厚煤层综放开采覆岩灾变规律研究.pdf

论文题目厚煤层综放开采覆岩灾变规律研究 专 业采矿工程 硕 士 生雷武林 （签名） 指导教师余学义 （签名） 摘 要 近年来，随着矿井开采规模和深度的逐渐增加，一些矿井的冲击矿压动力灾害事故 频繁出现，严重影响矿井的生产安全。因此，揭示煤层开采后采场出现强烈矿山压力显 现的形成机制，采取有效措施弱化和控制矿山压力显现强度，对矿井安全采煤具有十分 深远的意义。 论文以华亭矿区为背景，以砚北煤矿为主要研究对象，在分析矿井地质采矿条件的 基础上，首先分析给出了引起覆岩灾变的主要影响因素为向斜构造、开采深度、采煤方 法、煤柱尺寸和开采顺序等；其次应用物理相似材料模拟实验和数值模拟方法研究了开 采覆岩破坏运移过程和采场矿山压力显现之间的关系， 结果表明单一工作面开采后覆岩 组合关键层具有很好的控制作用， 第二个工作面开采后覆岩组合关键层达到了极限承载 宽度，发生断裂破坏并释放较大能量，但自身结构并未失稳，第三个工作面开采后覆岩 组合关键层结构失稳，引发强烈冲击矿压发生。并通过实验数据观测对比分析，给出了 采用合理的工作面开采宽度、减小区段煤柱尺寸以及合理开采布局等方法能够有效地分 期释放覆岩结构失稳产生的动能，降低冲击矿压危害程度；再次结合岩层控制理论对冲 击矿压的形成和覆岩移动变形规律、覆岩结构演化过程的相互关系进行了分析，揭示了 砚北煤矿冲击矿压是褶曲构造的高地应力场和覆岩重力场共同作用的结果；最后，综合 分析提出了限高开采、窄煤柱无煤柱开采、合理的开采顺序、开采布局和卸压爆破、煤 层注水、钻孔卸压等减缓覆岩灾害强度的防御与主动解危措施。 关键词综放开采 覆岩结构 复合关键层 冲击矿压 地表沉陷裂缝 研究类型应用研究 本文得到教育部博士点基金项目（20106121110003） ，陕西省自然科学基金项目 （2011JY005）资助 万方数据 Subject The research of thick seam fully mechanized mining the overlying strata disaster law Specialty Mining Engineering Name Lei Wulin （（Signature）） InstructorYu Xueyi （（Signature）） ABSTRACT Recently, rockburst accident frequently occurs at some coal mines as the mining capacity and depth keep increasing, which seriously affects mine safety. Therefore, it is of great significance to reveal the mechanism by which intense strata pressure produces after the excavation of the coal seam, and employ effective action to weaken and control the strata pressure intensity. This thesis, which is based on Huating mine area with Yanbei coal mine being the research object, firstly demonstrated that the major influencing factors which result in overburden catastrophe are syncline structure, mining depth, mining , pillar size and mining sequence after analysing the geology condition. Secondly the relationship between strata pressure in the stope and the movement of overburden failure was studied by conducting physical simulation experiments in the laboratory and numerical modelling. The results indicated that the combinatorial key stratum did not fail and did well in terms of controlling the overburden after the first mining face was excavated, while the combinatorial key stratum was fractured and great energy was released as its maximum load bearing width was reached after the excavation of the second mining face. And when the third mining face was excavated structure instability of the combinatorial key stratum occurred, leading to intense rockburst. Then, by the means of the analysis of the experiment result, it was pointed out that reasonable mining face width, decreased pillar size and logic mining layout contributed to the staged release of the energy from structure failure of the overburden, eventually decrease the damage degree of the rockburst. The study also analysed the relationship among overburden movement and deation law, ation of rockburst and the evolution of overburden structure by the use of strata control theory, indicating that the rockburst at Yanbei coal mine was result from the gravity of overburden and high crustal stress. Lastly, the study proposed the actions which include mining with a limited height, mining with narrow pillar or without pillar, reasonable mining sequence and layout, 万方数据 pressure-release-blast, coal seam water injection and pressure-release-drill to weaken the damage of overburden failure. Key Words sub-level caving mining;overburden structure; key stratum; impulsion pressure; ground fissure Thesis application research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ............................................................................................................................................. 1 1.1 选题背景及研究意义 ...................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................. 