旧采区围岩破坏及应力分布规律数值模拟研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指 导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 塑蕴 日期 2 三坚 fl 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定， 其中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件 与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其他复制手段复制并保 存学位论文；③学校可以允许学位论文被查阅或借阅；④学校可 以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布 学位论文的全部或部分内容 保密学位论文在解密后遵照此规 定 。 签 名叠丝日期 导师签名丝塾 。 日期 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 旧采区围岩破坏及应力分布规律数值模拟研究 摘要 本论文以晋煤集团天安圣华煤业有限公司3 煤层旧采区二次回采首采 工作面的实际地质资料为基础，通过理论公式计算、R F P A 数值模拟相结合 的方式，研究了旧采区不同情况下遗留煤柱状态，及旧采巷道状态，并 对两者的影响因素进行了分析；旧采区二次回采掘进时与旧采巷道的安全 煤柱宽度以及应力、位移分布规律；旧采区二次回采采煤工作面初次来压 分布规律。通过对上述内容的研究，得出了以下结论 1 利用理论分析和三维数值模拟方法研究了煤柱状态，得出了① 旧采区的遗留煤柱大部分处于稳定状态；旧采巷道大部分以空巷、空区为 主。②巷宽、巷高、煤柱1 、2 宽度对遗留煤柱及旧采巷道的状态均有一定 的影响，遗留煤柱状态主要受煤柱本身宽度的影响，接下来是附近巷道巷 高、巷宽的影响；旧采巷道状态主要受本巷巷高及巷宽的影响。 2 通过二维数值模拟的方法，研究了旧采区巷道掘进工作面的应力、 位移分布变化规律。得出了①随着旧采巷道断面的增大，安全煤柱宽度 增大，空巷时煤柱的安全宽度为5m ，空区时煤柱的安全宽度为1 5 m ，冒落 区时的煤柱安全距离为2 0 m ；②二次掘进时，工作面应力基本上都比开挖 前要降低、位移比开挖前要大，旧采巷道断面越大，应力、位移变化率越 大。③在煤柱宽度小于与大于安全煤柱宽度时，应力、位移分布规律差别 十分明显。小于安全煤柱宽度时，应力降低区域很大，位移只存在一个较 大的峰值；大于安全煤柱宽度时，应力降低区域较小，一般存在两个位移 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 峰值。④当煤柱宽度超过安全煤柱宽度后，应力、位移变化率变化不大 3 通过理论分析与二维数值模拟方法研究了直接顶和顶煤初次来压 分布规律，得出了①按照理论计算得出的正常回采初次来压步距为8 ．1 3 ～ 1 1 ．5 0m ，采用数值模拟方法得出的初次来压步距为1 l m 。②从应力分布图 中可以看出，来压时的应力分布规律与未来压时的规律明显不同，来压时 最大应力值明显比未来压时的最大值大，且最小值明显比未来压时最小值 小。③随着旧采巷道断面的增加，二次回采受到旧采巷道的影响也越大， 主要表现在，初次来压步距越来越小；最大应力越来越大，应力集中系数 也越来越大；工作面首次出现破裂的步距也越来越小；工作面前方的空顶 距离越来越大，回采难度也相应的增大；应力降低范围也越来也大。④当 旧采巷道断面一定时，随着距离的增大，旧采巷道对工作面的影响趋于稳 定，即旧采巷道对工作面的影响存在一临界值，超过该值，继续增大距离， 二次回采初次来压分布规律基本不变。 关键词旧采区二次回采，三维数值模拟，遗留煤柱状态，旧采巷道状态，安 全煤柱宽度，初次来压步距 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 T H E0 L D 心I N GA R E AA N DS U R R O U N D I N GR O C K S T R e S SD I S T R I B U T I O NM 瓜伍I U C A L S I M 眦L A T I O NST U D Y A B S T R A C T I nt h i sp a p e r , t h eS h a n X ic o a lg r o u p ，C h i n ac o a li n d u s t r yl i m i t e dc o m p a n y o fc o a lm i n i n ga r e ao ft w o3 眷o l dm i n i n gf a c ef o rt h ef i r s tt i m et h ea c t u a l g e o l o g i c a ld a t aa st h ef o u n d a t i o n ，t h r o u g ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o no fR F P Ac o m b i n a t i o n ，o nt h eo l dm i n i n ga r e a l e f tc o a lp i l l a r s ，t h e o l dm i n i n gr o a d w a y ，a n dt h es i z eo ft h ei n f l u e n c ef a c t o ro fo l d ；m i n i n gt w o m i n i n ge x c a v a t i o na n do l dm i n i n gr o a d w a ys a f e t y c o a lp i l l a rw i d t ha n dt h e s t r e s s ，d i s p l a c e m e md i s t r i b u t i o no ft h eo l dm i n i n ga r e a ；t h ef i r s tt w om i n i n g c o a lw o r k i n gs u r f a c ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ．