首先对坚硬顶板围岩及底板岩体应力进行 了详细分析， 对坚硬顶板围岩进行了力学分析，得出了坚硬顶板条件下的围岩运动特性； 进而从三个角度分析了煤层底板岩体应力状态；最后分析了煤层底板岩体移动规律，获 得了一些规律性认识。其次，主要对坚硬顶板条件下底板破坏深度进行了深入的理论研 究。 在底板破坏深度的理论研究中，首先介绍了底板破坏深度的基本概念及其影响因素， 对采场周围岩体应力进行了计算；然后进行了采场端部岩体破坏区计算；进而计算了采 场底板最大破坏深度。在采场底板破坏深度的统计分析中，首先介绍了影响底板岩层变 形破坏的因素，然后进行了回归分析计算并对回归成果进行了分析。再次，是针对沈村 煤矿实际情况，在前面理论分析的基础上进行采场底板破坏深度的数值模拟研究和现场 探测研究，对研究结果进行了初步分析，得到了一些认识。最后主要对底板破坏深度的 控制方法及技术进行了研究。 本文研究表明，运用理论分析与数值模拟方法，可以全面地揭示采动条件下底板岩 体的应力场、变形破坏特征与破坏范围、深度，有利于选择、优化设计方案，同时减少 试验时间、节省项目经费，提高矿井的经济效益与社会效益。 关键词关键词煤层底板；破坏深度；应力场；数值模拟 山东科技大学硕士学位论文摘要 2 AbstractAbstractAbstractAbstract Thepaper researched the stressofhardness roofwallrock and soleplate,itgive in-depth theory research of breakage depth under the condition of hardness roofwallrock, whichisin order to establish definite theory base to discuss inrushing water mechanism in coal seam floor. Thepaper adopted associative research between theory analysis and numerical simulation analysis. Atfirst,itgive in-depth theory research of hardness roofwallrock and soleplate , after the analysis ofwallrock dynamo about hardness roof, we got some characteristic ofwallrock under the condition of hardness roof;in succession,itanalysed the coal seam floor stress fields;and at lastitanalysed the terrane moving rules in coal seam floor, and some rule knowledge are arrived. Second, the paper analyzedbreakage depth on the condition of hardness roof deeply.In the theory of breakage depth, the paper first give the basic concept and influence factor, give the numeration of the stress around the stope; then analysed the rock break area of the stope; at lastitgive the biggest breakage depthofstope floor.Inthe analysis of the breakage depth ofstope floor, the paper give some influence factorand thenitdid some analysis. Again, combined with the hydrology geological and mining conditions of Shen Cun coal mine, the paper give the numerical simulation analysis and the local explore analysis on the condition of the theory.Itanalyzed th result and then arrived some knowledge . Atlast, the paper researched the control ofbreakage depth of stope floor . Some conclusions are made clear through the paper. Using the theory analysis and numerical simulation can open out the stress fields, deation and destroying characters, and destroying range and depth of rock mass in coal seam floor under the condition of mining, whichispropitious to select and optimize design projects, reduce the testing time and economize the project outlays, and then improve the economy benefit and society benefit. KeywordsKeywordsKeywordsKeywordscoal floor;breakage depth;stress fields;numerical simulation 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 1 1 1绪论绪论绪论绪论........................................................................................................................................1 1 1 1 1.1 问题的提出及研究意义............................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状........................................................................................................... 2 1.3 论文的主要内容............................................................................................................ 4 1.4 研究方法和技术路线................................................................................................... 4 2 2 2 2矿区概况矿区概况矿区概况矿区概况...........................................................................................................................5 5 5 5 2.1 矿区位置与气候............................................................................................................ 5 2.2 矿井地质及水文地质................................................................................................... 