急倾斜特厚煤层动压巷道围岩稳定性研究.pdf

硕 士 学 位 论 文 急倾斜特厚煤层动压巷道围岩稳定性研究 Stability Research on Rock-mass of Dynamic Roadway in Steeply Thick Coal Seams 申请人姓名 张特华 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 2 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 论文题目急倾斜特厚煤层动压巷道围岩稳定性研究 专 业采矿工程 硕 士 生张特华 签名 指导教师来兴平 教授 签名 摘 要 急倾斜特厚煤层动压巷道围岩稳定性是制约安全高效开采的难题之一。 本文以神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿南采区501 水平急倾斜特厚煤层动压 巷道为研究对象，通过室内岩石力学实验与数值模拟计算得出了该矿井煤岩体应力分布 特征以及在不同推进情况下巷道发生失稳的机理， 结合室内实验数据与现场的具体情况， 采用声发射、地质雷达、钻孔电视等综合手段对开采巷道进行了探测，通过 GIS 平台综 合分析，确定了巷道失稳的区域。 研究表明，急倾斜煤层综放开采过程中，巷道在开采扰动区内围岩损伤程度、破坏 强度与幅度、围岩变形、垮落十分明显，周期来压显现强烈。由于煤层开采过程中顶板 岩层移动和应力场分布的不均匀性以及受采动持续影响，急倾斜特厚煤层开采时巷道围 岩失稳倾向明显， 局部区域易产生动力学破坏。 划定501B3-6综采面 1660-1720m 回采区、 501B1-2综采面 1643-1701m 回采区为围岩失稳区域。采用了注水软化、 钻孔泻压防治措 施，应用效果明显。 本研究成功保证了急倾斜特厚煤层巷道围岩的稳定和工作面顺利推进，对同类条件 的特厚煤层安全开采具有有一定借鉴意义。 关 键 词急倾斜煤层；动压巷道失稳；监测预报；GIS；综合分析 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 ABSTRACT Rock-mass stability of roadway with sectional top-coal caving is one of prerequisite to safety excavation in steeply coal seams. According to 501 roadway in Wudong colliery， belongs to Shen Hua-Xinjiang Energy Cor. Ltd， the research was carried out to analyze the dynamical and evolutional rule in steeply thick coal seam. Through rock mechanics experiments and numerical simulation， stress distribution of rock-mass and instability mechanism with different advancing amount were gotten. Based on site monitoring， a comprehensive monitor system and prevention program， aiming at rock-brust，were proposed. It was obviously that the roadway rock-mass in disturbed zone occurred high injury degree and large deation of top-coal caving of steeply thick coal seam. Because of Inhomogeneity of overburden movement and stress distribution， roadway appeared a clear tendency and roof borne a higher stress， coMPared with floor， during the excavation of steeply thick coal seam. Stress concentration region ranged from 1660-1720m and 1643-1702m was ensured and needed to be taken more consideration. While， a specific pressure control measures including water softening， drilling relief， additional support was proposed. According to the comprehensive monitoring system and controlling system in steeply thick coal seam， roadway safety was successfully insured during excavation. thus this monitoring and controlling system could been spread in other mines with similar condition. Key wordsSteeply thick coal seam; Dynamic instability; Monitoring prediction; GIS Thesis Application Research Subject Stability Research on Rock-mass of Dynamic Roadway in Steeply Thick Coal Seams Specialty Mining Engineering Name Zhang Tehua （（Signature）） Instructor Lai Xingping （ （Signature）） 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ................................................................................................................................. 