B a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，t h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n s 1 T h eu s eo ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o no fc o a lp i l l a ra n d3 D n u m e r i c a lo b t a i n e d ①t h eo l dm i n i n ga r e ao ft h el e f tc o a lp i l l a r si nt h em o s t s t a b l es t a t e ；t h eo l dm i n i n gr o a d w a yg o b ，g o ba r e a ．M o s to ft h e ．②l a n ew i d t h ， L a n e1 ，2h i 曲，c o a lp i l l a rw i d t ho nt h el e f tc o a lp i l l a r sa n dm i n i n gr o a d w a yo f t h eo l ds t a t eh a v eac e r t a i ni m p a c t ，i n f l u e n c eb yc o a lp i l l a rw i d t ho fc o a lp i l l a ri s m a i n l ya f f e c t e db yt h es t a t e ，t h en e x ti sh i g hn e a r t h et u n n e l ，l a n ew i d t h ；t h eo l d m i n i n gr o a d w a yi sm a i n l ya f f e c t e db yt h eh i g hr o a d w a ya n d t h ei n f l u e n c eo ft h e l a n ew i d t h ． 1 l I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 T h r o u g h t h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s t u d i e dt h eo l dm i n i n g a r e ao ft w oc o a lh e a d i n gf a c es t r e s s ，d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o n ．C o n c l u d e dt h a t L w i t ht h ei n c r e a s eo fo l dm i n i n gr o a d w a y , r o a d w a ys a f e t yc o a lp i l l a rw i d t h i n c r e a s e s ，t h es a f e t yo fc o a lp i l l a rw i d t hi s5m ，t h ew i d t ho fc o a lp i l l a rs a f ea i r z o n ei s15 m ，t a k et h ec o a lp i l l a rs a f ed i s t a n c ef a l l sa r e ai s2 0 m ；②t h et w o t u n n e l i n gw o r k i n gf a c e ，s t r e s sb a s i c a l l yt h a nb e f o r ee x c a v a t i o n ，e x c a v a t i o n d i s p l a c e m e n tt ol o w e rt h a nb e f o r e ，t h eo l dm i n i n gr o a d w a y , s t r e s s ，d i s p l a c e m e n t ， t h eg r e a t e rt h er a t eo fc h a n g e ．⑧i nt h ec o a lp i l l a rw i d t hi sl e s st h a na n d g r e a t e r t h a nt h es a f e t yc o a lp i l l a rw i d t h ，s t r e s s ，d i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o nd i f f e r e n c ei s v e r yo b v i o u s ．I sl e s st h a nt h es a f ec o a lp i l l a rw i d t h ，s t r e s sd e c r e a s i n ga r e ai s l a r g e ，t h e r ei so n l yo n el a r g ed i s p l a c e m e n ti sg r e a t e rt h a nt h ep e a k ；s a f e t yc o a l p i l l a rw i d t h ，s t r e s sd e c r e a s i n ga r e as m a l l e r ，g e n e r a l l yt h e r ea r et w op e a k d i s p l a c e m e n t ．