近距离浅埋煤层房柱下开采动压机理研究.pdf

论文题目近距离浅埋煤层房柱下开采动压机理研究 工程领域矿业工程 硕 士 生史久林 （签名） 指导教师邓广哲（校内） （签名） 邓增社（校外） （签名） 摘 要 随着陕北侏罗纪浅埋煤层开采规模不断扩大，许多矿井开采的浅部煤炭资源逐渐枯 竭，煤层开采已经转入浅部煤层的下层煤开采。由于开采距离较近，上部煤层采空区遗 留煤柱对下部回采工作面产生极大的影响，常引发下部煤层回采工作面出煤柱的过程的 动压灾害，造成压架事故。 本论文针对近距离浅埋煤层长壁工作面通过房柱采空区宽煤柱过程中的动压现象和 压架事故的特殊性，结合陕北集团韩家湾煤矿下部煤层赋存状况，采用物理相似模拟实 验、计算机数值模拟和理论分析等综合手段，从应力场的变化和岩层运移的角度分析回 采工作面出房柱区动压机理分析可能引发动压事故的原因。揭示了下部煤层回采工作面 过煤柱的动压现象的机理。下部回采工作面出房柱区的过程中，工作面超前支撑压力的 动载作用与煤柱作用下的静载作用叠加，并始终作用在工作面的前方。回采过程中引起 房柱区底板下沉，房柱区遗留煤柱上部关键岩块回转失稳，失稳的关键岩块和煤柱上部 层岩在 Z 方向的运动不再一致，上部覆岩运动速度较快，其动能通过煤柱作用于下部岩 层，煤柱上部关键岩块的动能通过煤柱传递至下部覆岩内，这三者叠加作用在回采工作 面的前部，形成能量集聚区。煤柱底板岩层在其上的高集中应力作用下岩层承载能力降 低。同时，由于工作面推进过程中提供的空间及其的扰动影响，使得集聚的能量突然释 放至工作面，使得工作面发生剧烈的动压现象。 动压的发生具有突然性，剧烈性，对工作面的安全与支护具有极大的危害性。下部 回采工作面通过其上部房柱区时，必须预先处理其内遗留的煤柱。通过计算机模拟实验 分析煤柱宽度是影响其下动压的关键因素，因此提出通过超前预裂房柱区内未失稳的煤 柱的手段控制下部回采动压的技术措施。 关 键 词浅埋煤层；重复采动；宽煤柱；动压机理 研究类型机理研究 万方数据 Subject Research on Dynamical Mechanism of Shallow and Closed Distance Coal Seams mining locating at sublevel of Room and Pillars Goaf Specially Mining Engineering Name Shi Jiulin Signature Instruct Deng Guangzhe Signature Deng Zhengshe Signature ABSTRACT With the Jurassic shallow seam mining in northern Shaanxi expanding, the shallow coal resource is gradually depleted and the coal seam mining has been transferred to the lower coal seam in the shallow coal seam. Since the short mining distance, the upper left coal seam coal pillar mining face produces a great impact on the lower portion of the lower coal seam mining of coal pillar working face.During the process of the lower coal seam mining the coal pillar ,it often occurs dynamic pressure disasters, resulting in crushing accident. In this thesis, a close shallow coal seam longwall goaf by room and pillar coal pillar width in the process of dynamic pressure phenomena and particularity pressure frame of the accident, combined with the lower part of northern Shaanxi Coal Group Hanjiawan coal seam conditions, the use of Physical synthesis means similar simulation experiments, computer simulation and theoretical analysis, from the rock stress field changes and the perspective of migration out of the room and pillar mining face area hydrodynamic mechanism analyze the causes of accidents may lead to dynamic pressure. It reveals the dynamic pressure phenomena mechanism Lower Coal mining face crossing coal pillar. The lower part of the procedure room and pillar mining face in the region, under static loads Face Abutment pressure dynamic loads and pillar overprinted, and always in front of the face. Room and pillar mining area caused during the sinking floor, room and pillar region rock legacy coal columns at key swing instability, instability of key rock and coal pillar portion layer rock movement in the Z direction is no longer consistent with the upper part of overburden strata movement faster, its kinetic energy to the lower strata, coal pillar portion of the kinetic energy transmitted through the key rock pillar by pillar action to lower inner cover rock, these three superimposed in front of the working face, the ation energy parks. Pillar floor strata in high