急倾斜煤层采空区覆岩稳定性预测研究.pdf

硕 士 学 位 论 文 急倾斜煤层采空区覆岩稳定性预测研究 Study on Goaf Strata Stability Prediction of Steeply Inclined Coal Seam 申请人姓名 高建强 指 导 老 师 来兴平 专 业 名 称 采矿工程 研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 西安科技大学 二〇一四年 六 月 万方数据 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权单位属于西安科技大学。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用阴影、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位 为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 万方数据 II 论文题目急倾斜煤层采空区覆岩稳定性预测研究 专 业采矿工程 硕 士 生高建强 签名 指导教师来兴平 签名 摘 要 针对急倾斜煤层开采后，地下形成了大面积的采空区，而采空区覆岩的动力失稳很 容易演化成动力灾害事故。这给人民的生活和煤矿的安全开采造成了很大的影响。所以 对采空区覆岩变形、破坏特征及对其稳定性进行准确预测预报显得尤为重要。同时，可 以根据准确的预测结果，制定出合适的采空区治理方案。 本文以新疆乌东煤矿640 水平 43煤层回采工作面及采空区覆岩的稳定性和地表 塌陷为研究对象， 结合该区域的地质背景及工程地质勘测成果， 应用物理相似模拟实验， 分析了工作面开采过程中采空区覆岩移动变形规律、“三带”变化特征以及对采空区进行 及时充填能够有效的起到减缓顶板下沉量，阻止顶板断裂和覆岩内裂隙发育的效果；并 选用了先进的 SIR-20 专业型高速地质雷达光谱地磁探测技术，准确探测出采空区覆岩 中存在的空洞及含水层所在位置；然后，采取在不同尺度、不同加载模式下进行试验的 研究方法，进行损伤定量化分析与预测研究，基于有限元数值模拟实验，选择合适的本 构模型， 总结出了采空区的变形破坏特征、 岩体受到的正应力分布以及位移场演化特征； 最后，通过不同地段采空区覆岩的特征，制定出优选的采空区治理方案。 这样， 就从深层次更科学地建立了一套关于采空区覆岩失稳破坏的“预计-分析-识别 -监测-治理”体系，用于加强对采空区覆岩稳定性的科学研究和监测控制。 关 键 词急倾斜煤层；采空区覆岩；数值模拟；地质雷达探测；采空区治理 研究类型应用研究 本研究得到国家自然基金重点项目No.U1361206、 陕西省重点科技创新团队计划项目No.2013KCT-16和新疆维吾尔 自治区科技支持计划项目No.20143120资助 万方数据 Subject Study on Goaf Strata Stability Prediction of Steeply Inclined Coal Seam Specialty Mining Engineering Name Gao Jian-qiang （（Signature）） InstructorLai Xing-ping （（Signature）） ABSTRACT In view of the following in the mining of deeply inclined coal seam, underground s a large area of goaf, and instability of strata of the goaf evolves into dynamic disaster accident easily. This has caused very great influence to the peoples life and the safety operation of the mine. So accurate prediction is very important on the deation, failure characteristics and stability of the strata of the goaf. At the same time, people can make the treatment scheme of goaf according to the accurately predict results. This thesis, taking Xinjiang Wu Dong mines 640 level 43 coal seam working face and goaf stability of overlying strata and surface subsidence as the research object, combined with the regional geological background and geological survey results. The application of physical analog simulation experiment, analysis of working face goaf strata movement regularity in the process of mining, “three zones“ variation characteristics, and whether filling the goaf in time can slow down the roof subsidence, to prevent roof fracture and the effect of overburden fracture; And selecting the advanced SIR - 20 geomagnetic spectrum apparatus of the geological radar detecting technique, accurately detect the goaf existed in the overlying rock hole and the position of the aquifer is located; Then based on the finite element numerical simulation, choosing a suitable constitutive model, its premise is to take different scales, different load model experiment research s, damage quantitative analysis and prediction research, analysis of deation and failure characteristics of goaf and the normal stress distribution and displacement field evolution characteristics of rock mass; finally, through the different location of the goaf strata characteristics, optimization of harnessing scheme is established. It can establish a set of “expected-analysis-identification-monitoring-governance“ system about instability and failure of the goaf strata more scientifically, to strengthen scientific research and monitoring and control of the stability of goaf strata. 