④w h e nt h ec o a lp i l l a rw i d t he x c e e d st h es a f ec o a lp i l l a rw i d t h 。 t h es t r e s s ，d i s p l a c e m e n tv a r i a t i o nr a t ec h a n g e dl i t t l e ． 3 T h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt o s t u d y t h ei n i t i a l p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，o b t a i n e dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ss h o wt h a tt h en o r m a lm i n i n gf i r s t w e i g h r i n gs t e pd i s t a n c ei s8 ．1 3 - 1 1 ．5 0m ．t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ft h ef i r s t w e i g h t i n gs t e pd i s t a n c ei s1l m ．②f r o mt h es t r e s sd i s t r i b u t i o nC a nb es e e ni nt h e f i g u r e ，t op r e s s u r et h es t r e s sd i s t r i b u t i o nl a wa n dt h ef u t u r ep r e s s u r eo fd i f f e r e n t p r e s s u r e ，t h em a x i m u ms t r e s sv a l u ei sh i g h e rt h a nt h em a x i m u mp r e s s u r ev a l u e i nt h ef u t u r e ，a n dt h em i n i m u mv a l u ei sm o r eo b v i o u st h a nt h ef u t u r ep r e s s u r e I V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 w h e nt h em i n i m u mv a l u ei ss m a l l ．③w i t ht h ei n c r e a s eo fo l dm i n i n gr o a d w a y s e c t i o n ，t w om i n i n gi n f l u e n c e db yo l dm i n i n gr o a d w a yi sl a r g e ，m a i n l yi n ，t h e f i r s tw e i g h t i n gs t e pd i s t a n c ei ss m a l l e r ；t h em a x i m u ms t r e s si sm o r ea n dm o r e b i g ，t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ri sa l s om o r ea n dm o r eb i g ；w o r k i n gf a c ef o r t h ef i r s tt i m eb r e a k i n gs t e pd i s t a n c ei sm o r ea n dm o r es m a l l ；i nf r o n to ft h e w o r k i n gf a c er o o fd i s t a n c ei sm o r ea n dm o r eb i g ，a l s oac o r r e s p o n d i n gi n c r e a s e i nd i f f i c u l t y ；s t r e s sd e c r e a s i n gr a n g ei sa l s om o r ea n dm o r e ． w h e nt h eo l d m i n i n gr o a d w a yi sc o n s t a n t ，w i t ht h e i n c r e a s eo fd i s t a n c e ，t h eo l dm i n i n g i n f l u e n c eo nw o r k i n gf a c er o a d w a yt e n d st ob es t a b l e ，t h eo l dm i n i n gi n f l u e n c e o nw o r k i n gf a c er o a d w a yh a sac r i t i c a lv a l u e ，t h ev a l u eo fm o r et h a nt w o ， c o n t i n u et oi n c r e a s et h ed i s t a n c e ，i nt h ei n i t i a lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nb a s i c a l l y u n c h a n g e d ． K e yw o r d s T w oo l dm i n i n ga r e am i n i n g N u m e r i c a ls i m u l a t i o n T h es t a t e r e m a i n i n gc o a lp i l l a r T h eo l ds t a t eo fm i n i n