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大倾角中厚煤层破碎顶板 炮采转综采围岩稳定性研究 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名张 淼 指导教师唐建新 教 授 专 业安全技术及工程 学科门类工 学 重庆大学资源及环境科学学院 二 O 一五年五月 Stability of Surrounding Rock in Large Inclined and Medium Thick Coal Seam with Broken Roof When Blasting Mining Technology Transfers to Fully Mechanized Mining Technology A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’ Degree of Engineering By Zhang Miao Supervised by Prof. Tang Jianxin SpecialtySafety Technology and Engineering College of Resources and Environmental Science of Chongqing University, Chongqing, China May, 2015 中文摘要 I 摘 要 大倾角煤层因为其岩层结构的独特性，与缓倾斜近水平煤层不同，煤层开采有 其特殊的岩层变化规律。大倾角破碎顶板采场，岩层节理裂隙发育较好，整体强 度差，自稳能力低，在支护方面需要更多的应对。迄今为止，我国在大倾角煤层 开采过程中的围岩控制、岩层运动规律、矿压显现规律等问题上进行了一定的理 论和实验研究，取得了丰富的经验, 但对大倾角破碎顶板炮采转综采的研究相对 较少。因此开展本项目的研究有着重要的理论意义和工程应用价值。 本文以唐家河煤矿大倾角中厚煤层破碎顶板 1811 工作面为研究背景，通过理 论分析，数值模拟分析、现场实测数据分析等方法，对大倾角中厚煤层破碎顶板 炮采转综采过程中初采期，转型期，综采期这三个时期中采场围岩活动情况，综 采开切眼处围岩稳定性，应对的支护要求，生产技术方案等方面的内容进行了分 析研究。论文取得的主要研究成果如下 ①通过对 1811 工作面地质概况的深入了解，炮采转综采过程中综采开切眼处 围岩稳定性的力学理论分析，以及运用不同方法计算支护强度，来最终优化得出 炮采转综采技术方案。 ②利用计算机数值模拟方法，模拟炮采转综采过程中三个时期（炮采期，转型 期，综采期）的围岩稳定性情况，验证所得炮采转综采技术方案的可行性。 ③进行现场试验，得到一个半月时间内，13 个测点的支柱矿压值以及顶底板 位移数据，并将其与数值模拟数据进行对比分析。由此得出 1811 工作面的炮采转 综采过程中综采开切眼处围岩稳定性情况，在试验中验证了该技术方案的可行性。 关键词关键词大倾角，中厚煤层，破碎顶板，炮采转综采，数值模拟，现场实测 重庆大学硕士学位论文 II 英文摘要 III ABSTRACT Because of its unique rock ations, the large inclined coal seam has its own special variation of the rock strata which is different from the gently inclined coal seam. The large inclined coal seam with broken roof has a better rock joint development, poor overall strength, low steady ability and it needs more rock support. At present some certain theories and experiment researches relevant to mining technology, roadway surrounding rock control, movement law of overlying strata and strata pressure behavior of deeply inclined coal seam mining are conducted in China and abundant experience is obtained. However, the researches of blasting mining technology transfers to fully mechanized mining technology with large inclined and medium thick coal seam which has broken roof are relatively less. Thus, it is of great theoretic importance and has engineering application value to study this project. Based on the 1811 face of broken roof of Tangjiahe mine with large inclined angle and medium-thickness seam, theoretical analysis, numerical simulation and field measured data are applied in the paper to analyze the characteristics of three processes in the transation of blasting mining technology to fully mechanized mining technology of broken roof with large inclined angle and medium-thickness seam, including surrounding rock stress state of open-off cut, support requests and technical approaches. The main research findings are as follows ①Based on the deep understand of the geological survey of 1811 face, the mechanics theoretical analysis of the surround rock stability of the open-off cut in the transation of blasting mining technology to fully mechanized mining technology, and calculation of support density in different ways, the paper find the best technical plan in the transation of blasting mining technology to fully mechanized mining technology. ②According to the application of numerical simulation, simulating the surrounding rock stability of three processes in the transation of blasting mining technology to fully mechanized mining technology, and verifying the feasibility of the technical plan. ③The field-test got the data of the pillar rock pressure values and roof displacement in 13 measuring points，then