5 2.3 本章小结........................................................................................................................ 9 3 3 3 3 坚硬顶板围岩及底板岩体应力分析坚硬顶板围岩及底板岩体应力分析坚硬顶板围岩及底板岩体应力分析坚硬顶板围岩及底板岩体应力分析........................................................................10101010 3.1 坚硬顶板围岩的力学分析.......................................................................................... 10 3.2 煤层底板岩体应力状态............................................................................................. 13 3.3 煤层底板岩体移动规律............................................................................................. 20 3.4 本章小结...................................................................................................................... 22 4 4 4 4 坚硬顶板条件下底板破坏深度研究坚硬顶板条件下底板破坏深度研究坚硬顶板条件下底板破坏深度研究坚硬顶板条件下底板破坏深度研究........................................................................23232323 4.1 底板破坏深度的理论研究.......................................................................................... 23 4.2 底板破坏深度统计分析.............................................................................................. 28 4.3 损伤底板破坏深度计算.............................................................................................. 32 4.4 本章小结...................................................................................................................... 33 5 5 5 5数值模拟研究和现场探测研究数值模拟研究和现场探测研究数值模拟研究和现场探测研究数值模拟研究和现场探测研究...............................................................................34343434 5.1 模拟软件概述.............................................................................................................. 34 5.2 数值模拟..................................................................................................................... 36 5.3 现场探测研究.............................................................................................................. 43 山东科技大学硕士学位论文目录 5.4 本章小结..................................................................................................................... 46 6 6 6 6底板破坏深度控制方法及技术研究底板破坏深度控制方法及技术研究底板破坏深度控制方法及技术研究底板破坏深度控制方法及技术研究.....................................................................47474747 6.1 底板破坏深度预测及控制方法.................................................................................. 47 6.2 技术研究...................................................................................................................... 48 6.3 本章小结...................................................................................................................... 50 7 7 7 7结论结论结论结论..................................................................................................................................51515151 致致致致谢谢谢谢.....................................................................................................................................53535353 参考文献参考文献参考文献参考文献................................................................................................................................54545454 山东科技大学硕士学位论文目录 C C C Contentsontentsontentsontents 1 1 1 1 IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction1 1 1 1 1.1 The meaning and purpose of study1 1.2 The Present Research Condition of the Domestic and International 2 1.3 Main Contents of the Topic Research4 1.4 Technique Route of Adoption The Research 4 2 2 2 2 CoalCoalCoalCoal minemineminemine conditionsconditionsconditionsconditions5 5 5 5 2.1 The Climate and Positions of Mining 5 2.2 The Hydrogeological Conditions of the Mine5 2.3 Brief Summary of This Chapter 9 3 3 3 3 TheTheTheThe A A A Analyzesnalyzesnalyzesnalyzes StressStressStressStress ofofofofHardnessHardnessHardnessHardness RoofRoofRoofRoofWallWallWallWall RockRockRockRockandandandand SoleplateSoleplateSoleplateSoleplate 1 1 1 10 0 0 0 3.1 The Adjacent ation State of Motion Under the Hard Roof Condition 10 3.2 The Coal bed Bottom Slate Body Stress Condition of Analyzed 13 3.3 The Roal of Coal bed Bottom Slate Body to Move 20 3.4 Brief Summary of This Chapter 22 4 4 4 4 TheTheTheThe TheoryTheoryTheoryTheory