大断层下盘采动对上盘煤层安全开采影响研究.pdf

论文题目 大断层下盘采动对上盘煤层安全开采 影响研究 作者姓名割江边 专业名称芷些王程 指导教师睦绍盔 融隙撕壶直里 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间 研究方向 职称 职称 2 Q 曼垒生量月 垄Q 曼垒刍E 月 一一～一 万方数据 S T U D Yo NT H EE F F E C T o FL A R G EF A U I 』rF O O T W A L L M I N I N Go N T H EH A N G I N GW A L LS A F E T YM I N I N G AD i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E RO FE N G I N E E I U N G f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y L i uJ i a n g b o S u p e r v i s o r A s s o c i a t eP r o f e s s o rC h e nS h a o j i e C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g M a y 2 0 1 4 万方数据 声明 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 A F F I R M 队T I o N 列0 y 远 一， 期≯咿．占／9 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i l o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y , i sw h o l l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘要 以运河煤矿7 3 0 1 工作面区域构造复杂煤层开采为工程背景，利用理论分析、室内试 验、F L A C 。3 D 数值模拟和相似材料模拟等方法，对大断层下盘工作面采动及断层上盘区 域煤层的安全开采进行了分析研究。 1 分析了煤层采动覆岩变形破坏、应力分布变化特征以及各因素对采动覆岩变形 破坏的影响性。对研究区域内煤层及顶底板岩石进行力学性质测试3 煤抗压强度为 5 ．4 5 ～1 8 ．0 9 M P a ，岩性软弱；顶板岩石弹性模量为1 9 6 5 ．2 0 - 4 0 2 2 ．1 lM P a ，抗压强度为 2 7 ．9 3 ～3 2 ．6 4 M P a ，属于中硬岩性；底板岩石弹性模量为4 3 9 5 ．7 2 ～1 8 7 0 2 ．5 3M P a ，抗压强 度为3 1 ．8 5 ～8 6 ．5 3 M P a ，属于坚硬岩性。 2 研究了下盘煤层采动对F 1 0 大断层及上盘区域煤岩的影响。下盘工作面煤层 采动后，上覆岩层发生垮落、裂缝、弯曲下沉发育，形成近似拱形导水裂缝带，导水裂 缝带发育高度为9 0 m 左右 理论计算、数值模拟、相似材料模拟结果分别为8 6 ．5 m 、9 5 m 、 9 0 m ；采空区上覆岩层压力分布发生变化，向工作面两侧转移，在断层F 1 0 附近出现应 力集中现象；断层上盘区域出现下沉变形，且向断层F 1 0 侧发生轻微的倾斜，导致区域 内应力分布发生变化，靠近F 1 0 断层侧应力降低而靠近D F l 4 断层侧应力有所升高。 3 对下盘煤层采动和F 1 0 断层耦合影响下上盘煤层安全开采进行了研究，分析 了在耦合影响下断层上盘煤层采动覆岩运动变形规律和围岩应力变化特征。上盘煤层采 动后，工作面围岩发生运动变形破坏，顶板导水裂缝带发育高度为7 5 m 左右，底板破坏 深度为2 5 m 左右；随着工作面长度增大，煤层采动后顶底板破坏范围随之增大，顶板下 沉量也增大，采空区外侧岩层变形下沉量则相对较小；上盘工作面煤层采动后，围岩应 力分布发生变化，工作面两侧出现应力集中，且工作面运输巷应力集中程度大于回风巷。 4 确定断层保护煤柱尺寸并提出上盘工作面布置方案断层F 1 0 留设7 0 m 保护 煤柱，断层D F l 4 留设6 0 m 保护煤柱，工作面回风巷和运输巷分别沿F 1 0 断层和D F l 4 断层保护煤柱布置，工作面长度约为1 5 0 m 。 关键词大断层；采动影响；上盘开采；覆岩运动；数值模拟；相似材料模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 A B S T R A C T B a s e do nt h es e a mm i n i n gi nc o m p l i c a t e dr e g i o n a ls t r u c t u r eo fY u n H ec o a lm i n e N O ．7 3 01w o r k i n gf a c e ，t h em i n i n ge f f e c to ft h ef o o t w a l lc o a ls e a ma n dt h es a f e t ym i n i n go f h a n g i n gw a l l c o a ls e a ma r es t u d i e dw i t ht h em e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，F L A C - 3 D n u m e f i c a ls i m u l a t i o na n ds i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o n ． 1 T h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co fo v e r b u r d e nd e f o r m a t i o nf a i l u r ea n ds t r e s sc h a n g e a f t e rc o a lm i n i n ga r ea n a l y s e d ．T h er e s u l t so ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s to fc o a ls e a ma n d r o c k ss h o wt h a t t h eu n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fc o a li s5 ．4 5 - 18 ．0 9 M P a ；t h ee l a s t i c m o d u l u so fr o o fa n df l o o rr o c k si s r e s p e c t i v e l y 19 6 5 ．