compared with the result of numerical simulation. Thereby we got the situation of the surrounding rock stability of three processes in the transation of blasting mining technology to fully mechanized 重庆大学硕士学位论文 IV mining technology and verified the feasibility of the technical plan in field-test. Keywords Large inclination, Medium-thickness seam, Broken roof, Transation of blasting mining technology to fully mechanized mining technology, Numerical simulation, Field measurement 目 录 目 录 中文摘要中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪绪 论论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及意义选题背景及意义 .............................................................................................................. 1 1.1.1 选题背景 ................................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ................................................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 ................................................................................................................... 4 1.2.1 国内外开采技术的研究现状 ................................................................................... 4 1.2.2 国内大倾角开采围岩稳定性研究现状 ................................................................... 5 1.2.3 国外大倾角开采围岩稳定性研究现状 ................................................................... 8 1.3 研究的主要内容和技术路线研究的主要内容和技术路线 ............................................................................................... 9 1.3.1 研究内容 ................................................................................................................... 9 1.3.2 技术路线 ................................................................................................................. 10 2 炮采转综采技术方案设计炮采转综采技术方案设计 ............................................................................................. 11 2.1 地质概况地质概况 ............................................................................................................................. 11 2.1.1 煤层及顶底板条件 ................................................................................................. 11 2.1.2 地质构造情况 ......................................................................................................... 12 2.1.3 水文地质条件 ......................................................................................................... 12 2.2 综采开切眼围岩理论分析综采开切眼围岩理论分析 ................................................................................................ 13 2.2.1 综采开切眼围岩力学模型 ..................................................................................... 13 2.2.2 开切眼围岩力学分析 ............................................................................................. 14 2.3 炮采转综采技术方案设计炮采转综采技术方案设计 ................................................................................................. 17 2.3.1 初采期炮采生产技术试验方案 ............................................................................. 17 2.3.2 转型期生产技术试验方案 ..................................................................................... 18 2.3.3 后期安装支架回拆支柱试验方案 ......................................................................... 21 2.4 本章小结本章小结 ............................................................................................................................. 22 3 各开采时期采场围岩活动的数值模拟各开采时期采场围岩活动的数值模拟 ............................................................... 25 3.1 UDEC 软件简介软件简介 ................................................................................................................. 25 3.1.1 离散元方法 ............................................................................................................. 