1 1.1 研究背景、研究目的及意义 ....................................................................................... 1 1.2 相关研究领域研究现状 ............................................................................................... 2 1.2.1 急倾斜煤层动压巷道国内外研究现状 .................................................................... 2 1.2.2 GIS 技术在煤矿中应用现状 ..................................................................................... 4 1.3 论文的主要研究方法及技术路线 ............................................................................... 5 1.3.1 主要研究内容 ............................................................................................................ 5 1.3.2 技术路线 .................................................................................................................... 5 2 煤岩体力学特性实验 ..................................................................................................... 7 2.1 煤矿地质基本特征 ....................................................................................................... 7 2.1.1 地理位置概述 ............................................................................................................ 7 2.1.2 地质特征 .................................................................................................................... 7 2.1.3 采掘工作面概况 ........................................................................................................ 8 2.2 煤岩体力学特性实验 ................................................................................................... 8 2.2.1 力学实验目的及内容 ................................................................................................ 9 2.2.2 岩样的提取及制作 .................................................................................................... 9 2.2.3 声发射监测原理分析 ................................................................................................ 9 2.2.4 实验方法及数据分析 .............................................................................................. 10 2.7 本章小结 ..................................................................................................................... 14 3 急倾斜动压巷道失稳机理分析 ................................................................................... 15 3.1 动压巷道围岩失稳分析 ............................................................................................. 15 3.1.1 岩体中的原岩应力 .................................................................................................. 15 3.1.2 巷道开挖引起的围岩应力及围岩结构变化 .......................................................... 15 3.1.3 动压巷道的围岩失稳过程分析 .............................................................................. 16 3.2 动压巷道变形破坏机理分析 ..................................................................................... 17 3.3 影响动压巷道稳定性因素分析 ................................................................................. 17 3.4 动压巷道失稳数值模拟分析 ..................................................................................... 