2 0 - 4 0 2 2 ．11M P aa n d 4 3 9 5 ．7 2 - 18 7 0 2 ．5 3 M P a ，t h eu n i a x i a l c o m p r e s s i v es t r e n g t h i s2 7 ．9 3 ～3 2 ．6 4 M P aa n d 31 ．8 5 - 8 6 ．5 3 M P a ． 2 T h ee f f e c to nF 10f a u l ta n dh a n g i n gw a l lo ff o o t w a l ls e a mm i n i n gi ss t u d i e d ．A f t e r f o o t w a l lc o a ls e a mm i n e d ，t h eo v e r l y i n gs t r a t ao fm i n i n gf a c ei sd e s t r o y e da n dt h eh e i g h to f w a t e rf l o w i n gf r a c t u r e dz o n ei sa b o u t9 0 m t h er e s u l to ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n ds i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o ni s r e s p e c t i v e l y8 6 ．5 m ，9 5 m ，9 0 m ．T h es t r e s s d i s t r i b u t i o no fo v e r l y i n gs t r a t at r a n s f e r r e dt ot w os i d e so fm i n i n gf a c ea n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o n a p p e a r e dn e a r b yt h eF 10f a u l t ．T h eh a n g i n gw a l lo ff a u l to c c u r r e ds l i g h t l yi n c l i n a t i o nt oF IO f a u l t ，w h i c hr e s u l t si nt h ec h a n g eo fs t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h i sa r e at h a tt h es t r e s sn e a r b yF10 d e c r e a s e sa n dn e a r b yD F14i n c r e a s e s ． 3 B a s e do nt h es t u d yo ft h eh a n g i n gw a l lc o a ls e a ms a f e t ym i n i n gu n d e rt h ec o u p l i n g e f f e c to ff o o t w a l ls e a mm i n i n ga n dg r e a tf a u l t ，t h ed e f o r m a t i o nl a wo fo v e r l y i n gs t r a t aa n dt h e s t r e s sd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c ka r ea n a l y s e d ．A f t e rh a n g i n gw a l lc o a l s e a mm i n e d ，t h es u r r o u n d i n gr o c ko fm i n i n gf a c ei sd e s t r o y e d ，t h eh e i g h to fw a t e rf l o w i n g f r a c t u r e dz o n ei sa b o u t7 5 ma n dt h ed e s t r o yd e p t ho ff l o o ri sa b o u t2 5 m ．W i t ht h ei n c r e a s eo f w o r k i n gf a c el e n g t h ，t h ef a i l u r ea r e ao f r o o fa n df l o o re n l a r g e sa n dt h es i n k a g eo fr o o fi sa l s o i n c r e a s e d ，b u tt h es i n k a g eo fg o a fo u t b o a r ds t r a t u mi sr e l a t i v e l ys m a l l ．A f t e rt h eh a n g i n gw a l l c o a ls e a mm i n e d t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fs u r r o u n d i n gr o c kc h a n g e sa n dt h es t r e s s c o n c e n t r a t i o na p p e a r sa tt w os i d e so ft h em i n i n gf a c e ． 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 4 T h i sp a p e rd e t e r m i n e st h es i z eo ft h ep r o t e c t i o np i l l a r sa n dp r o p o s e st h el a y o u t s c h e m eo f h a n g i n gw a l lm i n i n gf a c e ．T h ef a u l tp i l l a rs i z eo fF 10a n dD F14i sr e s p e c t i v e l y7 0 m ， 6 0 m ．