2 1.2.1 采场上覆岩层结构理论 ....................................................................................... 2 1.2.2 厚煤层综放开采研究现状 ................................................................................... 4 1.2.3 厚煤层综放开采采动损害研究 ........................................................................... 6 1.3 研究的主要内容 .............................................................................................................. 8 1.4 研究方案及技术路线 ...................................................................................................... 8 2 矿区概况 ................................................................................................................................... 10 2.1 矿区地质 ......................................................................................................................... 10 2.1.1 地层岩性 .............................................................................................................. 10 2.1.2 地质构造 .............................................................................................................. 11 2.2 矿区煤层赋存及开采特殊性 ....................................................................................... 14 2.3 煤层上覆岩层结构类型及特点 ................................................................................... 15 2.3.1 覆岩结构类型 ...................................................................................................... 15 2.3.2 覆岩结构作用分析.............................................................................................. 15 2.4 本章小结 ......................................................................................................................... 16 3 覆岩结构破坏特征相似材料模拟实验 ................................................................................. 17 3.1 实验相似条件及原理 .................................................................................................... 17 3.2 自重应力条件下相似材料模拟实验 ........................................................................... 18 3.2.1 实验对象 .............................................................................................................. 18 3.2.2 实验目的 .............................................................................................................. 18 3.2.3 实验模型构建 ...................................................................................................... 19 3.2.4 模拟实验方法 ...................................................................................................... 21 3.2.5 实验数据的整理 .................................................................................................. 21 3.2.6 模型的开采与观测.............................................................................................. 22 3.3 构造应力条件下相似材料模拟实验 ........................................................................... 27 3.3.1 实验对象 .............................................................................................................. 27 3.3.2 实验目的 .............................................................................................................. 28 3.3.3 实验模型构建 ...................................................................................................... 28 3.3.4 模拟实验方法 ...................................................................................................... 30 万方数据 目 录 II 3.3.5 实验数据的整理 .................................................................................................. 31 3.3.6 模型的开采与观测.............................................................................................. 31 3.4 实验结果分析 ................................................................................................................ 36 3.4.1 250204 工作面开采实验现象对比分析 ............................................................ 