18 3.2.1 物理与力学模型构建 .............................................................................................. 19 3.2.2 动压巷道模拟结果分析 .......................................................................................... 19 3.3 本章小结 ..................................................................................................................... 21 4 动压巷道现场监测与分析 ........................................................................................... 23 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 II 4.1 监测区域及方案的确定 ............................................................................................. 23 4.2 冲击危险声发射源定位监测 ..................................................................................... 24 4.2.1 监测原理 .................................................................................................................. 24 4.2.2 监测区域 .................................................................................................................. 25 4.2.3 监测结果及数据整理 .............................................................................................. 25 4.4 冲击危险性地质雷达监测 ......................................................................................... 27 4.4.1 地质雷达监测原理 .................................................................................................. 27 4.4.2 监测区域 .................................................................................................................. 29 4.4.3 监测结果及分析 ...................................................................................................... 29 4.5 应力异常区钻孔电视监测 ......................................................................................... 31 4.5.1 监测原理 .................................................................................................................. 31 4.5.2 监测区域选定 .......................................................................................................... 32 4.5.3 监测结果分析 .......................................................................................................... 33 4.6 本章小结 ..................................................................................................................... 34 5 基于 GIS 的围岩失稳综合评价 ................................................................................... 35 5.1 概述 ............................................................................................................................. 35 5.2 系统设计与模型建立 ................................................................................................. 35 5.2.1 系统设计技术路线 .................................................................................................. 35 5.2.2 数据发分析模型的建立 .......................................................................................... 37 5.2.3 数据整理与录入 ...................................................................................................... 