gr o a d w a ys a f e t yc o a lp i l l a rw i d t h T h ef i r s tw e i g h t i n gs t e pd i s t a n c e V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 旧采区围岩破坏及应力分布规律数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 研究的主要内容及方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 研究路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 第二章二次回采工作面状况及煤柱逐步破坏理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．1 二次回采工作面地质概括⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．1 ．2 旧采区岩石力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 旧采区煤层及巷道赋存状况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 ．1 旧采区采煤方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．2 旧采区煤层现状分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．2 ．3 旧采区巷道现状分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 煤柱逐步破坏理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．1 煤柱承受载荷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．2 煤柱极限强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．3 煤柱稳定性安全系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．4 煤柱塑性区宽度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 第三章旧采区围岩赋存状态数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 方案及模型的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 。1 模型设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．1 ．2 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 煤柱状态模拟研究结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 ．1 煤柱稳定性模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．2 _ 2 遗留煤柱状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 围岩赋存影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3 ．1 应力、位移影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 ．2 冒落高度影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．3 应力、位移与冒落高度、煤柱稳定的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．4 旧采巷道状态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 第四章 旧采区二次掘进巷道围岩状态数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 l 4 ．1 模型方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．2 模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．2 ．1 工作面状态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 ．2 应力、位移分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 第五章旧采区二次回采工作面顶煤初次来压规律数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．1 实验模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．2 初次来压理论计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 ．3 正常回采初次来压数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 5 ．3 ．1 正常回采初次来压时破坏过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 5 ．3 ．2 正常回采初次来压时应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．