深埋大采高综采工作面矿压显现规律研究.pdf

硕士学位论文 深埋大采高综采工作面矿压显现规律研究深埋大采高综采工作面矿压显现规律研究 THE STUDY ON THE LAW OF STRATA BEHAVIORS OF LARGE MINING HEIGHT FACE IN DEEP WELL 导 师孙广义 教授 作 者曹江朝 黑龙江科技大学 二○一四年六月 万方数据 中图分类号中图分类号 TD323 TD323 学校代码学校代码 10219 10219 UDCUDC 622 622 密密 级级 公开公开 黑龙江科技大学 硕士学位论文 深埋大采高综采工作面矿压显现规律研究深埋大采高综采工作面矿压显现规律研究 THE STUDY ON THE LAW OF STRATA BEHAVIORS OF LARGE MINING HEIGHT FACE IN DEEP WELL 作 者 曹江朝 导 师 孙广义 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 开采方法 答辩委员会主席 范兴玉 评 阅 人 张国华 二○一四年六月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、 使用学位论文的规定， 同意本人所撰写的学位 论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部分 使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文； ②为教学和科研目的， 学校档案室和图书馆可 以将公开的学位论文作为资料在档案室、 图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、 浏览。 另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致，论文的公布（包括刊登）授权黑龙江科技大学研究生学院办理。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生曹江朝在规定的修业年限内， 按照研究生培养方案的要求， 完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我的指导下 独立完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为 我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学 位申请论文送专家评审。 导师签名 年 月 日 万方数据 致谢致谢 师恩情，深似海本文是在导师孙广义教授的悉心指导下完成的，从选题、文献查阅到 论文的结构安排等，导师都给予了悉心的指导，三年来，导师渊博的知识、宽厚的为人、严 谨的治学态度、忘我工作的崇高精神深深地影响着我、激励着我，在此，谨向我辛勤的导师 致以衷心的感谢和崇高的敬意 感谢在论文开题及中期报告中给予指导的矿业工程学院采矿系的老师们， 感谢你们提出 的中肯建议祝采矿系的教授专家身体健康，家庭幸福 感谢我的室友高珂珂、 樊慧强、 谷牧， 感谢你们在三年的硕士学位学习期间的和睦相处， 感谢你们营造的和谐寝室气氛。在此，祝我的室友前程似锦 感谢我的师弟罗霄、郭鹏飞，感谢你们在我论文写作期间给予的支持和帮助，祝你们都 有一个美好的未来 感谢给予我生命、养育我近三十年的尊敬的父亲、母亲，是您给了我生命，是您含辛茹 苦养育了我将近三十年谢谢爸爸，谢谢妈妈，儿子长大了 向论文引用到其学术专著及研究成果的学术前辈及表示感谢。 再次，向我的父母致以深深的谢意 感谢在百忙之中对本论文审阅的专家并诚挚的希望各位专家、教授和老师不吝赐教 作者 曹江朝 2014 年 3 月 10 日星期一于哈尔滨 万方数据 I 摘摘 要要 本文以鸡西矿业集团城山煤矿东一采区 3B煤层右五 145 工作面为工程背景， 通过现场调研及实验室力学参数实验理论分析、 计算机 FLAC3D 及 UDEC 数值模拟 和现场实测等方法， 对深埋大采高工作面矿压规律做了深入的研究。 通过 FLAC3D 模拟研究了不同采高、不同埋深下上覆岩层超前支承压力的峰值、影响范围和顶 板来压步距； 通过 UDEC 模拟研究了顶板的垮落形态、 煤壁片帮情况和垮落范围； 通过现场实测，得到工作面支架工作阻力、上下顺槽围岩移近量和移近速率、巷 道单体支柱的工作阻力。主要研究内容如下 （1）通过对现场采取的岩样进行力学性能测试，得出了围岩和煤体的各种 物理力学参数，如单轴抗压强度、抗拉强度等，并得出围岩和煤体的弹性模量、 剪切模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角等，为后续计算机数值模拟中岩石参数的 选取提供了依据。 （2）FLAC3D 数值模拟表明，当煤层埋深为 900m、采高为 4m 时，工作面超 前支承压力峰值增大系数约为 1.5，其影响范围为 22～24m，直接顶初次垮落步 距约为 25m，老顶初次垮落步距约为 35m，老顶周期来压步距约为 15m。 （3）随着采高的增大，工作面矿压显现剧烈程度明显增强，如当采高为 6m 时，工作面超前支承压力峰值增大系数约为 1.71，影响范围增大至 30m 左右， 直接顶、老顶初次来压步距较小，前者约为 20m，后者约为 30m，周期来压步距 也随之减小。随着埋深的增大，工作面矿压显现剧烈程度增加不明显，支承压力 峰值系数没有明显增大，但是应力绝对值由于地应力的增加而增大了，当超过巷 道围岩强度时就会引起巷道破坏，这是深井巷道难以支护的根本原因。 （4）UDEC 数值模拟研究表明，当埋深为 900m、采高为 4m 时，岩层垮落高 度约为 13m。通过与不同采高、不同埋深的模拟结果对比表明，上覆岩层垮落高 度和导水裂缝带高度主要取决于采高，与埋深关系不大。UDEC 数值模拟研究还 表明，随着采高的增大，煤壁的稳定性将降低，煤壁片帮现象加剧；且随着埋深 的增大，表现为水平地应力的增加，并往往会大于垂直地应力，这进一步加剧了 煤壁的不稳定性，普通液压支架较难适应，需要选用护帮板强度较高的支架。 （5）通过现场实测表明，顶板周期来压步距平均为 13～15m，动载系数平 均为 1.53，支承压力影响范围约为 23～25m，与数值模拟结果基本吻合。 通过本文的研究得出随着采高的增加， 煤壁前方支承压力峰值系数增长较快， 支承压力峰值点位置远离煤壁，影响范围增加；煤壁前方支承压力分布及覆岩的 运移规律和采深的关系不大，但随着采深的增加，水平应力随之增加，煤壁的水 平位移增大，塑性破坏区宽度增加，增大了煤壁及端面顶板的破坏范围。 万方数据 II 该论文有图60幅，表13个，参考文献44篇。 关键词关键词深井大采高；支承压力显现规律；顶板来压步距；上覆岩层运移规律； 煤壁片帮 万方数据 III AbstractAbstract This paper taked the 145 working face of JiXi Mining Group ChengShan Coal Mine as the project background.The law of strata behaviors of large mining height face in deep well was studied by means of theories analysis, FLAC3D and UDEC numerical simulation, and field measurement. The peak and influence of lead abutment pressure and roof weighting step was studied by means of FLAC3D when the height and depth were different. The roof collapsing shape and scope and coal wall caving were studied by means of UDEC. The working resistance of support in working face , the mining gateway surrounding rock deflection and its rate, the working resistance of support in mining gateway were studied by means of field measurement.The results show that 1The physical and mechanical parameters of surrounding rock and coal , such as uniaxial compressive strength, tensile strength were obtained by means of field measurement. And the elastic modulus, shear modulus, poisson ratio, cohesion and angle of internal friction were calculated. That analysis provided the basis for the numerical simulation. 2）From the FLAC3D, we know that when the depth is 900m and the face height is 4m, the amplified coefficient of lead abutment pressure is 1.5, and the influence distance is 22～24m, immediate roof caving step distance is about 25m, and upper roof first caving step distance is about 35m, and upper roof period caving step distance is about 50m. 3The strata behaviors is acuter with the working face largen, such as when the heigth is 6m, the amplified coefficient of lead abutment pressure is about 1.7, and the influence scope is about 30m, immediate roof caving step distance and upper roof first caving step distance is smaller, the er is about 20m, and the latter is about 30m, and the upper roof period caving step distance is decreasing. With the depth is deeper, there is not acuter in strata behaviors,and the amplified coefficient of lead abutment pressure is not bigger, but the crustal stress is bigger, and it will destroy when the crustal stress is bigger than the strength of rock, that is why the mining gateway is diffluct to support. 