大倾角变角度综放工作面覆岩运移规律分析及应用.pdf

论文题目大倾角变角度综放工作面覆岩运移规律分析及应用 专 业采矿工程 硕 士 生郭 峰 签名 指导老师伍永平 签名 摘要 大倾角变角度工作面顶板破坏与运移规律特殊，变角段“支架围岩”系统稳定性 控制难度大。本文以枣泉煤矿大倾角变角度 120210 综放工作面为研究背景，通过现场 观测、物理相似材料模拟实验和数值计算实验相结合的手段，运用已有的大倾角煤层开 采理论，系统研究了大倾角变角度工作面特别是变角段处的覆岩运移规律，研究表明 大倾角变角度煤层覆岩垮落具有明显的时序性和不均匀性， 以变角段为界工作面顶 板的应力场分布、破坏场分布、采空区充填特征以及支架工作阻力分布均出现了不同于 单一倾角煤层的规律与特点。变角段应力集中，变形程度高，采空区充填程度低、支架 与顶板约束作用差，是工作面覆岩运移特征的关键影响因素；大倾角变角度工作面顶板 应力呈“驼峰”状非对称分布形态。上下区段的应力场在变角段出现叠加，造成变角段 附近顶板应力集中，变形破坏程度高，拉伸破坏范围增大。上区段及下区段的顶板最大 垂直应力随着变角度的增大而降低，但峰值位置不断向变角度处移近，加剧了整个工作 面顶板应力分布的非对称性；上区段煤层倾角较小，垮落矸石沿倾斜方向的滑移充填作 用不充分，下区段上部和变角段顶板破碎程度高，垮落充分，垮落矸石在重力作用下向 下区段发生滑移，呈现下区段充填压实、变角段部分充填、上区段完全充填的特征。同 时上区段垮落矸石不能有效对变角段采空区进行补充， 该处垮落矸石对顶板的约束作用 最弱，上覆岩层运动程度加剧，失稳形式复杂化。 枣泉煤矿 120210 工作面支架受载及稳定性特征验证了大倾角变角度工作面的覆岩 运移破坏特征，基于这一特征并结合现场生产实际，枣泉煤矿大倾角变角度工作面依据 “上区段为高效生产的主体， 下区段是实现安全的基础， 变角段是上下区段转换的关键” 的原则进行生产技术管理，可获得良好的经济与社会效益。 关 键 词变角度；数值模拟； “驼峰”结构；失稳机制 研究类型应用研究 万方数据 Subject Analysis and appliaction of Movement Rules of Overlying Strata in Fully Mechanized Top-Coal Caving Face in steeply dipping seam Specialty Mining Engineering Name Guo Feng Signature Instructor Wu Yongping Signature ABSTRACT The system stability between support and strata of variable-angle zone is hard to control due to the specialty of destruction and movement of roof in the steeply dipping coal seam. Take thefully mechanized top-coal caving face 120210 which with big dip and variable angle as the research background, through field observation, physical similar material simulation experiment and numerical simulation analysis, by using the existing large dip angle coal seam mining theory,asystematic research on movement rules of overlying strata infully mechanized top-coal caving face with big dip and variable angle is conducted, and the supportadaptability is analyzed. The research shows that The overburden falling of coal seam with big dip and variable angle has obvious characteristics in sequent and uniity. All the stress field distribution, failure distribution, gob filling characteristics and support resistancedistribution in variable angle sectionshow different law and characteristics from normal seam. In this section, stress concentration, high degree of deation, the low gob filling degree and the poor restrain effect between support and roof are the key influencing factors of the strata movement characteristics of the face. The roof stress of face with big dip and variableangledistributesas a asymmetricshape of hump. Stresses of upper and lower section superpose together in variable angle section, causing stress concentration, high extent of damage and large tensile damage range. The maximum roof vertical stress of upper and lower section decrease with the increasing of variable angle, but its peak is closer to variable angle section, thus aggravatethe asymmetry of the whole roof stress distribution. The dip angle of coal seam of upper section is small, the slip filling effect along the inclined direction of caved rock is inadequate. In the variable angle section and the top of lower section, therooffragmentation degree is high and caving fully. The caved rock 万方数据 movetoward the lower section, therefore the whole face has a characteristic of the lower section is filled and compacted, the variable angle section is partial filled, and the upper section is completed filled. Meanwhile, the caved rock in upper section cannot effectively fill the gob of variable angle section, where the constraint effect of the caved rock to roof is weak, the motion degree of overlying strata is aggravated and instability in complex s A viewpoint， named“the upper curtate for the subject of high-efficient production，the lower