4 二次回采顶煤初次来压规律数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 5 ．4 ．1 二次回采初次来压时破坏过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．4 - 2 二次回采初次来压时应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 9 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 4 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 6 ．1 结j 硷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 7 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 3 攻读学位期间发表的学术论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 5 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 研究背景 第一章绪论 我国是煤炭生产和消费大国，在一次能源消费结构比例中，煤炭占7 5 ％左右1 1 】，煤 炭是我国基础性产业，安全、合理高效的开采煤炭资源对于建设资源节约型社会，以及 促进国民经济可持续发展具有十分重要的意义1 2 - 3 ] ，随着现代化大型综采设各的推广、使 用，我国建成一批高产高效的集约化生产矿井及大型煤炭基地，为我国煤炭产业稳步发 展奠定了基础，为社会发展提供了强大的能源动力。但是煤炭为不可再生资源，随着多 年来煤炭资源的不断开采，我国煤炭资源逐渐减少，据估计目前我国煤炭可供开采年限 不到1 0 0 年【引，这严重威胁着我国的能源安全，影响着我国经济的发展。 必须指出的是，我国煤炭企业普遍存在“采易弃难”现象，突出表现在只采大面积 赋存的实体煤，不采大量的采用落后的房柱式、巷柱式等旧式的开采方法破坏的残留煤 炭资源。据调查，我国煤炭资源回收率平均只有4 0 ％左右，小煤矿的资源回收率更低， 平均不到1 5 ％，而国际上其他产煤国家的回收率一般都在6 0 ％以上、某些发达国家甚至 可达到8 0 ％，可见我国的煤炭资源浪费十分严重【5 】。自中华人民共和国成立以来，我国 已累计产煤约4 6 0 亿吨，但是据估计煤炭资源的损耗量超过1 3 0 0 亿吨，最大可能达到 2 2 0 0 亿吨，即使按1 3 0 0 亿吨计，也至少破坏了8 4 0 亿吨煤炭资源。这其中，大部分是 由于以前落后的采煤方法 刀柱式、巷旁式、残柱式 造成的，经测算，仅山西由于落 后的采煤方法导致的资源损失量就达2 6 3 亿吨。 以晋城市为例，在“有水快流”期间，小型煤矿破坏的3 号煤资源面积约l O O O k m 2 。 3 号煤层平均厚度6 m 左右，采用落后采煤方法的开采高度不足2 ．5 m ，保守计算晋城市 3 号煤破坏的残留煤炭资源储量约7 0 亿吨。晋城市的3 号煤为特低硫～低硫、低灰～ 中灰、特高热值优质无烟煤，是享誉世界的“兰花炭”，属稀缺煤种，吨煤售价可达 8 0 01 0 0 0 元，由于3 号煤被旧采破坏，很多企业不得不开采下组煤层，除企业经济效 益差外，还对上部3 号煤残留资源造成更进一步的破坏，导致大量的优质3 号旧采残煤 永远无法开采。 随着采煤技术的发展，尤其是综采技术及设备的发展、巷道维护技术及材料的发 展，再加上社会经济发展的现实需要，对由于过去落后的采煤方法而损失的煤炭资源进 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 行二次回采这一研究课题，已经摆在了煤矿科研、生产工作者的面前。对旧采区损失资 源进行二次回采可以取得巨大的社会经济效益，其中包括 1 节省了不可再生的煤 炭资源，导致可利用的煤炭资源量增加 2 大大延长了矿井的服务年限，提高了煤 炭企业的投资效益； 3 矿井均衡服务期增加，煤炭产量稳定，能够满足国民经济对 煤炭产量的稳定需求； 4 在满足国民经济发展对煤炭产量需求的前提下，资源占用 量小，环境破坏范围小，环境保护效率高； 5 残留的煤炭资源采空区积水积气严重， 二次回采可以及时解决矿井重大的安全隐患。显而易见，对旧采区煤炭资源进行二次回 采，能够实现煤炭工业的可持续发展，符合我国近期的能源发展战略[ 6 - 7 ] 。 对旧采区煤炭资源进行二次回采涉及到很多的科学技术难题，需要我们对多方面的 采矿问题进行科学研究，这其中就包括对旧采区围岩应力及破坏规律的研究。旧采区由 于第一次采煤的影响，围岩的应力已经进行过了一次重新分布，存在着应力集中及减弱 区，有些巷道及煤柱保持原状、有些则发生破坏及失稳；二次掘进、回采时，这些空巷 及垮落区可能再次冒落和破坏，这些都是我们在进行二次回采时常见的围岩现状及可预 见的情况，这对二次回采的技术可行性及安全性造成了严重影响。旧采区围岩应力的分 布情况及破坏规律是进行二次回采的基础资料及依据，只有在充分了解了旧采区的围岩 应力分布的规律及与原岩应力分布规律的区别；了解了旧采区进行二次掘进时围岩破坏 及应力再次分布规律；了解了旧采区进行二次回采时，回采工作面的初次来压规律及与 正常回采的区别的基础上，才能开始对旧采区进行二次回采的技术可行性进行评价，以 保证对旧采区进行二次回采的安全。因此本论文运用R F P A 数值模拟软件从研究旧采巷 道围岩赋存状态出发，并进一步研究了旧采区二次掘进巷道围岩状态，及旧采区二次回 采初次来压规律，研究的结果可以为旧采区二次回采提供理论依据与现场实际指导，具 有重要的理论及现实意义。 1 ．2 研究现状 近年来，复采工作越来越受到煤矿工作者的重视。