4From the UDEC shows that ,the caving of rock is about 13m,and the water conducted zone is about 7m. From the result of numerical simulation in different height face and depth shows that the caving depth and water conducted zone are 万方数据 IV depend on working face heighth, but not the coal depth.UDEC numerical simulation also shows that when the face’s heigth is largen, the stability of the coal wall will be lower, that will aggravate the coal wall caving. And when the depth is deeper, the horizontal crustal stress will be increasing, even be bigger than the vertical geostress. That will aggravate the stability of the coal wall.The common support will not adapt it. keywords large mining height face in deep well; law of strata behaviors; main roof weighting distance; overburden migration rule; coal wall caving 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................................................................................................................................................. . I I 目目 录录 ................................................................................................................................................................................................................................................................ V V 1 1 绪论绪论 ............................................................................................................................................................................................................................................................ 1 1 1.1 论文研究的背景及意义......................................................................................... 1 1.2 国外大采高开采技术研究现状............................................................................. 2 1.2.1 国外大采高开采技术研究现状 ............................................................................................ 2 1.2.2 国内大采高开采技术研究现状 ............................................................................................ 2 1.3 大采高采场上覆岩层移动规律研究现状............................................................. 3 1.4 深埋大采高工作面矿压显现规律研究现状......................................................... 4 1.5 论文主要研究内容及方法..................................................................................... 5 1.5.1 研究内容 ................................................................................................................................ 5 1.5.2 研究技术路线及方法 ........................................................................................................... 5 2 2 井田地质概况分析及评价井田地质概况分析及评价 .................................................................................................................................................................................... 7 7 2.1 交通位置和地理关系............................................................................................. 7 2.2 生产能力................................................................................................................. 7 2.3 煤层特征................................................................................................................. 7 2.4 145 工作面概况及回采工艺................................................................................. 8 2.5 水文地质特征......................................................................................................... 9 2.6 煤岩体强度测试................................................................................................... 10 2.6.1 岩石样品的选取 .................................................................................................................. 10 2.6.2 岩石力学性质的测定 .......................................................................................................... 10 2.6.3 数据处理 .............................................................................................................................. 10 2.7 本章小结............................................................................................................... 13 3 3 工作面支承压力分布及矿压显现规律工作面支承压力分布及矿压显现规律 .................................................................................................................................. .. 1515 3.1 超前支承压力分布............................................................................................... 15 3.1.1 支承压力的形成及发展 ...................................................................................................... 15 3.1.2 支承压力的理论计算 .......................................................................................................... 16 3.2 不同采高工作面矿压显现规律数值模拟........................................................... 