T h ev e n t i l a t i o nr o a d w a ya n dc o n v e y a n c er o a d w a ya r ea r r a n g e da l o n gt h ec o a lp i l l a ra n d t h el e n g t ho fm i n i n gf a c ei sa b o u t15 0 m ． K e y w o r d s g r e a tf a u l t ，m i n i n ge f f e c t ，h a n g i n gw a l lm i n i n g ，m o v e m e n to fo v e r b u r d e n ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o n 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1 绪论。．．。．。．。．．．．．．．．．。。．。．。．．．．．．．．。．．．．。。．．。。．．．。．。．．．。．。．．．。．。．．．．。．。．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 断层采动覆岩变形破坏特征及煤柱留设分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 煤层采动覆岩变形破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 断层防水煤柱留设及覆岩“两带”高度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 煤层及顶底板岩石力学性质试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 3 ．1 试验系统简介及试件制取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。15 3 ．2 顶底板岩石单轴拉伸试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．17 3 ．3 煤层及顶底板岩石单轴压缩试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 下盘采动对大断层及上盘区域影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 4 ．1 区域地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 3 4 ．2 下盘工作面采动覆岩运动变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 4 ．3 下盘开采对断层及上盘煤层影响数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 6 4 ．4 下盘开采对断层及上盘煤层影响相似材料模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 5 断层采动影响下上盘煤层安全开采分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 5 ．1 上盘煤层开采项底板破坏与巷道位置分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 5 ．2 断层影响下上盘煤层开采数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 5 ．3 断层影响下上盘煤层开采相似材料模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 5 ．4 断层上盘煤层开采工作面合理布置研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 0 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 6 结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 3 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 6 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 6 ．2 论文创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 6 ．3 论文展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 j 2 | 【谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．。．．．．．．．⋯．．。．。．．。．．⋯．．．．．．。．．．．．．．．．．．⋯⋯。．．．．。⋯．．。．．⋯．．．。．．．．．．．．⋯．．6 1 攻读硕士学位期间主要科研及成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 2 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯l 1 ．1R e s e a r c hB a c k g r o u n da n dS i g n i f i c a n c e ．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2C u l l r e mR e s e a r c ha tH o m ea n d A b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．3T h eC o m e n t Sa n dT e c h n i c a lR o u t eo f t h eP a p e r ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 2O v e r b u r d e nD e f o r m a t i o nC h a r a c t e r i s t i c sa n dC o a lP i l l a rD e s i g nA n a l y s i s ．．．．．．．．．．．．⋯．．9 2 ．1O v e r b u r d e nD e f o r m a t i o nC h a r a c t e f i s t i c sA f t e rm i n e d ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2 ．