38 5.3 失稳区域综合划定 ..................................................................................................... 39 5.4 现场应用 ..................................................................................................................... 42 5.5 本章小结 ..................................................................................................................... 43 6 结论 ............................................................................................................................... 44 致谢 .................................................................................................................................. 45 参考文献 .......................................................................................................................... 46 附录 .................................................................................................................................. 49 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景、研究目的及意义 在我国实行西部大开发战略以来，能源开发一直占有举足轻重的作用，也是影响西 部大发展的重要因素。我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家，煤炭作为我国的重要能 源，为推动我国的现代化建设提供了重要的保障。随着煤炭开采工业的持续推进，“向西 部要能源”的时代已经全面到来[1]。 急倾斜煤层是指赋存角度为 45 ～90 的煤层，是几亿年来各个聚煤地区古地理基底 不平而形成的，经受不均衡沉降和冲蚀的地壳作用，特别是经受过后期印支运动和燕山 运动数度褶皱、断裂及伴有岩浆活动等影响，煤层形成了急倾斜的埋藏状态。根据我国 目前已经探明的煤田分布情况来看，急倾斜煤田分布范围十分广泛，在我国的西部地区 和北部地区的急倾斜煤层储量明显多于南部地区。开采进入深部以后，急倾斜煤层随着 岩层压力逐渐增大，巷道围岩变形量也称递增趋势，造成严重的支架损坏，巷道的修复 工作量也随之增加，巷道维护也变得十分困难，所以急倾斜煤层巷道围岩的控制已经成 为开采能否顺利进行的重要因素之一。一些在近水平开采中的工程灾害都将在急倾斜开 采中以更加明显的方式表现出来，如巷道变形明显，矿压显现剧烈，采场失稳加剧，冲 击地压聚增，井筒破裂等事故也大量增加，诱发严重安全事故。急倾斜开采对地表生态 环境也往往造成严重损害， 急倾斜巷道技术研究也开始成为采矿界公认的国际性难题[2]。 神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿南采区煤矿（原小红沟煤矿）位于准格尔盆地 南缘，天山山脉下坡中段，乌鲁木齐东北部，距乌鲁木齐市中心 33km，与碱沟煤矿相 邻，行政区域属乌鲁木齐市米东区。井田中心地理坐标为东经 8746′，北纬 4354′。 2013 年 2 月 27 日 7 点 38 分，乌东煤矿南采区500 水平 B3-6综采工作面发生 1 起 冲击地压事件，矿压显现范围工作面煤壁 1959m 向东至第一联络煤门 1750m 段的 B3轨 道巷、B6胶带机巷及煤门都出现了不同程度的底鼓和帮鼓及顶板下沉。其中 B3巷道 1959m-1910m 段顶板下沉 30cm，有 13 根工字钢梁严重变形。1920m-1887m 段巷道南邦 地脚有宽 4-5cm 明显的沟槽。1904m-1750m 段底鼓量约为 20cm，顶板下沉量约为 10-20cm； 1904m-1919m 顶部下沉量 30cm，1925m-1832m 串车区域 17 辆串车被振起掉 道，10 辆串车防护棚掀翻变形。B6巷 1750-1959 m 巷道南侧出现底鼓，抬高 20cm， 1910m-1944m，巷道底鼓较为严重，抬高 30-60cm，顶板下沉量 40-50cm，1959m-1910m 南帮位移 20-60cm，顶板下沉量 30-40cm，北帮位移 20-50cm，转载机桥身段被巷道下沉 煤体压住。1884m 处北帮出现长 3m、宽 1m、深 1.5 没跨冒的空洞。1890m-1845m 皮带 上托辊脱落，位于 1893m-1872m 的 7 副纵梁及 H 架被抬起，向北倾斜；1920m 处，转 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 载机机尾弹出滑道，机身及破碎机向北移动 30cm，超前支护区域 1 根单体折损。地面观 山发现在工作面以南回填物的表面由西向 30m 余出现了较明显的多条裂缝， 此事件未造 成人员伤亡。 2013 年 7 月 2 日凌晨 5 点 08 分，乌东煤矿南采区500 水平 B3-6综采工作面再次发 生一起冲击地压显现事件。500 水平 B3巷冲击显现影响范围 1070m-1450m，其中 1265m-1365m 范围内显现较严重，巷道南帮底角出现底臌，底臌量 20cm-45cm，北帮悬 挂的电缆掉落，固定“U”型钢棚南侧的锚杆位移，位移量 10cm-25cm，托盘崩脱，“U” 型钢棚收缩，收缩量 40cm；巷道帮臌量达到 50cm。500 水平 B6巷冲击地压显现影响 范围 1066m-1272m， 其中 1066m-1100m 范围内冲击地压显现严重， 该范围内巷道南帮帮 臌，帮臌量 50cm-90cm，南帮底角底臌，底臌量 20cm-50cm，南帮高压电缆接线盒掉落， 皮带 H 架轻微变形。