concentrated stress 万方数据 on rock bearing capacity is reduced. At the same time, due to the disturbance and the space provided during the face advance, so gather the sudden release of energy to the face, making Face dramatic dynamic pressure phenomena. Dynamic pressure occurs with a sudden, violent sex, and support for security protection face great dangers. The lower portion of mining face through its upper room and pillar area, must be pre-processed within legacy pillar. The key factor analysis by computer simulation of coal pillar width is under influence of dynamic pressure, and therefore the lower portion of mining technical measures put forward by means of the dynamic pressure ahead of the pre-split room and pillar area not controlled instability of coal pillar. Key words Shallow buried coal seam; Room and pillar area; Dynamic pressure; the key layer Thesis Mechanism research 万方数据 目 录 ⅠⅠ 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 .......................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................... 2 1.2.1 浅埋煤层长壁开采动压研究现状 ................................................................... 2 1.2.2 近距离煤层房柱下开采动压研究现状 ........................................................... 4 1.2.3 上部残余煤柱稳定性研究现状 ....................................................................... 4 1.2.4 工作面覆岩动压研究现状 ............................................................................... 5 1.3 主要研究内容和技术路线 .......................................................................................... 6 1.3.1 研究方法及目标 ............................................................................................... 6 1.3.2 研究内容及技术路线 ....................................................................................... 6 2 浅埋近距离煤层房柱区煤柱动压机理分析 ......................................................................... 8 2.1 近距离浅埋煤层煤柱下采动灾害 .............................................................................. 8 2.1.1 工作面过保护煤柱 ........................................................................................... 8 2.1.2 工作面过上部残余煤柱 ................................................................................... 9 2.1.3 工作面出煤柱 ................................................................................................. 10 2.1.4 工作面出煤柱事故分析 ................................................................................. 11 2.2 煤柱对底板动压作用分析 ........................................................................................ 13 2.2.1 煤柱稳定性分析 ............................................................................................. 13 2.2.2 煤柱塑性区范围计算 ..................................................................................... 13 2.2.3 煤柱在底板岩层的应力分布 ......................................................................... 14 2.3 力学机理分析 ............................................................................................................ 16 2.4 力学模型构建 ............................................................................................................ 17 2.5 煤柱强度控制 ............................................................................................................ 