2C o a lP i l l a rD e s i g na n dH e i g h to f O v e r b u r d e nF a i l u r eA n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3C h a p t e rS u m m a r y ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 z I 3E x p e r i m e n t a lS t u d yo nt h eM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fC o a lS e a ma n dR o c k ．．．．．．．．．．．．．．1 5 3 ．1T e s tS y s t e mI n t r o d u c t i o na n dM a n u f a c t u r eo fS p e c i m e n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．2U n i a x i a lT e n s i l eT e S to f t h eR o o f a n dF l o o r R o c k ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 7 3 ．3U n i a x i a lC o m p a s s i o nT e s to f t h eC o a la n dR o c k ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 9 3 ．4C h a p t e rS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4R e s e a r c ho nt h eE f f e c to nF a u l ta n dH a n g i n gW a l lA r e ao fF o o t w a l lM i n i n g ．．．．．．．．．．．．2 3 4 ．1R e g i o n a lG e o l o g i c a lC o n d i t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 3 4 ．2O v e r b u r d e nD e f o r m a t i o nA f t e rF o o t w a l lC o a lS e a mM i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 4 ．3N u m e r i c a lS i m u l a t i o no fE f f e c to nH a n g i n gW a l lo fF o o t w a l lM i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 ．4S i m i l a rM a t e r i a lS i m u l a t i o no fE f f e c to nH a n g i n gW a l lo f F o o t w a l lM i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．5C h a p t e rS u m m a r y ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．；5 5S a f e t yM i n i n gA n a l y s i so ft h eH a n g i n gW a l lU n d e rt h eI n f l u e n c eo fF a u l ta n dF o o t w a l l M i n i n g ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．．．3 6 5 ．1F a i l u r eS t r a i no fR o o fa n dF l o o ra n dR o a d w a yP o s i t i o nA n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 5 ．2N u m e r i c a lS i m u l a t i o no f t h eS a f e t yM i n i n go f H a n g i n gW a l lC o a lS e a m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 8 5 ．3S i m i l a rM a t e r i a lS i m u l a t i o no ft h eS a f e t yM i n i n go fH a n g i n gW a l lC o a lS e a m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．4R e a s o n a b l eA r r a n g e m e n to f H a n g i n gW a l lM i n i n gF a c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．5C h a p t e rS u m m a U ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2 6C o n c l u s i o na n dP r o s p e c t s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯5 3 6 ．1M a i nC o n c l u s i o n s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 ； 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 6 ．2I n n o v a t i v eP o i n t so f t h eP a p e r ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 z l 6 ．3 P r o s p e c t s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ；z } R e f e r e n c e s ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 6 A c k n o w l e d g e m e n t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 1 A c h i e v e m e n t sd u r i n gW o r k i n go nM a s t e rP a p e r ．