475 水平 B6巷冲击地压显现影响范围 1080m-1203m，该范围内巷 道南帮底臌，底臌量 15cm-30cm，南帮出现不同程度的变形，变形量 30cm。 在此条件之下， 本文以神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿南采区501 水平急倾斜 特厚煤层动压巷道为研究对象，通过室内试验、现场监测等综合方法对急倾斜煤层水平 分层开采过程中动压巷道围岩的活动规律、变形机理进行研究。通过室内及现场监测数 据的分析，从理论上对开采巷道围岩稳定性进行综合评价，为现场开采活动中围岩稳定 性的评价提供重要的理论依据，同时在同类煤炭开采中具有重要的借鉴意义。 1.2 相关研究领域研究现状 1.2.1 急倾斜煤层动压巷道国内外研究现状 国内学者对于急倾斜煤层回采巷道的相关领域进行了大量研究工作，成都煤炭干部 管理学院平寿康教授从 20 世纪 80 年代就开始致力于急倾斜煤层开采工作面的矿山压力 现场观测，对于不同倾角 45 75 和不同开采方法真、仰、俯伪斜条件下顶板破断规 律及其力学行为，提出了相应的顶板控制方法。首次比较系统和全面地研究了急倾斜煤 层开采的矿压显现、围岩灾变及防治技术[3]。 北京科技大学冯锦艳、 王金安等人采用相似模拟实验方法和有限差分数值分析方法， 对急倾斜煤层开采破坏规律进行研究， 结果表明急倾斜煤层采空区空间发育有两种机制 一种是随开采斜长增加，顶板岩层沿煤层法线方向的离层裂隙向上扩展、裂隙带高度增 加形成的离层机制；另一种是采空区内垮落矸石向下迁移使浅部未被充实形成空洞，随 着开采不断深入，沿煤层倾斜下部开采造成倾斜上部采空区覆岩垮冒，导致空洞继续抬 升的机制。两种空洞机制发展表现出对覆岩和地表不同的破坏影响[4,5]。 中国矿业大学郭国珍、 吕家立教授等在对“急倾斜松软围岩回采巷道矿压显现及其支 护”研究中指出急倾斜松软围岩回采巷道的矿压显现特征是变形量大， 掘进影响阶段时间 万方数据 1 绪论 3 长，速度快，底臌现象突出，两帮变形和压力大。由高地应力产生的水平应力挤压巷道 底板岩层，导致岩层在层面法线方向产生断裂弯曲和底臌。由于急倾斜岩层的特点，断 裂线在轴线偏右部位发生，导致斜坡状的底臌[6]。 四川师范大学黄建功教授对“急倾斜煤层沿煤大巷锚杆支护”进行了探讨。通过对桃 水煤矿现行的支护状况的分析，比较了各种主要支护方式的适应情况。从而有针对性地 提出了桃水煤矿急倾斜中厚煤层采区沿煤运输巷道的支护方式，并从支护效果，经济效 益方面论证了采用管缝锚杆支护方式的优越性[7]。 重庆大学邱贤德、 陈明武、 胡耀等在石洞沟矿开展了“急倾斜临界角近距离薄及中厚 煤层分组联合开采巷道矿压显现研究”， 得出了巷道受工作面采动影响的特征和规律 支 承压力影响范围在工作面前方 100m 以内，峰值范围在 50m 以内，距离工作面 2045m 影响最大，采后 40100m 影响逐渐减小[8]。 重庆大学金立平、鲜学福在“急倾斜煤层巷道围岩应力应变及破坏区探讨”一文中指 出巷道周围的煤层在近竖直方向出现了拉应变，特别是在煤层中部比较明显。这主要是 由于近水平方向的主应力较大，在近竖直方向产生的横向效应所引起的[9]。 天地公司的王明立、 胡炳南等通过“急倾斜煤层群开采覆岩破坏与煤柱稳定性数值模 拟”的研究，认为急倾斜煤层群开采覆岩以剪切破坏为主，局部表现为拉伸破坏，同一煤 层采空区下山方向的破坏程度大于上山方向，不同煤层之间上部煤层顶底板的破坏范围 大于下部煤层顶底板的破坏范围[11]。 辽宁工程技术大学张芳、贾晓波等在“急倾斜煤层底板巷道破坏因素探讨”中通过对 急倾斜煤层底板巷道变形、破坏的数值计算发现，急倾斜煤层与水平煤层相比，受底板 附加支承压力的影响较小，底板巷道变形、破坏主要是由于煤层开采后底板卸载，形成 悬空面造成岩层移动引起的。分析结果表明，受采动影响岩层在底板中形成岩层移动活 跃区，其大小取决于煤层倾角、岩石力学特性以及开采深度等，而与采区长高比大小关 系不大[12]。 安徽理工大学的常聚才、谢广祥等通过对“急倾斜煤层全煤巷道锚网索支护参数设 计”的研究表明由于急倾斜煤层巷道应力的非对称分布，支护设计应该呈非对称支护。 锚索的位置也应该由传统观念布置在顶板上，改为布置在巷道稳定性最差的下帮部[13]。 安徽理工大学的谢广祥、查文化等通过对“急倾斜煤层锚网索巷道围岩活动规律研 究”的研究表明巷道两帮变形大于顶底移近量，而巷道两帮变形主要以上帮为主，并且 上帮锚杆索的总体载荷最大，顶部锚杆次之，下帮锚杆最小。这说明巷道上帮受力最 大，在支护中应引起重视，加强对巷道两帮尤其是上帮的控制，支护理念从控制载荷向 控制变形转变， 工程措施从控顶护帮向控帮护顶转变， 设计从刚性支护向柔性支护转变， 改被动支护为主动支护[14,15]。 对于急倾斜煤层围岩的研究，西安科技大学的吴绍倩、石平五教授，对大倾角煤层 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 及急倾斜煤层的开采方法和围岩运动规律方面有深入的研究，石平五教授通过对急倾斜 长壁开采老顶破断规律相似模拟研究，初步归纳了底板滑移、顶板破断和破断后运动的 特点。伍永平教授研究认为当煤层倾角大于 35 时，顶板冒落岩石沿工作面向下滑滚 形成沿倾斜的不均匀充填特征，导致工作面围岩移动和支承压力分布以沿走向推进中轴 线为界呈现出典型的非对称特征[16,17]。 来兴平教授在急倾斜煤层矿压显现规律与支护对策研究中通过现场实测并利用相似 模拟和数值计算综合手段，揭示了急倾斜煤层非对称破坏和变形破坏的机理，发现了急 倾斜煤层围岩破坏特征，提出了通过优化巷道断面改善支护系统的解危对策[18]。 邵小平副教授，通过急倾斜相似模拟实验对比表明，顶板岩层中存在“卸载拱”结构。 该结构的存在，使工作面开采过程中裸露的顶板岩层仅承受拱内岩层的作用，倾角较大 的急倾斜煤层，开采过程中由于受到“阶梯”形收口处及沿槽形采空区域下移的垮落体对 顶板岩层的支承作用，顶板岩层的稳定性大幅提高[19]。 几十年来，我国在研究和改进急倾斜煤层开采技术方面已作了大量的工作，取得一 个又一个重大的技术成果，开采急倾斜煤层矿井的技术经济面貌也在不断得到改善。 国外急倾斜煤层开采主要集中在前苏联所属的地区，在德国、法国、西班牙、印度 等国家也进行了一些研究。采矿技术非常发达的波兰虽然在有的文献资料中提及过其生 产的大倾角煤层装备我国曾经引进过该国制造的相关设备，但未检索到专门的文献资 料。 在 20 世纪 70 年代到 80 年代中期， 前苏联对急倾斜 （大倾角） 煤层的研究比较系统， 也具有较高的技术水平，在此之后由于政治体制的变更和经济发展下滑，在工业发展停 滞不前的大气候下，对煤炭开采技术的研究也受到影响，近年来很少见到这方面公开发 表的研究成果及文献报道。美国和澳大利亚是世界产煤大国，但急倾斜（大倾