36 3.4.2 250205 工作面开采实验现象对比分析 ............................................................ 37 3.4.3 250206 工作面开采实验现象分析..................................................................... 39 3.4.4 覆岩结构破坏分析.............................................................................................. 40 3.5 本章小结 ......................................................................................................................... 41 4 覆岩结构破坏特征及移动规律数值模拟实验..................................................................... 42 4.1 数值计算分析软件 FLAC3D 简介 .............................................................................. 42 4.2 数值计算的目的 ............................................................................................................ 42 4.3 模型的建立..................................................................................................................... 43 4.3.1 力学模型的选择 .................................................................................................. 43 4.3.2 几何模型的建立 .................................................................................................. 44 4.3.3 边界条件的确定 .................................................................................................. 44 4.3.4 岩体物理力学参数的选取 ................................................................................. 45 4.3.5 模型的开挖 .......................................................................................................... 46 4.4 数值模拟结果分析 ........................................................................................................ 47 4.4.1 不同煤柱宽度的围岩破坏场分析..................................................................... 47 4.4.2 10m 煤柱时围岩破坏场和应力场分析 ............................................................. 48 4.5 本章小结 ......................................................................................................................... 50 5 覆岩灾变的机理及防治 .......................................................................................................... 51 5.1 矿区地质及开采条件的特殊性 ................................................................................... 51 5.2 覆岩结构演化规律及特征............................................................................................ 51 5.2.1 覆岩关键层的破断及运动规律 ......................................................................... 51 5.2.2 覆岩结构演化过程.............................................................................................. 53 5.3 冲击矿压破坏情况与分析............................................................................................ 53 5.3.1 现场冲击矿压破坏情况 ..................................................................................... 53 5.3.2 冲击矿压能量来源分析 ..................................................................................... 57 5.4 地表沉陷裂缝分布特征与形成机理 ........................................................................... 58 5.4.1 地表沉陷裂缝分布特征 ..................................................................................... 58 5.4.2 地表沉陷裂缝形成机理 ..................................................................................... 62 5.5 覆岩灾变的防治措施 .................................................................................................... 64 5.5.1 减缓覆岩灾变程度的开采技术措施 ................................................................ 64 万方数据 目 录 III 5.5.2 减缓覆岩灾变程度的其他技术措施 ................................................................ 65 5.6 本章小结 ......................................................................................................................... 65 6 结论 ........................................................................................................................................... 