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．6 2 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 研究背景及意义 煤炭是我国的主体能源，在一次能源结构中占7 0 ％左右，并且在未来相当长时期内， 煤炭作为主体能源的地位不会改变。煤炭工业是关系国家经济命脉和能源安全的重要基 础产业【l 】。中国共产党十八大报告明确提出“建设生态文明，是关系人民福祉、关乎民 族未来的长远大计。⋯⋯从源头扭转生态环境恶化趋势，为人民创造良好生活生产环境， 为全球生态安全作出贡献。”煤炭工业“十二五”发展规划中把发展循环经济、保护矿区 生态环境作为煤炭工业发展的重要任务。随着近些年国民经济持续、健康、高速的发展 及各行业对能源需求量的急剧增加，对煤炭资源大规模的开发已导致严重的开采损害和 生态环境破坏【2 】。同时由于我国煤炭资源分布广泛，地质构造变化大，使得大量资源难 以安全开采，造成煤炭资源的呆滞，特别是我国东部地区，煤炭资源逐年枯竭。因此， 贯彻实行党的十八大方针及煤炭工业“十二五”发展规划，走可持续、环境友好型工业 化道路势在必行。 在华东地区煤矿生产中见到的煤层很少有连续不断、平整如一的，大多数被断裂构 造破坏，使得煤层不能连续，切割成不同的块段。遭受断层破坏的矿区，煤炭储量分布 将发生变化，有些断块局部可采，有些断块由于断层较多，丧失开采价值；有些断块虽 然可采，但由于受断层落差和破碎带的影响，可采储量大大减少【3 1 。断裂构造使得岩层 产生不同方向的裂隙，岩层遭到破坏，为岩层冒落和充水创造条件，给开采带来困难， 并在巷道掘进和工作面推进过程中增加技术难度。对于断层要留设足够的安全保护煤柱， 以保证煤层安全开采，断层煤柱的留设，不仅关系到煤炭资源的合理利用，而且对煤矿 的开拓部署及工作面安全生产等方面造成影响【4 】。 工作面煤层采出后形成了地下空间，破坏了岩体原有稳定状态。围岩发生了剧烈的 变形调整，岩体原有应力平衡状态被打破，围岩应力发生重新分布，形成新的应力分布 状态。邻近工作面的开采活动会对围岩和巷道产生二次采动影响，引起巷道和围岩位移 变形、应力分布发生变化，影响围岩和巷道的稳定性。在地质构造复杂区域，工作面开 采覆岩运动对断层等地质构造的性质会产生一系列的影响。工作面采动会导致断层带附 近发生明显的位移变形和应力集中，引起断层活化，造成断层的滑移失稳，诱发断层灾 害的发生，给煤矿安全生产带来极大隐患。同时，断层等地质构造的存在也会使得工作 1 万方数据 些奎型垫奎兰堡主堂垡笙塞堕笙 面采动上覆岩层运动演化形态发生明显变化，巷道和围岩位移变形、围岩应力分布状态 也受到断层等地质构造的明显影响。 以济宁矿业集团运河煤矿七采区7 3 0 1 工作面区域地质构造复杂煤层开采为工程背 景，根据矿井水文地质条件，结合区域内地质构造、煤层赋存情况，研究下盘工作面采 、 动后大断层及上盘区域岩层应力分布变化及位移变形规律，分析工作面采动对断层及上 盘区域煤层的影响程度；模拟研究在下盘煤层采动和大断层存在耦合影响下上盘煤层采 出后应力变化及覆岩运动演化规律，分析上盘煤层安全开采的可行性，并提出合理的设 计方案，在保证安全生产的前提下尽可能多的采出煤炭资源。不仅可以解放呆滞资源， 提高煤炭资源采出率，而且可以延长矿井服务年限，缓解资源紧缺的现状，具有良好的 经济效益和社会效益。研究成果可以指导类似条件下的煤矿安全生产，并提供理论依据。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 断层影响研究现状 1 ．2 ．1 ．1 断层采动效应研究 针对煤矿生产过程中，由于断层存在引起的采动效应，国内外众多学者已进行了大 量的研究，并取得了显著地成果。 在国外，K i m [ 5 】在研究断层长度与位移量之间的关系中发现位移的最大量与断层 带的长度之间存在关系a m 。 c l ”；I s l a m 等【6 】运用边界单元法，依据摩尔库伦准则对煤层 开采导致的断层活化进行了研究，发现了断层带应力重分布和围岩的形变在很大程度上 受到断层岩性的影响的规律；D o n n e l l y 等【7 ，8 1 对开采引起附近断层活化现象进行了研究， 并讨论了断层带不同岩性对煤田范围内存在断层时地面沉降的延迟速度作用。 在国内，杨建立等1 9 1 根据现场实测数据分析得到了王庄矿大采高工作面在高强度综 放开采条件下的地表沉陷规律，基于不连续变形数值分析方法建立地表沉陷模型，模拟 和分析多条断层对工作面综放开采的影响规律，并与相似条件下有无断层的地表沉陷规 律进行比较，总结得出有无断层影响下的覆岩破断及移动规律。颜恭彬【lo 】通过建立同的 断层力学模型，研究了不同影响因素下断层的采动效应，综合分析了采动影响下断层及 围岩的变形破坏特征。研究表明在相同的开采条件下，不同影响因素下的含断层底板， 其采动效应不同；同一煤层断层两盘开采，不同的开采顺序其采动效应不同；断层一侧 近距离煤层开采时，采动叠加效应的影响主要体现在对裂隙带高度的影响上。甄亚彬[ 1 1 1 2 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 基于U D E C 软件对断层影响下采场顶板破断规律进行了分析，研究了断层不同带宽和产 状对采场顶板最大下沉值和应力的影响规律，得到了不同断层分布影响下采场顶板的破 断规律。黄存捍等【1 2 】基于岩石剪切破坏的极限平衡条件，推导出隔水层破坏的临界水压 力公式，分析了断层倾角 、内聚力和断层煤柱宽度对底板隔水层破坏的影响，得出了断 层对底板隔水层稳定性的影响规律。周丹【1 3 】在研究分析断层的倾角、断距等影响因素的 基础上，建立了基于概率积分法的矢量预计模型，通过以断层为主要影响因素的水平煤 层开采的相似材料模型，分析了煤层开采断层影响的地表移动和变形规律。曾先贵等1 1 4 J 采用非线性有限元数值模拟方法，考虑不同断层倾角大小、工作面推进方向与断层倾向 关系，模拟了在断层影响下厚煤层综放开采导水裂隙带发育高度，得出了综放开采2 种 倾角断层、不同推进方向4 种组合的导水裂隙带高度随煤层开采动态发育规律。 卜万奎等【1 5 】通过建立力学模型，根据弹性理论中半平面体边界上受法向分布力的应 力分析，推导出作用在采场底板的支承压力，分析了断层倾角对断层面上剪切应力、法 向应力及断层活化的影响。赵海军等【l6 】在断层上下盘开挖引起岩移的断层效应研究中， 采用理论和数值分析的方法分别对陡倾断层上下盘开挖这两种工程状态下的岩移机制进 行了研究。勾攀峰等【l7 】通过相似材料模拟试验，分析研究了断层下盘煤层开采后在其上 盘煤层中开掘巷道，巷道项板的位移和巷道变形特征。彭苏萍等【1 8 J 在断层对项板稳定性 影响相似模拟试