20 2.6 本章小结 .................................................................................................................... 21 3 浅埋近距离长壁工作面过房柱区动压实验分析 ............................................................... 23 3.1 地质条件 .................................................................................................................... 23 3.1.1 矿区概况 ......................................................................................................... 23 3.1.2 地层地质条件 ................................................................................................. 24 3.1.3 地质构造特征 ................................................................................................. 26 3.1.4 下行开采上部采动情况 ................................................................................. 26 3.2 物理相似模拟实验的岩石参数与设计 .................................................................... 27 3.2.1 岩石力学的参数 ............................................................................................. 27 万方数据 目 录 ⅡⅡ 3.2.2 关键层特征分析 ............................................................................................. 29 3.2.3 物理模型方案的设计 ..................................................................................... 32 3.3 模型相似比例 ............................................................................................................ 32 3.4 物理相似模拟实验过程及结果分析 ....................................................................... 34 3.4.12-2 煤层上覆岩层运移规律 ............................................................................ 34 3.4.23-1 煤丄覆岩层运移规律 ................................................................................ 35 3.4.3 3-1 煤工作面过煤柱矿压显现规律 ............................................................... 43 3.5 本章小结 .................................................................................................................... 44 4 浅埋近距离煤层房柱区下开采数值模型 ........................................................................... 46 4.1 数值模型构建 ............................................................................................................. 46 4.2 应力演化规律 ............................................................................................................ 48 4.3 本章小结 .................................................................................................................... 52 5 结论与展望 ........................................................................................................................... 53 5.1 结论 ............................................................................................................................ 53 5.2 展望 ............................................................................................................................ 54 参考文献 .................................................................................................................................. 55 致 谢 ...................................................................................................................................... 