25 3.1.2 UDEC 软件功能 ..................................................................................................... 25 3.1.3 工程数值模拟基本步骤和设计原则 ..................................................................... 26 目 录 VI 3.2 模模型建立型建立 ............................................................................................................................ 27 3.2.1 力学模型建立 ........................................................................................................ 27 3.2.2 岩石力学参数的选取 ............................................................................................. 28 3.2.3 走向数值模拟模型 ................................................................................................. 29 3.2.4 倾向数值模拟模型 ................................................................................................. 30 3.3 数值模拟结果及分析数值模拟结果及分析 ........................................................................................................ 31 3.3.1 未开采走向模拟结果及分析 ................................................................................. 31 3.3.2 炮采 20m 走向模拟结果及分析 ............................................................................ 32 3.3.3 炮采 40m 走向模拟结果及分析 ............................................................................ 34 3.3.4 转型期走向模拟结果及分析 ................................................................................. 36 3.3.5 综采期走向模拟结果及分析 ................................................................................. 45 3.3.6 倾向模拟结果及分析 ............................................................................................. 50 3.4 本章小结本章小结 ............................................................................................................................. 52 4 现场试验及矿压观测现场试验及矿压观测 ........................................................................................................ 53 4.1 现场监测方案设计现场监测方案设计 ............................................................................................................. 53 4.2 现场监测结果现场监测结果 ..................................................................................................................... 54 4.3 现场实测和数值模拟的对比分析现场实测和数值模拟的对比分析 ..................................................................................... 60 4.4 本章小结本章小结 ............................................................................................................................. 63 5 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................................ 65 5.1 主主要结论要结论 ............................................................................................................................ 65 5.2 后续研究工作展望后续研究工作展望 ............................................................................................................ 66 致致 谢谢 ...................................................................................................................................... 67 参考文献参考文献 ...................................................................................................................................... 69 附附 录录 ...................................................................................................................................... 73 A.作者在攻读硕士学位期间发表的论文作者在攻读硕士学位期间发表的论文 ........................................................................... 73 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 选题背景及意义 1.1.1 选题背景 煤炭是我国主体能源，2013 年煤炭占能源结构比例近 66[1]。随着对煤炭加 工转换和利用技术的进步，煤炭可以转变成为高效、清洁利用的能源和更多的煤 化工原料，所以在很长的时期内，以煤炭为主的能源利用局面会一直持续下去。 