其原因表现在以下两个方面 1 随着开采年限的增加，我国许多矿井的资源已经接近枯竭，如何提高矿井的服务年限， 已经摆在了煤矿工作者的面前，提高矿井服务年限，只能从提高矿井采出率上面下功夫， 由于矿井已经接近服务期限尾期，一些保护煤柱已经没有了保留的必要，例如井筒保护 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 煤柱、采区保护煤柱、废弃村庄下的保护煤柱；通过新的采煤技术，例如充填法采煤技 术，提高“三下保护煤柱”的回收率； 2 由于过去采煤方法较为落后，采出率极低， 一些采空区的煤还有继续进行回采的可能性；部分煤层由于地质构造较为复杂，在当时 不具备开采技术条件，随着采煤技术的发展，现在可以对这部分煤进行安全回采。对上 述部分煤进行回采，可以大大提高矿井的采出率，提高矿井的服务年限。目前，国内外 学者以及煤矿企业已经对这些内容做了一些不同程度研究和实践。 我国煤矿科研技术人员已经对复采工作做了一些技术研究工作，主要有李宏星、 康立勋探讨了自家庄矿残采区上行开采技术【8 ] ；王明立、张华兴、张刚艳[ 9 】等，评价了 层间岩体在采动压力作用下的稳定性，并确定了工作面的开采参数孙维乾【加] 探讨了 旧采区二次回采顶板管理，阐述了再生顶板位移冒落机理以及顶板管理的主要技术措 施；翟新献、邵强、王克杰、李化敏等[ 1 1 ] 总结了旧采区小煤矿井田开拓、采煤方法，重 点研究了房柱式采煤法采准巷道布置和采煤工艺；轩大洋，沈春明，栗兴华【1 2 】分类了 可供复采的煤资源种类，简要分析了煤层复采的各种适用方法；王学滨、潘一山、盛谦、 张芳等【1 3 】采用F L A C 3 D 模拟了大变形模式下，顶煤厚度对复采工作面顶、底板位移， 最大、最小主应力的影响及其变化规律；黄河、任杭玉等【1 4 】研究了衰老矿井，在市场 经济条件下应客观地估计矿井剩余储量，并严格区别经济可采储量与非经济可采储量， 以便科学地计算矿井剩余可采储量；张仙保等【1 5 】根据莒山煤矿在刀柱式老采区残留煤 体采用综采工艺进行回收资源的具体条件，对长壁复采工作面F 3 1 0 1 矿压显现规律进 行全面观测和分析研究，初步掌握了复采工作面矿压显现规律，并研究了合理进行综采 工作面的布置和采取技术措施预防冲击矿压，安全顺利实现长壁综采工作面回收残留煤 炭资源的方法王挺等【1 6 ] 根据衰老矿井的生产实际，确定了煤炭资源开发的多目标体 系、了多目标规划模型，给衰老矿井资源开发目标权重的计算方法、模型求解过程及优 化策略分析，为衰老矿并资源开发提供了定量的决策依据；侯文高、刘灿华等1 1 7 ] 对资 源枯竭矿井的生产技术特征进行分析，提出了利用衰老矿井废旧巷道进行复采及其经济 效益分析，矿井实现持续稳产的有效途径等；安兆忠[ 1 8 ] 分析了采空区残存大量煤炭资 源的类型，开展复采工作的优势、条件和效益；翟新献教授、钱鸣高院士[ 1 9 】等将长条 形的残留区段煤柱的受力简化为平面应力问题进行了分析研究；宋保胜、王长伟、李勇 等[ 2 0 】对莒山煤矿3 ≠} 煤刀柱式老采空区下遗留煤体复采可行性进行了分析；冯国瑞教授 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 等人【z 1 】在残采区上行开采基础理论及应用研究一文中也指出煤柱宽度越大，煤柱 的强度值也越高；张百胜[ 2 2 ] 在其博士论文中提到了刀柱法开采后残留煤柱载荷集度的 计算公式；李凤仪、王维维等人【3 ] 提出了薄煤层下分层复采工作面项板控制技术，解 决了薄煤层下分层复采的开采工艺以及围岩控制技术上的短缺问题；金声尧、华心祝等 人【2 4 】在巷采采空区综合机械化复采技术实践一文中介绍了综采工作面过老巷安全 掘进技术以及综采工作面过老巷安全回采工艺，指导了综采工作面复采工作顺利进行； 刘大鹏、唐海波等人[ 2 5 】在房柱式开采残煤复采顶底板应力分布规律的数值模拟研究 一文中以山西晋城市西河煤矿残煤资源长壁法复采工程为背景，建立了房柱式残煤长壁 复采的三维有限元模型，采用有限元模拟了残煤复采过程并计算出了顶底板应力；王文 学、隋旺华、董青红[ 2 6 j 在应力恢复对采动裂隙岩体渗透性演化的影响一文中研究 了采动岩体应力恢复对断裂带渗透性的影响并将其应用于分层开采和残煤复采导水断 裂带的计算，计算了应力恢复作用下，裂隙岩体内裂隙开度及渗透性演化规律；王向楠、 崔子强、王玉峰等人【2 7 ] 在三软煤层复采工作面矿压显现特征分析一文中研究了三 软煤层复采工作面矿压显现的特征，并初步掌握了复采工作面矿压显现特征及其影响因 素；赵通、弓培林等人[ 2 8 】在残煤复采区域破碎软岩巷道变形机理及控制一文中探 讨了残煤复采区域松软破碎巷道合理的控制方法，以山西梅园许村煤业2 。煤层集中轨 道巷为研究对象，采用现场调查、数值模拟和理论分析方法，提出了“散体一块体”结 构模型，探讨了残煤复采条件下巷道变形机理、围岩控制原则及支护参数；刘畅、弓培 林等人[ 2 9 】在复采工作面过空巷顶板稳定性一文中针对复采工作面过平行空巷支架 支护阻力计算的问题，建立了过空巷采场基本顶破断的力学模型，提出了影响复采采场 基本顶超前断裂的3 个主要因素为复采工作面与空巷间煤柱宽度、复采工作面与周期 断裂线距离、空巷宽度王彪、苗文山【3 0 】在旧区复采综合技术研究一文中对土城 子井复采区域的现存状况进行了研究；宋篆文【3 1 ] 在复采残采煤层开采技术研究一 文中指出了复采工作面回采时存在的几个问题，并针对这些问题提出了解决的思路及办 法；张文阳、焦雪峰等人【3 2 】在残煤复采工作面支架初撑力与工作阻力确定一文中 建立了残煤复采工作面力学模型，并分析支架一围岩关系，并通过给出的计算公式，计 算出了采空区与煤柱2 种不同状态顶板下方复采工作面支架初撑力与工作阻力；唐海 波、刘大鹏、王少卿[ 3 3 ] 在房柱式残煤复采顶板应力分析及顶板来压观测一文中得 6 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 出了房柱式采煤法残留煤柱回采时的顶板变形、破坏特征和顶板应力分布规律，并通过 试验观测与数据分析演化，研究了残煤复采过程中顶板的应力变化对顶板初次来压与周 期来压以及顶板垮落的影响。 我国一些煤矿企业根据自身实际条件，已经开展了残煤复采的一些实际生产工作， 主要有 1 山东海力实业集团有限公司石屯煤矿【3 4 】对于正规块段残煤的复采采用走向长