66 致 谢 ........................................................................................................................................... 67 参考文献 ....................................................................................................................................... 68 附 录 ........................................................................................................................................... 71 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 矿产资源是人类赖以生存、社会赖以发展的物质基础，其作用在国民经济与社会发 展中具有不可替代性。煤炭作为我国的主要能源，在国民经济建设中具有重要的战略地 位。根据国土资源部报告统计2003 年中国煤炭产量 17.22 亿吨，2007 年中国煤炭产量 25.26 亿吨， 2009 年中国煤炭产量 29.73 亿吨， 2012 年全国煤炭开采量达 36.6 亿吨之多， 近十几年，中国煤炭产量呈递增的趋势。统计分析出我国近十年对煤炭的总需求量持续 增高的状态，预计到 2050 年在我国一次能源消费结构中，煤炭仍将占有 50以上，始 终处于主体地位。因此，在未来五十年内，我国一次能源生产和消费以煤炭为主的格局 不会改变。在此形势下，煤炭资源的开采无疑成为我国经济稳定、持续、快速发展的前 提条件。 我国厚煤层储量极为丰富，约占已探明煤炭储量的 44左右，厚煤层产量也占到了 煤炭总产量的 40以上[1]。目前，我国厚煤层开采普遍采用的是综合机械化放顶煤开采 方法。综放开采具有掘进率低、效率高、适应性强及易于实现高产高效等优势，特别适 合我国厚煤层储量丰富，地质条件复杂多变的基本国情，因此综放开采在我国得到了迅 速发展，目前己成为许多矿井实现高产高效的主导采煤技术。因此，实现厚煤层的高产 高效开采对满足国家对煤炭的需求具有举足轻重的作用[2]。 然而综放开采工艺使采场的上覆岩层活动规律及结构特点发生了较大的变化，造成 了明显的矿压凸现。另外，综放开采煤炭的一次开采厚度加大，开采强度也随之增加， 采动破坏影响程度明显加剧，开采带来的矿山灾害、工程及环境损伤也是无法回避的现 实问题[3]。与此同时，随着我国矿井开采规模和深度的逐年增加，以冲击矿压、透水、 冲击矿压、顶板大面积来压、热害为代表的深部开采诱发的灾害事故更具突发性和破坏 性。其中，冲击矿压作为采矿活动引诱发生的一种强烈破坏性冲击矿压，以其突然、急 剧、猛烈的破坏性严重威胁着矿井的正常安全生产，并给我国煤矿造成了巨大的经济损 失和人员伤亡[4]。许多原来没有发生过冲击矿压的矿井，现在也开始发生；原来发生过 冲击矿压的矿井，现在冲击矿压致灾的强度也越来越大，强度越来越高。更危险的是， 冲击矿压的发生还可能诱发煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸、顶板事故等其它重大井下恶性事 故。甚至，较强烈的冲击矿压或冲击矿压还会引起地表强烈震感、地表沉陷裂缝、地表 塌陷或地面建筑物的严重破坏。如何合理正确利用煤炭资源，如何把开采所带来的负面 效应降到最低，是我们所面临的最重要的一个问题。 华亭煤田处于鄂尔多斯地块的西南缘，六盘山褶皱带东侧，位居我国大地构造东西 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 分区的枢纽地带。在区域构造上位于城子里-华亭-下关向斜之中段，即华亭复式向斜， 基本形态是两头弯曲的纺锤形。该区主要构造线方向以 NW 向压扭性断裂为主干，井田 的基本形态有单斜、背斜和向斜，受构造影响，煤层倾角浅部较陡，为 40 ～60 ，深部 较缓，为 5 ～25 ，受强烈的地质作用影响，井田内煤体呈现较严重的压性脆裂破坏特 征。 甘肃省华亭矿区煤炭资源十分丰富，煤层厚度大，层位稳定，结构简单，煤质优良。 近年来，随着开采强度的增大和采深的增加，华亭矿区频繁出现强烈的矿压显现和动力 灾害事故，严重影响矿井生产和人身安全；开采沉陷诱发地表沉陷裂缝、塌陷坑、山体 滑坡等灾害，严重威胁矿区的生态环境和建筑物的安全使用。因此，如何在复杂的煤层 赋存地质条件下，采用相应的采煤工艺及安全技术措施，安全高效地开采煤炭资源，是 煤炭开采关键所在。 论文选题就是基于这样的工程背景，从华亭矿区的生产实际需要出发，与科研工作 密切结合，应用岩层控制的关键层理论，深入研究覆岩关键层结构、覆岩移动变形规律 及矿山压力显现规律，在搞清形成机理的基础上确保回采工作面安全高效生产。对整个 华亭矿区乃至全行业同类矿井的覆岩灾变防治起到一定的促进作用。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 采场上覆岩层结构理论 地下煤层开采后上覆岩层移动变形将会形成新的结构， 该结构的形态和稳定性不仅 可直接决定顶板的运动特征，而且会直接影响到综采工作面支架受力的大小、性能及参 数的选择，同时也将决定了煤层开采后上覆岩体内产生的节理裂隙、离层的分布规律和 地表沉陷形态。由于我国采矿条件复杂，根据不同采矿条件下开采煤炭的现场经验，国 内专家提出了一些相对应的掩护结构的模型，用来解释各种矿山压力显现现象，作为设 计采场、巷道的支护形式的依据，从而产生了多种多样的矿压理论。我国很多矿山压力 方面的专家经过多年的理论研究和现场实践， 已经逐渐形成了具有一定特色的岩层控制 与矿山压力方面的理论体系[5]。 （1）“砌体梁”理论 我国学者钱鸣高院士在分析铰接岩块假说和预成裂隙梁假说的基础上，结合大屯孔 庄矿煤层开采后覆岩移动变形观测资料， 研究了裂隙带岩层可能形成的结构和该结构的 平衡条件，提出了地下煤层开采后覆岩呈砌体梁式平衡结构的力学模型[6]。“砌体梁”理 论认为采场上覆岩层的新形成岩体结构主要是由多个坚硬岩层组成的， 其每一个分组中 的软岩可当做坚硬岩层上的载荷，该结构具有滑落失稳和回转变形失稳两种形式。其研 究的主要意义在于 覆岩结构形态与平衡条件对于论证采场矿山压力具有很好的指导意 万方数据 1 绪论 3 义和理论基础。钱鸣高、缪协兴深入研究给出了砌体梁全结构模型，并且对全结构模型 从力学方面做了进一步的分析， 获得了砌体梁结构的形态和受力的理论解以及砌体梁结 构排列的拟合曲线[7]。 （2）岩板及弹性基础梁（板）理论 由于“砌体梁”结构的研究是仅限于采场中部覆岩沿走向的二维平面问题，随着对采 场矿山压力的不断深入研究，尤其是基本顶来压预测预报的飞速发展，需要对基本顶做 更深入的研究。在坚硬顶板采场，太原理工大学的贾喜荣教授首先将基本顶岩层假定为 四周为各种支撑条件下的“薄板”问题，然后研究了基本顶的破断位置、基本顶的断裂规 律以及基本顶断裂前后煤岩体内的应力变化规律[8]。钱鸣高院士的团队又提出了上覆岩 层断裂破断前、后的弹性基础梁模型[9]。该理论不仅证明了“反弹”机理，而且给出了算 例， 同时提出了在各种不同支撑条件下的 Winlder 弹性基础上的 kichhof 板力学模型， 又 利用基本顶岩层形成的砌体梁结构前的连续介质力学模型得出了顶板断裂的模型和机 理[10-12]。该理论对于“砌体梁”结构理论的发展有很非常重要的意义，而弹力中的“薄板” 理论则很难分析上覆岩层结构的变化。 （3）传递岩梁理论 宋振骐院士带领其团队在大量的现场观测数据与矿压理论研究的基础上，提出了 “以岩层运动为中心的矿山压力理论体系”，该理论认为采场覆岩中除了临近煤层的采空 区已冒落岩层外，其它上覆岩层均保持着“假塑性”状态，其两端由煤体支承，或者一端 由工作面前方的煤体支承，另一端由采空区的矸石支承，在推进方向上始终保持着传递 力的关系。把每一组同时运动（或近乎同时运动）的岩层看成是一个运动整体，称为“传 递力的岩梁”，简称“传递岩梁”[13-14]。 传递岩梁理论的重要贡献在于 揭示了煤层开采后岩层运动规律与采场支承压力变 化的相互关系，并且明确提出了内、外应力场的观点。以该理论为基础，得出了系统的 采场矿山压力预测预报的手段，提出了“限定变形”和“给定变形”为基础的