curtate for the basis of safe，then the section of variable angles for the key to trans between the curtates”，which guide the product practices of variable large inclined angle faces of Zaoquan coal，is proposed based on the characteristics of loaded support and its stability on the120210 working face of Zaoquan coal verified the characteristics of overburden movement and failure on variable large inclined angle faces. Key words variable angles; numerical modeling; “Hump“ structure; Instability mechanism Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及意义 .............................................................................................. 1 1.1.1 选题的背景 ............................................................................................ 1 1.1.2 研究的意义 ............................................................................................ 1 1.2 国内外对大倾角开采方法研究现状 .............................................................. 2 1.2.1 国内大倾角开采方法研究现状 ............................................................ 2 1.2.2 国外大倾角开采方法研究现状 ............................................................ 3 1.3 国内外大倾角及变角度煤层开采覆岩运移规律研究动态 .......................... 4 1.3.1 国内外大倾角开采覆岩运移规律研究动态 ........................................ 4 1.3.2 大倾角变角度煤层研究现状 ................................................................ 6 1.4 国内外研究综述 .............................................................................................. 7 1.5 本文研究内容、方法和技术路线 .................................................................. 7 1.5.1 研究内容 ................................................................................................ 7 1.5.2 研究方法 ................................................................................................ 8 1.5.3 技术路线 ................................................................................................ 8 2 大倾角变角度煤层开采覆岩运移相似模拟研究 .................................................. 10 2.1 相似模拟实验构建 ........................................................................................ 10 2.1.1 工程地质条件 ...................................................................................... 10 2.1.2 模拟实验目的 .......................................................................................11 2.1.3 实验模型设计 ...................................................................................... 12 2.1.4 材料配比确定 ...................................................................................... 12 2.1.5 模型开采方案 ...................................................................................... 13 2.2 覆岩走向破断运移规律 ................................................................................ 14 2.2.1 走向开采覆岩运移 .............................................................................. 14 2.2.2 上覆岩层数据分析 .............................................................................. 15 2.2.3 支架载荷特征分析 .............................................................................. 17 2.2.4 支承压力特征分析 .............................................................................. 18 2.2.5 结果分析 .............................................................................................. 19 2.3 覆岩倾向破断运移规律 ................................................................................ 20 2.3.1 倾向开采覆岩运移 .............................................................................. 20 万方数据 目录 II 2.3.2 上覆岩层数据分析 .............................................................................. 23 2.3.3 支架载荷特征分析 .............................................................................. 25 2.3.4 支承压力特征分析 .............................................................................. 