ResearchResearchResearchResearch ofofofof HardnessHardnessHardnessHardness RoofRoofRoofRoof WallWallWallWall RockRockRockRock andandandand SoleplateSoleplateSoleplateSoleplate in-depthin-depthin-depthin-depth2 2 2 23 3 3 3 4.1 Theory of Breakage Depth on the Condition of Hardness Roof Wall Rock 23 4.2 The Statistical Analysis of the Field Ledger Wall to Destroy depth28 4.3 The Computation Principle to Concern the Statistical ula32 4.4 Brief Summary of This Chapter 33 5 5 5 5 TheTheTheThe influenceinfluenceinfluenceinfluence factorfactorfactorfactor andandandand forecastsforecastsforecastsforecasts 3 3 3 34 4 4 4 5.1 Software Summarize34 5.2 Numerical and simulation 36 5.3 Research on Condition of Hardness Roof Wall Rock43 5.4 Brief Summary of This Chapter46 6 6 6 6 TheTheTheThe workingworkingworkingworking surfacesurfacesurfacesurface miningminingminingmining practicepracticepracticepractice researchresearchresearchresearch47474747 6.1 Forecast and Control Methhod47 6.2 Research of Engineering 48 山东科技大学硕士学位论文目录 6.2 Brief Summary of This Chapter50 7 7 7 7 ConclusionsConclusionsConclusionsConclusions51515151 A A A Acknowledgementcknowledgementcknowledgementcknowledgement53535353 ReferenceReferenceReferenceReference54545454 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义 煤炭是我国长期以来的主要能源之一。安全高效地开采煤炭是关系到国计民生的大 事。我国许多煤田水文地质条件十分复杂，煤层开采过程中受到多种水体的威胁，煤矿 破坏深度的研究是煤矿生产与科研中的一大难题。据原煤炭工业部初步统计，全国 600 处国有重点煤矿中受水威胁的矿井达 285 对，占矿井总数的 27.5，受水威胁储量达数 百亿吨。我国北方主要产煤的华北型矿区，东起徐州、淄博，西至陕西渭北，北起辽宁 南部，南至淮南、平项山一带几乎都受石炭二迭纪煤系底部的奥灰强含水层影响。我国 南方煤田，煤层下方茅口灰岩厚度达 140170m，煤层底板至灰岩之间的隔水层极薄， 即厚度仅数米甚至无隔水层。例如湖南的涟邵、煤炭坝、韶山、资兴；四川的南桐、中 梁山、松藻、永荣；广西的合山；江西的丰城、八景；浙江的长广等数十个数田。尤其 是地方矿井开采地质条件复杂，有很多均是开采国有重点煤矿的边角残煤，底板水害更 显得十分突出。对于水害的各种信息的处理也只处于散乱和不完善状态，不能快速地查 阅和科学分析、处理各种水害信息。近几年来，随着煤矿生产在开采深度和广度上的不 断增加，矿井水的危害日趋严重，淹井伤人事故仍多有发生，给人民的生命与财产带来 了极大的损失，水的不利因素严重制约着煤炭工业的可持续发展和影响着保水采煤等环 境工程。直至目前，矿井水害对底板的破坏仍是煤矿安全生产的重大隐患。 据原煤炭工业部统计资料显示，我国解放以来 80 年代与 50 年代相比，突水频率增 长了 2.57 倍。50-60年代，一般突水涌水量为 5-20m3/min，个别达 50m3/min。60 年代， 突水涌水量一般上升为 20-40m3/min，个别达 100m3/min；70 年代以后，一般突水量都在 50m3/min 以上，甚至高达 2053m3/min 为世界之最。1956-1986 年 30 年间，共发生淹井 事故 222 起，突水事故 1600 次，使 1318 人丧生，直接经济损失高达 30 亿元。特别严重 的是 1984 年到 1985 年间，全国共发生因底板突水而淹井的事故 22 起，仅开滦、焦作、 肥城等三个矿务局就有 6 对矿井相继被淹， 影响产量达 1475 万吨，直接经济损失 7 亿多 元，间接经济损失高达 40 多亿元。目前全国矿井受水威胁仍很严重。因此，矿井突水对 底板的破坏是煤矿安全生产中急待解决的实际问题。 长期以来，对受奥灰承压水威胁的煤层，主要采用的防水采煤措施，一是深降强排， 二是带压开采。深降强排能根除水患，确保安全，但也存在一些问题1疏水工程投资 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 大，耗电量大，造成开采成本增高；2强排会引起地下水位大幅度下降，对地面和环境 造成极大破坏；3当奥灰水水量丰富，补给来源充足时，强排难以凑效；所以较少采用。 但目前水资源日趋珍贵，若有条件疏供结合，则该方案也可实际应用。而带压开采不仅 成本低，对环境的危害也小，又可实现保水开采，故一般是开采受水威胁煤层的主要方 法。但开采不能确保不发生突水事故，尤其是在水文地质条件复杂，水压较高的矿井， 底板奥灰岩溶承压水是一个严重威胁。因此，查清矿井水文地质条件、研究矿井突水机 理及其预测预报方法，采取有效的手段，确保安全生产成为开采的关键。 近几年计算机技术的迅猛发展，空间地理信息系统的广泛应用，微观、细观及宏观 探测、治理技术与理论方法研究的显著进展，均为矿井底板突水机理及其预测预报的研 究奠定了坚实的工作基础。同时，底板突水灾害机理及其预测预报的研究成果将为其它 非煤矿井水害乃至其它地质灾害发生机理及其预测预报的分析研究提供科学的参考依 据。本课题研究的目的是通过理论研究、实验研究，以及现场实测研究，确定煤矿煤层 开采时，采场底板有可能达到的最大破坏深度。深入研究开采时矿山压力对底板的破坏 深度，对于正确地评价煤层开采时底板突水的可能性及进行底板突水预测预报的研究具 有重要的理论意义和现实意义。 1.21.21.21.2 国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状 世界上许多国家如匈牙利、南斯拉夫、西班牙等，在煤矿开发中都不同程度地受到 底板破坏的影响。在国外，对煤矿底板岩溶水的研究已有 100 多年的历史，在底板岩体 结构的研究、探测技术及防治水措施等方面，积累了丰富的经验。早在 20 世纪初，国外 就有人注意到底板隔水层的作用， 1944 年，匈牙利韦格.弗伦斯第一次提出底板相对隔水 层的概念，建立了水压、隔水层厚度与底板突水的关系，后被许多岩溶水上采煤的国家 引用。50 年代后，国外用现场和实验室相结合的方法研究了隔水层的作用，研究的主要 问题有两个，一是岩体结构阻水能力，二是岩体强度抗破坏能力。有人根据现场观 测，提出运用阻水系数表示隔水层的突水条件、隔水层的水力阻抗程度，并从能量平衡 观点解释底板隔水层的破坏条件。1974 年，匈牙利国家矿业技术鉴定委员会将相对隔水 层厚度概念列入矿业安全规程 ，70 年代后，苏联等国家也开始研究相对隔水层的作 用， 包括采空区引起的应力变化对相对隔水层厚度的影响，以及水流和岩石结构的关系。 在理论研究的同时，世界各国也十分重视水害的防治和岩溶及断裂的探测技术等工作。 随电子工业的发展，国外岩溶探测技术有了很大进步，尤其是 80 年代后，多种类型的探 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 测仪器如雨后春笋，迅速发展，如美国 GI 公司制造的 Petro-sonde 地电探测仪，GD 公司 研制的 Es-1225、Es-2401 型多道信息增强型地震仪，美军生产的地质雷达，德国的 SEAMEX-85 型槽波地震仪，日本 VIC 公司研制的 GR-810 型全自动地下勘探仪，美国 产 EH4 连续电导率剖面仪等等， 这些仪器能较准确地探查采前煤层底板岩溶发育特点及 分布规律，超前探测构