然而我国许多东部矿区如安徽的淮北和淮南矿区、江苏的徐州矿区、山东的兖州 矿区、河北的邢台和开滦矿区等,随着煤炭开采强度的日益提高,赋存条件优越的煤 层越来越少，浅部煤炭资源日趋枯竭，这一现状让我们不得不去开采地质条件复 杂， 倾角较大， 开采条件恶劣的煤炭资源[2]。 煤层倾角是确定采煤方式的重要因素， 一直以来，我国煤炭学者及专家将煤层按倾角分为缓斜（≤25） ，倾斜（25 45）和急倾（≥45）3 类。而随着开采技术的不断革新，许多国际主要的采煤 国家（美国、德国、前苏联等）按倾角已扩大至第四类煤层，将 35 55的煤 层称为大斜或大倾角煤层[3]。对于大倾角煤层的开采，存在着许多问题，如煤炭损 失率高、巷道掘进率高、通风安全条件差、工人劳动强度大、开采效益差等。所 以大倾角煤层中机械化开采的运用是非常迫切的。综合机械化采煤工艺（简称综 采）是煤炭开采的发展方向，综采技术的发展意味着落煤、装煤、运煤和顶板支 护的机械化的发展，显著的提高了生产效率，明显改善了安全状态。但是随着综 采综掘机械化水平的逐步提高，综采工作面布置困难，工作面走向短，搬家次数 频繁的弊端也日益凸显。 此外在我国大倾角厚煤层所占比重较大,大约占煤炭总储存量的 14.05，特别 在我国的西北地区的山西、陕西、宁夏、甘肃和新疆等地,大倾角煤层为许多矿区 或矿井的主采煤层[4]。 目前， 虽然大倾角煤层年开釆量仅占我国煤炭总产量的 8～ 10,但在一些地区大倾角煤层年产量却占有非常大的比例,如西南地区大约有 40～50的煤炭产量为大倾角煤层开采产量。随着我国“十二五”计划中控制东 部,稳定中部,大力发展西部的煤炭发展战略大倾角煤层开采的问题的研究将是一 项重大课题[5]。 然而采煤深度、难度的增加，地质条件的复杂，导致煤矿动力灾害频度和强 度明显增加，如 2004 年 6 月 6 日，北京木城涧煤矿动力灾害事故，破坏巷道 500 多米，死亡人数 12 人；2005 年，孙家湾煤矿“2.14”事故，造成 214 个人死亡； 2008 年 6 月 5 日，义煤集团千秋矿“6.5”重大矿压事故，破坏巷道 105 米，造成 13 人死亡、11 人受伤等[6]。在危险性巨大的煤矿事故中，很大一部分是在开采大 重庆大学硕士学位论文 2 倾角中厚煤层，因为在大倾角煤层中，很大比例是采用非机械化开采，矿工作业 环境非常恶劣、劳动强度大、生产效率低下，存在着重大安全隐患，百万吨死亡 率达 4.0 以上，远远高于缓倾斜煤层，其安全高效开采是当下需要解决的综合性难 题。若要保证大倾角复杂煤层的安全高效开采,就必须解决大倾角煤层开采过程中 的技术难题。因此,对影响因素多、物理过程复杂的大倾角煤层综采开采的关键技 术,尤其是炮采转综采中开切眼围岩控制等问题,有必要进行进一步的深入研究,这 不仅具有重要的理论价值,而且对二十一世纪我国的能源战略、煤炭行业可持续发 展、大倾角矿山高产高效安全生产具有重大的意义。 此外，在当今机械化愈来愈发展的情况下，国内许多机械化不完善的煤矿不 可避免的将会有一个炮采向综采的转变，因此对其在转变过程中的围岩稳定性研 究，有着较为实际的工程意义。再者本论文根据唐家河煤矿在进行炮采转综采过 程中，综采支架及配套设备未能及时送到的情况之下，在这种机械化大生产的时 代背景下，唐家河煤矿为了满足社会对能源的迫切需求，以及自身对生产力、科 学技术提升的需要，同时为了保障生产的连续性，进行了炮采转综采技术的工艺 研究。唐家河煤矿毅然决定先在 1811 采面进行炮采 3 个月后，再沿炮采工作面进 行扩大转为综采设备安装切眼，3 个月可多生产煤炭 2 万余吨，有效的提升了经济 效应和社会效应。 1.1.2 研究意义 综采技术是煤炭开采的发展方向，综采技术的发展意味着落煤、装煤、运煤 和顶板支护的机械化的发展，显著的提高了生产效率，明显改善了安全状态。近 年来,许多国有煤矿机械化生产装备不断崛起，唐家河矿作为一个 50 多年的老井 矿，井下复杂的地质条件,巨大的资金投入,和基础差、欠账多等诸多因数，加之从 部分管理层到员工对综采上马也都信心不足。为了转变观念,矿班子下大决心，以 多种形式积极宣传科技兴矿、科技保安的意义,用大量的事实说明机械化给矿井带 来的经济和社会效益，正确引导全矿员工，从全国煤炭行业来看，许多大、中型 煤矿早已进入机械化时代，一些小型煤矿也在不断改变刀耕火种的落后工艺，逐 步提高机械化水平；从本矿实际来看，采用传统生产工艺的劣势明显，产量小， 效益低，显然不能适应川煤集团和广旺战略发展的要求，因此发展综采迫在眉睫， 是川煤集团和广旺公司“十二五”时期大发展的迫切需要，也是唐家河煤矿建设 高产高效的现代化矿井、实现经济跨越式发展的必经之路，同等条件下，炮采月 产 60008000 余吨，综采正常月产可达 2.5 万余吨，将是唐家河煤矿又一个新的 经济增长点，到时，可从根本上改善作业环境，减轻职工劳动强度，企业效益明 显增长，职工收入也有一定幅度提高。 由于此前 1811 工作面采煤方式为炮采采煤，在这种机械化大生产的时代背景 1 绪 论 3 下，唐家河煤矿为了满足社会对能源的迫切需求，以及自身对生产力、科学技术 提升的需要，同时为了保障生产的连续性，进行了炮采转综采技术的工艺研究， 沿炮采工作面进行扩大转为综采设备安装切眼。传统的炮采转综采技术大都通过 留煤柱，在实体煤中掘开切眼的工艺方法，因开切眼的施工在一个相对稳定的岩 层赋存条件下进行，对于开切眼支护的要求相对较低，国内外有很多成功例子可 供参考，但存在如下几个问题开切眼在炮采工作面全部撤出后进行开展，浪费 大量的人力物力，同时没有保证生产的连续性；在能源日益紧张的今天，另掘开 切眼不仅仅是降低了生产效益，更浪费了资源；随着生产的进行，残留煤住将留 下安全隐患，影响生产。 炮采转综采过程中将会有几个方面需要引起注意巷道顶板岩层倾角大，炮 采工作面顶板冒落矸石在采空区沿工作面倾斜方向的非均匀充填和约束作用，使 得支承压力分布规律和围岩变形、垮落出现非对称性和时序性；工作面上方采空 区内充填不充分，形成顶板大面积悬空, 增加了顶板断裂、垮落的危险性，为巷道 支护带来了困难；开切眼顶板为中厚层状松软泥岩顶板，块状结构, 强度低；在开 切眼收作前采用炮采，冲击扰动作用强烈，加大了顶板破碎程度，泥岩厚度大， 可锚性差，支柱支撑效果差；开切眼空间内的顶板成为大跨度的悬臂顶板，且悬 臂长度远远大于一般的沿空巷道，巷道断面中部易出现断裂；上、下位岩体的不 同步运动造成的离层现象；煤壁处由于应力的集中造成围岩的塑性破坏的问题； 综采技术的应用需要开切眼为沿倾向方向真倾斜巷道，选择合适的炮采工艺是开 切眼工程的前提；开切眼形成后由于其空间结构与传统开切眼不同，如何将综采 支架安装到开切眼，同时回撤支柱，将是个技术难点。 本论文研究是运用理论分析，数值模拟和练习实际，设计出支护技术方案， 来解决综采开切眼围岩稳定性的问题，但是在研究施工方案时，创新性地设计并 使用了如下方案根据沿倾向方向真倾斜开切眼的使用要求，使用了适合其施工 的前期炮采工艺；从裂隙发育、压力分布、矸石垮落情况对炮采工作面施工对围 岩产生的影响进行分析，从而得出最佳综采开切眼施工位置；从矿压、裂隙分布、 围岩移动的角度分析并采用预应力锚杆、锚索、支柱联合支护技术以及分步扩大 开切眼刷帮技术，控制开切眼的顶板下沉量和煤壁变形量，从而限制了开切眼内 的应力集中效应，保障了巷道的稳定性；针对此种特殊的围岩结构，提出综采支 架安装及支柱回拆方案。 针对唐家河煤矿 1811 工作面该地质构造独特的煤层和机械设备的运输状况， 需先进行炮采工艺）然后再运用综合机械化采煤工艺进行作业，以达到经济效益 和社会效益的最大化。在机械化大生产的时代背景下，为了满足社会对能源的迫 切需求，以及对生产力、科学技术提升的需要，同时为了保障生产的连续性，本 重庆大学硕士学位论文 4 文进行了对炮采转综采技术的工艺研究。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内外开采技术的研究现状 矿产资源是人类社会极其重要的物质基础，中国是世界上最早开采和利用天 然矿产资源的国家。在距今 7000 年的辽宁省新乐遗址就发现了近 100 件精磨而成 的煤制品；在公元前 500 多年的春秋战国时期，煤炭已经成为一种重要产品。并 且我国在 3000 多年前已具有一定矿产的开采规模，西汉时期，河北、山东、湖北 开采铁、铜、煤等矿产已经具有一定规模。19 世纪末以后，由于爆破器材和提升、 运输、排水设备的使用，开始了我国近代采矿业的发展。1949 年以来，开始了我 国现在采矿业的发展，