26 2.3.5 结果分析 .............................................................................................. 27 2.4 小结 ................................................................................................................ 28 3 大倾角变角度煤层开采覆言运移及应力演化数值模拟研究 .............................. 29 3.1 数值计算模型的确立 .................................................................................... 29 3.1.1 数值计算基本参数 .............................................................................. 29 3.1.2 数值计算模型 ...................................................................................... 30 3.2 数值计算结果及分析 .................................................................................... 31 3.2.1 不同煤层倾角条件下采场倾向位移及力学特征 .............................. 31 3.2.2 不同煤层倾角条件下采场走向位移及力学特征 .............................. 37 3.2.3 沿倾向采场围岩应力演化特征 .......................................................... 41 3.3 小结 ................................................................................................................ 43 4 大倾角变角度煤层开采覆岩空间结构分析 .......................................................... 44 4.1 大倾角变角度煤层采场顶板走向破坏结构特征 ........................................ 44 4.1.1 走向覆岩力学特征 .............................................................................. 44 4.1.2 走向覆岩运移特征 .............................................................................. 44 4.1.3 走向覆岩垮落特征 .............................................................................. 45 4.2 大倾角变角度煤层采场顶板倾向破坏结构特征 ........................................ 46 4.2.1 倾向覆岩力学特征 .............................................................................. 46 4.2.2 顶板倾向应力模型 .............................................................................. 46 4.2.3 倾向覆岩运移特征 .............................................................................. 48 4.2.4 倾向覆岩垮落充填特征 ...................................................................... 49 4.2.5 倾向覆岩垮落结构特征 ...................................................................... 51 4.3 大倾角煤层长壁采场覆岩空间结构 ............................................................ 54 4.3.1 三维覆岩力学特征 .............................................................................. 54 4.3.2 三维覆岩垮落特征 .............................................................................. 54 4.4 小结 ................................................................................................................ 55 5 大倾角变角度煤层综放开采支架适应性分析 ...................................................... 57 5.1 大倾角变角度工作面基本情况 .................................................................... 57 5.1.1 工作面概况 .......................................................................................... 57 5.1.2 工作面支架布置方式 .......................................................................... 57 5.1.3 工作面倾角变化情况 .......................................................................... 58 万方数据 目录 III 5.1.4 工作面支架的选型 .............................................................................. 58 5.1.5 工作面支架的支护方式 ...................................................................... 59 5.2 变角度煤层支架稳定性关键技术 ................................................................ 60 5.2.1 支架空载稳定性分析 .......................................................................... 60 5.2.2 支架加载稳定性分析 .......................................................................... 61 5.2.3 支架在变角段稳定性分析 .................................................................. 63 5.3 支架的承载性与适应性分析 ........................................................................ 66 5.3.1 支架工作面承载特征 .......................................................................... 