17 3.2.1 模型建立 .............................................................................................................................. 17 3.2.2 不同采高铅直应力模拟与分析 .......................................................................................... 18 3.2.3 不同采高铅直位移场模拟结果与分析 .............................................................................. 22 万方数据 VI 3.3 不同埋深工作面矿压显现规律数值模拟........................................................... 26 3.3.1 模型建立 .............................................................................................................................. 26 3.3.2 不同埋深铅直应力场模拟结果分析 .................................................................................. 26 3.3.3 不同侧压系数下铅直位移场模拟与分析 .......................................................................... 30 3.4 本章小结............................................................................................................... 32 4 4 覆岩移动规律及支架工作阻力确定覆岩移动规律及支架工作阻力确定 ............................................................................................................................................ 3434 4.1 影响覆岩破坏规律的因素................................................................................... 34 4.1.1 覆岩力学性质和结构特征 .................................................................................................. 34 4.1.2 采煤方法和顶板管理方法 .................................................................................................. 35 4.1.3 煤层倾角 .............................................................................................................................. 36 4.1.4 开采强度 .............................................................................................................................. 37 4.1.5 时间因素 .............................................................................................................................. 38 4.1.6 重复采动 .............................................................................................................................. 38 4.2 覆岩移动规律数值模拟分析............................................................................... 39 4.2.1 145 工作面覆岩运移规律 .................................................................................................. 40 4.2.2 不同采高工作面覆岩运移规律 .......................................................................................... 44 4.2.3 不同埋深下覆岩运移规律 .................................................................................................. 46 4.3 支架工作阻力确定............................................................................................... 49 4.3.1 经验估算法 .......................................................................................................................... 49 4.3.2 顶板分类计算 ...................................................................................................................... 50 4.3.3“砌体梁”理论计算 ........................................................................................................... 50 4.3.4 静力学法 .............................................................................................................................. 51 4.3.5 综合分析 .............................................................................................................................. 51 4.4 本章小结............................................................................................................... 52 5.5.工作面矿压规律现场实测工作面矿压规律现场实测 .............................................................................................................................................................................. 5353 5.1 矿压观测的目的及内容....................................................................................... 53 5.2 矿压观测仪器及方案........................................................................................... 53 5.2.1 回采工作面的矿压观测 ...................................................................................................... 53 5.2.2 回采巷道顶底板移近量和单体支柱载荷观测 .................................................................. 54 5.3 工作面支架载荷观测结果分析........................................................................... 55 5.3.1 矿压监测指标与来压判据 .................................................................................................. 55 5.3.2 基本顶来压特征分析 .......................................................................................................... 57 5.4 超前支承压力分析............................................................................................... 60 万方数据 VII 5.5 巷道表面变形观测............................................................................................... 61 5.6 本章小结............................................................................................................... 63 6 6 结论及展望结论及展望 ....................................................