万方数据 II Key wordssteeply inclined coal seam; strata of the goaf; the numerical simulation; geological radar detection; goaf governance Thesis Application Study 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景和意义 .......................................................................................................... 1 1.1.1 研究背景 ........................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ........................................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................... 2 1.2.1 采空塌陷定义与形成机制 ............................................................................... 2 1.2.2 采空覆岩稳定性预测研究现状 ....................................................................... 4 1.2.3 采空覆岩稳定性评价研究进展 ....................................................................... 5 1.3 研究基本内容与目的 .................................................................................................. 6 1.3.1 基本内容 ........................................................................................................... 6 1.3.2 研究目的 ........................................................................................................... 7 1.4 研究方案和技术路线 .................................................................................................. 7 1.4.1 研究方案 ........................................................................................................... 7 1.4.2 技术路线 ........................................................................................................... 7 2 乌东煤矿地质环境及采空区变形失稳特征 ......................................................................... 9 2.1 乌东煤矿环境地质背景 .............................................................................................. 9 2.2 乌东急斜煤层采空区变形失稳特征 ........................................................................ 11 2.3 采空区变形失稳影响因素 ........................................................................................ 11 2.4 诱发采空区顶板事故的原因 .................................................................................... 12 2.4.1 冒顶机理分析 ................................................................................................. 12 2.4.2 断层破碎带产状及压力分布 ......................................................................... 13 2.5 采空区覆岩变形失稳模式 ........................................................................................ 13 3 乌东煤矿采空区覆岩变形失稳的物理相似模拟 ............................................................... 15 3.1 概述 ............................................................................................................................ 15 3.2 物理相似模拟实验原理 ............................................................................................ 15 3.3 模型的建立 ................................................................................................................ 15 3.4 实验现象分析 ............................................................................................................ 17 3.5 覆岩变形垮落声发射数据分析 ................................................................................ 20 3.5.1 声发射监测原理 ............................................................................................. 20 3.5.2 声发射数据结果分析 ..................................................................................... 20 3.6 本章小结 .................................................................................................................... 23 万方数据 目 录 II 4 采空区覆岩应力分布特征 ................................................................................................... 25 4.1 乌东煤矿采空区覆岩变形的数值模拟 .................................................................... 