66 5.3.2 支架支护阻力适应性分析 .................................................................. 68 5.3.3 支架防护措施 ...................................................................................... 68 5.4 小结 ................................................................................................................ 69 6 结论 .......................................................................................................................... 70 6.1 主要结论 ........................................................................................................ 70 6.2 展望 ................................................................................................................ 71 致谢 ............................................................................................................................. 72 参考文献 ..................................................................................................................... 73 附录 ............................................................................................................................. 76 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及意义 1.1.1 选题的背景 近年来随着市场经济的调控，我国煤炭形式面临着不小的挑战，但是煤炭作为我国 主要利用的一次性不可再生资源，目前产量仍居世界第一。随着中东部煤炭资源的日益 枯竭，我国已经将重心转移到西部或者中东部的深层煤层，而这些煤层多以复杂难采煤 层为主，其中大倾角煤层占总储量的 30左右。 大倾角煤层特指埋藏倾角在 35 55 的煤层[1]，目前我国西部矿区多以开采大倾角 煤层为主，其产量达到 20 亿吨。这类煤层分布广泛，主要分布在东部的辽源矿区、沈 阳矿区、江苏矿区、平顶山矿区以及西部的乌鲁木齐矿区、广旺矿区、华亭矿区、靖远 矿区、窑街矿区、石炭井矿区等等[2]。大倾角煤层在我国普遍存在，并且已经成为西部 经济的命脉。 目前我国解决大倾角安全高效生产的方法已经处于世界领先水平，但是大倾角煤层 问题仍是一个极为复杂的问题。剧烈的地质构造所形成的煤层起伏变化，在实际的生产 过程中，变角度煤层顶板面临着在变角处容易破断冒落，支架在变角处滑移、倾倒现象 严重，对安全带来极大的隐患。因此研究大倾角变角度这类煤层的问题迫在眉睫。 1.1.2 研究的意义 大倾角煤层受采动影响后的顶、底板易发生破坏，而大倾角煤层顶板的垮落具有时 序性和不对称性，并且随着倾角的增大，这种现象在加剧。大倾角变角度工作面不同倾 角处顶板岩层的变形、破坏及运移也有不同的规律和特点，从而使这类煤层覆岩结构发 生变化，进而影响工作面安全生产。本文以神华宁夏煤业集团枣泉煤矿 120210 工作面 为工程背景进行研究，针对大倾角变角度覆岩运移规律进行分析。 120210 工作面为倾向变角度工作面（背斜） ，工作面从下往上分为三个区段，下区 段为大倾角煤层，平均倾角在 35，上区段为一般倾斜煤层，平均倾角为 26，变角 段为上、下区段的过度段，目前开采平均倾角为 30以上，而后续工作面倾角最大可达 40 45 。该工作面采用的是综合机械化放顶煤开采，在开采过程变角段顶板冒落现象 严重，变角段和下区段上部出现支架倾倒、下滑现象，变角段易发生垮落的等问题导致 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 整个工作面各个工序不能正常进行， 影响工作人员的安全。 因此本文以该矿为研究背景， 应用理论研究、现场观测分析、数值模拟和相似模拟等方法，对该变角度工作面的覆岩 运移进行系统研究， 最终得出该大倾角变角度煤层工作面的覆岩运移规律及支架的适应 性。既对该矿实际生产及围岩控制有着重大的指导意义，又积累了经验。对大倾角变角 度煤层开采理论资料的补充和完善，也对我们在实现此类煤矿安全高效生产具有较大的 实际意义。 1.2 国内外对大倾角开采方法研究现状 1.2.1 国内大倾角开采方法研究现状 20 世纪中期， 我们国家在大倾角及中厚煤层上运用的采煤方法大多为倒台阶采煤法， 倒台阶采煤法不仅巷道布置、通风系统简单，而且掘进率低、采出率高、适应性较强等 优点。但是，倒台阶采煤法局限性明显，不仅对基础物资的消耗量过大，而且易诱发事 故不利于实现采煤机械化，如坑木消耗大、强度大、生产率低、顶板难管理，瓦斯容 易聚集等缺点[3] [4]。因此，目前在我国应用越来越少，只在一些特殊煤层赋存条件下还 有少量应用。 60 年代初期， 我国针对条件较好的急倾斜和大倾角煤层研究出了柔性掩护支架采煤 法， 并在淮南矿区进行了试验并取得成功。 柔性掩护支架采煤法也有自身的特点和缺陷， 具体优点是，这种方法生产系统简单，工作面倾角变小且较长，掘进率低且能使工作面 与采空区相隔。这种方法不仅简化了顶板的管理还减轻了繁重的劳动[5]。具体缺点是， 掩护支架适应性差且结构固定，矸石排除率低降低品质等等。 在 80 年代，大倾角煤层在四川省煤炭的储存占的比例很大，因此四川的部分矿区 就就开始使用俯伪斜体系采煤方法[6]，这也预示着一次采煤方法的改革。这种方法主要 在广旺矿务局旺苍矿、唐家河、南桐矿务局柳新矿[7]、芙蓉矿务局杉木树矿等，都取得 了成功 [8]。 通过 20 年煤矿人的不懈努力，在上世纪末，我国学者研究了非机械化“双大”大 推进度、大采高开采方法，主要针对大倾角特厚煤层条件较差且复杂，煤质易燃的煤 层。并在甘肃华亭矿务局东峡煤矿获得了良好的技术与经济效益[9]；窑街矿务局把超前 预爆破非机械化放顶煤技术在三矿大倾角坚硬特厚煤层中成功使用，并对相应的参数进 行了全面的研究[10]；江苏天能集团公司针对大倾角特殊煤层（ “三软” ）的长壁工作面上 使用了下行收作法[11]；在新疆建设兵团、河南义马矿务局等还对在大倾角或者急倾斜煤 层中是否可以使用巷道放顶煤的方法做了工业性验证[12] [13]。 万方数据 1 绪论 3 1998 年，华蓥山矿务局绿水洞煤矿针对该矿大倾角煤层，购买了大倾角支架（型号 ZYJ2300/13/32） ，并在该矿成功的使用，很好的解决了大倾角中厚煤层走向长壁综采难 题[14]，也从技术上和设备上为这类煤层奠定了运用走向长壁综采技术的基础。 2003 年， 甘肃靖远煤业公司王家山煤矿针对大倾角厚且易燃煤层煤层， 对该矿工作 面倾斜布置应用了走向长壁综采放顶煤的开采技术，获得成功[15]。该矿的成功应用也使 大倾角特厚煤层开采在使用走向长壁综放上的难题得以解决。 2004 年，甘肃华亭东峡煤矿和西安科技大学共同研究，对东峡煤矿“煤 6-2 上”大 倾角易燃特厚煤层群在原有的综合机械化走向长壁放顶煤开采技术上使用了“小放高” 技术， “小放高”综采放顶煤技术不仅改善了作业环境、降低了劳动强度，而且取得了 很好的经济和安全效益。这也预示着我国该水平开采研究技术已处于国际领先水平[8][16]。 2005 年，东峡煤矿针在当时的技术基础上，对该矿“煤 6-2 上”的煤层群下层厚煤 层运用了“大放高”开采技术[17]，在过去的的生产期间，解决了相应的问题并且取得了 较好的成绩。 2010 年，淮南矿业下属煤矿采用了分层开采技术，解决的倾角达到了 62 ，把厚度 约为 7.0m 的煤层分为上下层，年产量也达