25 4.1.1 计算方法简介 ................................................................................................. 25 4.1.2 计算模型的建立 ............................................................................................. 25 4.1.3 本构方程 ......................................................................................................... 26 4.1.4 力学参数的选取 ............................................................................................. 26 4.1.5 数值模拟的计算程序 ..................................................................................... 27 4.2 数值模拟计算结果分析 ............................................................................................ 27 4.2.1 开采过程围岩应力场演化特征分析 ............................................................. 27 4.2.2 回采过程围岩位移场演化特征分析 ............................................................. 30 4.3 本章小结 .................................................................................................................... 32 5 采空区覆岩稳定性地质雷达探测 ....................................................................................... 33 5.1 概述 ............................................................................................................................ 33 5.2 工作原理 .................................................................................................................... 33 5.3 现场监测方案 ............................................................................................................ 35 5.4 地表探测线布置及结果分析 .................................................................................... 35 5.4.1 地表探测线布置 ............................................................................................. 35 5.4.2 地表探测结果分析 ......................................................................................... 36 5.5 井下探测线布置及结果分析 .................................................................................... 38 5.5.1 井下探测线布置 ............................................................................................. 38 5.5.2 井下探测结果分析 ......................................................................................... 39 5.6 本章小结 .................................................................................................................... 40 6 乌东煤矿采空区治理方案 ................................................................................................... 41 6.1 概述 ............................................................................................................................ 41 6.2 采空区覆岩结构特征分析 ........................................................................................ 41 6.3 采空区覆岩治理方案 ................................................................................................ 41 6.3.1 顶板处理方案 ................................................................................................. 42 6.3.2 采空区覆岩注浆处理方案 ............................................................................. 43 6.4 本章小结 .................................................................................................................... 44 7 结 论 ................................................................................................................................... 45 参考文献 .................................................................................................................................. 46 致 谢 ...................................................................................................................................... 50 附 录 ...................................................................................................................................... 51 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景和意义 1.1.1 研究背景 我国是世界上煤炭资源相对丰富的国家，不仅储量大，种类全，而且赋存条件也多 种多样。在全国范围内，就煤层厚度来说，煤厚大于 5.0m 以上的煤层占总储量的 45， 分布在全国 15 个省 46 个煤业集团。就倾角而言，赋存角度大于 45 的煤层是急倾斜煤 层。急斜煤层的储量与产量在我国都不超过 5。新疆煤炭产量虽然在我国的总产量中 占的比例较低，但是新疆煤炭的预测储量18180 亿吨占我国总预测储量55600 亿吨的 近 1/3，是我国的战略性资源储备区[1]。随着我国经济建设的快速发展，也加大了对煤 炭资源的开采力度，这样就不可避免的造成了大规模、大面积的采空塌陷区。然而，矿 山的塌陷从孕育、形成、发展到成灾的非线性动力学过程和预测将是重大的研究难题， 保证可持续高产高效生产的量测和监测基础研究以及关键技术的前期研究， 是一个非常 重要的问题。采空区动力失稳很容易演化为动力灾害，其本质属于裂隙岩体介质的基本 动力学性质及其稳定性问题，这是目前矿山开采中所面临的最大技术难题[2]。 图 1.1 采空塌陷区 本文以新疆乌鲁木市乌东煤矿为研究对象，该矿隶属于神华新疆能源有限责任公 司，矿区赋存煤层大多为急倾斜特厚煤层，倾角大多为 45 左右，且开采历史悠久，长 期的地下开采导致该地区出现环境地质问题，如水源枯竭，地表下沉、塌陷，植被破坏 等，特别是地下形成了大量的采空区，该区域是导致采空塌陷的高风险区。乌东煤矿采 空区变形失稳特征及形成机理比较复杂，地表特征明显，具有很强的代表性。而且，该 矿采空区目前处于持续变形阶段，为了保证煤矿可持续安全生产能够顺利实施，必须了 解采空区的分布特征，变形、破坏特征以及覆岩的稳定性评价，并采取有效的预测评估 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 措施，以达到好的治理效果，为该地区类似工程提供一些有价值的参考[3]。 1.1.2 研究意义 近年来，由于采空区的大量存在，如果不及时进行研究与治理，很容易造成采空区 的大面积弯曲变形，进而演变为动力灾害破坏，这是煤矿开采中普遍存在的一个严重问 题。例如陕西神榆矿区、甘肃窑街矿区、宁夏石嘴山矿区、铜川矿区、靖远矿区等地。 就采空区失稳、 破坏情况来看， 由于复杂的煤岩赋存条件、 开采规模和强度的急剧增大， 形成的采空区覆岩在开采扰动（力）破坏的作用下，产生动力耦合作用频繁，采空区覆 岩内产生裂纹、断裂或突然坍塌，且具有很大的冲击性，从而造成灾害性破坏甚至灾难 发生。所以本课题拟在从深层次更科学地探求灾害发生的原因，建立一套采空区覆岩失 稳破坏的“预计-分析-识别-监测-治理”体系， 用于加强对矿山采空塌陷及覆岩稳定性评价 的科学研究，便于指导和采取适当的方法进行预防和控制。 1.2 国内外研究现状 国外针对急倾斜煤层的开采主要集中在前苏联地区，同时在德国、法国、西班牙、 印度等国家也有一些开采矿井。在上世纪 70 年代到 80 年代中期，前苏联对急倾斜煤层 开采技术的研究比较系统，也具有较高的水平，特别是针对岩层移动而提出了“三带”理 论，使人们对覆岩岩层移动的过程有了全面的认识，但这一理论还不能充分揭示急倾斜 煤层采空区上覆岩层移动模式。 1.2.1 采空塌陷定义与形成机制 采空塌陷是一个复杂的地质力学和地质体变形的过程，是指地下矿产采出后，采空 区覆岩的力学平衡系统被打破，其围岩变形失稳产生位移、开裂、破碎垮落，直至上覆 岩土层整体弯曲、下沉所引起的地表变形与破坏。按矿产开采的时间可分为老采区、现 采区和未采区；按开采矿产的不同，可大致分为煤矿采空区、金属矿采空区和非金属矿 采空区；按其目前稳定状态，可分为稳定采空区、极限平衡采空区及不稳定采空区[4]。 矿山采空区变形与破坏的研究从岩体稳定性研究向极端灾害的非线性动力过程的预测 预报及防治过渡。 从二十世纪 20 年代开始，前苏联、德国、波兰、澳大利亚、美国、加拿大、日本 等国家就已经把采空区塌陷理论作为一门学科进行了系统、深入的研究[5-9]。总结出采 空塌陷具有潜伏性、突发性、累进性、复活性和转化性等特性[10]。当不考虑外界因素分 为自然地质环境因素和人类活动两大类，自然环境因素主要为煤层厚度、煤层倾角、埋 深、覆岩岩性、水文地质特征及构造等；人类活动影响主要指采煤方法、采场布置、开 采强度、采空区处理等[11-13]。开采强度、矿层厚度及埋藏深度等都是影响采空区变形失 万方数据 1 绪论 3 稳的主要因素，在其它条件不变的情况下，开采强度、厚度、采场分布密集程度与变形 失稳发生的概率呈正比，采场影响半径与其矿层埋深呈正比，采空区的变形失稳与采煤 方法也有密切关系，比如德国等一些国家边开采边充填固体废物，有效防止了采空去弯 曲下沉，同时也充分利用了开采后的空间[14]。 对于采空区变形失稳的成因机制，国外的学者提出了拱形冒落论、压力拱假说、悬 臂梁（板）冒落论、冒落岩块碎胀充填论以及冒落岩块铰接论等四种理论[15]。 拱形冒落论是前苏联的 M.M 普罗托吉亚科夫于 1907 年提出的， 德国人哈吉列策尔 于 1928 年提出了压力拱假说，补充说明了拱形冒落的假说。该假说借用巷道顶板的成 拱作用,认为采掘时在地下的岩层中形成了空间，引起覆岩冒落形成一个近似拱形的顶。 但是在顶板和底板所形成的压力拱， 将随着工作面不断推进而扩大,直到拱顶达到地表为 止。压力拱的拱形冒落假说基本上符合坚硬且结构简单的覆岩地层，但是这两种学说实 际上只适用于解释掘进坑道和跨度较小的采空区塌陷， 却很难解释大面积采空区覆岩破 坏和冒落的实际情况。 悬臂梁板冒落论由德国的舒尔茨和施托克于 20 世纪 40 年代提出。该假说将工作 面和采空区上方的顶板看成是梁或板，初次冒落后，一端固定在前方的岩石上，只发生 弯曲而不折断。当悬臂梁板长度悬伸很大时，便发生周期性的折断，造成周期性的冒 落。悬臂梁板冒落论符合大面积回采所引起的顶板冒落情况，该论点至今仍在应用。 冒落岩块碎胀充填论认为，冒落的岩块可以自然碎胀，用于充填采空区空间，因而 限制了顶板冒落的发展，趋向于稳定状况。实际上,悬臂梁板冒落论和冒落岩块碎胀充 填论可以相互配合，解释长臂式采煤工作和大面积覆岩破坏的情况。 冒落岩块铰接论是由前苏联的库兹涅佐夫在 20 世纪 50 年代初期提出， 他主张工作 面上覆岩层塌落时，其上部的规则移动带的岩石块互相保持一定的联系，铰合成多环节 的铰链，在采空区上方规则下沉。覆岩下部不规则垮落带，可以进一步分成底部杂乱无 章的部分，以及其上的垮落较为规则并保持原方向的部分。 在我国，对于采空区变形失稳成因机制的研究是建国初期才开始的，但是近几十年 来发展迅速。20 世纪 50 年代我国开始了岩层移动与变形的研究工作，在采场矿山基础 理论方面取得了长足的进步。我国学者在国外学者研究的基础上，发展了冒落岩块铰接 论，提出了“砌体梁平衡”说和“假塑性梁”理论。 砌体梁平衡说认为在采场内，断裂带的影响比较大，断裂带破断之后的岩块形状如 同砖石结构的砌体，所形成的平衡结构称为“砌体梁”，实际上是一种拱的结构。在开采 之后，覆岩断裂带的岩层分为三个区，即矿壁支撑区、离层区和重新支撑区。每层的结 构是靠各个破断岩块之间，由于水平挤压所引起的摩擦力来保持平衡的。 “假塑性梁”理论认为地下煤炭的开采破坏了原有岩体中的应力平衡，随着开采工作 面的不断推进，采空区的面积增加，覆岩在自重的作用下，一般沿岩层面法线方向产生 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 弯曲。当弯曲岩层的底部悬露到一定跨度时，即弯曲量达到一极限值。这时在靠近煤壁 端岩层的上表面首先产生开裂，继之，在跨度中央、岩梁层的下表面也发生开裂，形 成“假塑性梁”。当梁的最大下沉值超过了“假塑性梁”的许可沉降值时，悬露部分便自行 冒落。 1.2.2 采空覆岩稳定性预测研究现状 在国内，谢和平院士、蔡美峰院士、王家臣教授和王金安教授已对开采与失稳问题 进行了研究，内容涉及坚硬特厚煤层放顶煤开采损伤预测，金属矿山坚硬岩石失