59 附录 .......................................................................................................................................... 60 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 陕北侏罗纪煤田已探明可采储量占全国煤炭探明储量的 1/3，是我国目前探明开采 储量最大的煤田， 与美国的阿巴拉契亚煤田、 德国的鲁尔煤田等被称为世界七大煤田[1,2]。 陕北侏罗纪煤田多为浅埋煤层群。 对于浅埋煤层群的开采， 主要赋存特征是埋深浅、 薄基岩，厚风积沙覆层。实践表明，松散层下浅埋煤层采动形成的顶板结构和来压特征 普遍出现台阶下沉等强矿压现象[3,4]。 随着陕北侏罗纪煤层开采规模不断扩大，许多矿井自初期投产以来所开采的浅部煤 炭资源逐渐枯竭，不得不转向煤层群的下部开采。当煤层层间距离较大时，上部煤层开 采后对下部煤层的开采影响程度较小，其矿压显现规律、开采方法几乎不受上部煤层开 采的影响，与单一煤层开采情况基本相同。但是随着煤层层间距离的减小，浅埋煤层煤 层群开采之间的相互影响会逐渐增大，特别是当煤层的间距较近时，下部煤层采前顶板 的完整程度已经受到上部煤层开采的动压作用。上部煤层开采空区，或者是上部煤层开 采后残留区段煤柱在底板形成的集中压力，将会导致下部煤层开采区域的顶板运动结构 和应力环境发生显著变化。由于上部煤层及房柱式采动压力集中区位置随采后时间增加 已经变化不清，从而使浅埋煤层群下行煤层开采中出现了许多新的动压灾害现象。而现 有浅埋煤层开采中顶板控制理论和经验，证明已经不能很好地指导和解决这类矿压灾害 的控制问题。 陕西陕北矿业韩家湾煤矿是典型的陕北侏罗纪浅埋多煤层群生产矿井。随着上分层 2-2 煤层开采资源的日益匮乏， 矿井生产布局已经开始向 2-2煤层下部的 3-1 煤层中转移。 韩家湾煤矿 3-3 煤层平均厚度 2.65m，埋深 157.07～101.50m。3-1 煤层的首采工作面上 部 40m 左右是 2-2 煤层综采长壁工作面的采动区， 包括 133550m 房柱式采空区以及 2-2 煤层边界无煤区至矿井边界的 250896 米未采动区。在 3-1 煤层实际开采准备过程中， 3-1 煤层综采工作面的合理布置以及综采支架的合理选型问题， 受到上部 2-2 煤层长壁工 作面采空区以及区段煤柱充分采动区和房柱式非充分采动区等的不同集中压力的影响。 目前与韩家湾相邻的石圪台煤矿现场生产及西安科技大学的调查研究已经发现，未采动 区、煤层群及房柱式采动区等的存在对下部 3-1 煤层工作面布置方式和“支架-围岩”系统 的稳定性具有严重影响，甚至诱发生产事故。相邻开采 3-1 煤层的矿井实际上已经多次 发生了采动区下方综采工作面的压死支架、支柱爆裂以及短时间顶板强矿压事故，造成 了综采工作面的支架损毁和安全生产事故，综采效率低下。 例如与韩家湾煤矿开采条件相似的石圪台煤矿，下行开采布置 3-1 煤二盘区首采面 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 31201 综采工作面条件与韩家煤矿相似。生产过程中工作面位于原天隆 2-2 煤房柱式开 采的采动区下，埋深 120m，走向长 1865m，倾向长 311m，平均煤厚为 3.9m。神华集团 石圪台煤矿为实现矿井高产高效，控制顶板来压事故，专门设计了工作面支架，选型液 压支架工作阻力达到 18000KN，但是，在煤层开采过程中 31201 工作面仍然出现了 9 次 压架事故。因此，浅埋煤层群采动区下综采工作面的布置技术及液压支架选型，直接关 系到支架围岩的工作状态和综采开采效率，还影响到工作面顶板控制的效果以及强矿压 显现的强烈程度和生产安全。目前，陕北矿业韩家湾煤炭有限公司，3-1 煤层的安全开 采已经遇到了 2-2 煤层长壁面采空区和房柱式采空区以及未采动区的综合影响，临近条 件生产矿井实际提高了支架工作阻力，生产还是发生了 3-1 煤层下行综采面的顶板强矿 压事故。 因此，本文以韩家湾矿房柱式采动区下 3-1 煤层综采面的开采为背景，研究房柱区 宽煤柱下长壁开采工作面动压影响机理是韩家湾煤矿当前生产中亟待需要解决的生产技 术难题，也是类似开采条件矿井亟待解决的难题。不仅对解决陕北矿业公司韩家湾煤矿 当前综采工作面的安全高效开采具有重要的意义，对于浅埋近距离煤层房柱区下行开采 等类似条件矿井解决工作面强烈的动压现象和压架事故也具有重要指导意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 浅埋煤层长壁开采动压研究现状 我国西北部地区广泛赋存着的侏罗纪煤田具有典型的浅埋煤层特点[1-4]。 其地质构造 简单、煤层埋藏浅、赋存量大、煤质优良一直备受世人的瞩目。虽然此类煤层埋藏浅， 构造简单，但是由于煤层上覆基岩相对较薄，表土层厚，开采过程中常常呈现出不同于 一般长壁开采过程的矿压显现规律，从而引发一系列的动力灾害问题。如关键层存在 短砌体梁结构，顶板的台阶下沉现象，工作面的突水溃沙及压架事故等各种动力灾害， 严重影响着煤矿的安全高效开采。为此，国内外众多学者对此进行了大量的深入研究， 研究以浅埋煤层开采过程中的矿压显现规律、上覆岩层的控制技术、覆岩结构及其运移 规律等方面为核心，并取得了卓越的成果[4-55]。 以西安科技大学为代表的专家学者，在长时间的现场实测分析和实验室物理相似材 料模拟的基础上，总结揭示了浅埋煤层长壁开采采场覆岩运移和矿压显现规律与的特点 [4-47]。其中，侯忠杰教授根据浅埋煤层特点，提出来覆岩整体台阶切落的判断依据，分 析了不同的覆岩关键层，指出浅埋厚松散层长壁工作面来压剧烈的原因工作面覆岩中 存在两层坚硬的岩层形成组合关键层。分析完善浅埋煤层组合关键层理论，并推导出了 组合关键层来压步距的理论判据[813]。 黄庆享教授在已有关键层理论的基础上，结合现场实测浅埋煤层矿压显现特点，总 万方数据 1 绪论 3 结浅埋煤层覆岩自身特有的运移特点，并根据其特点定义了浅埋煤层的特征，通过确定 顶板结构的关键参数岩块端角挤压因数和摩擦因数定量化分析顶板结构，并提出浅埋 煤层覆岩运移过程中存在“台阶岩梁”和“短砌体梁”结构，并引入了覆岩来压时应力 传递的载荷传递因子[14-23]。余学义等应用初始后屈曲理论和突变理论对浅埋煤层开采过 程中顶板关键层破断后的不平衡特性和运动特征[34-37]。 上述专家学者的研究成果都是以浅埋煤层单一煤层的开采为前提； 随着时间的推移， 近距离煤层群下部开采已经是发展的趋势，但已有文献关于浅埋近距离煤层群的下行重 复开采研究涉及较少。 中国矿业大学许家林教授，根据神东矿区浅埋煤层开采过程中压架事故的大量工程 实测的基础，利用相似模拟及理论分析，给出了浅埋煤层上覆岩的关键层结构分类（见 图 1.1） ，即，总体可分为单一和多层关键层结构；单一关键层结构又被分为厚硬单一关 键层结构，复合单一关键层结构，上煤层已采单一关键层结构。其认为单一关键层结构 是引发浅埋煤层动力灾害的根源[38]。 图 1.1 浅埋煤层关键层结构分类 朱卫兵教授等研究发现浅埋近距离煤层群下行开采过地表沟谷发生动载矿压事故原 因即沟谷地形上覆岩层受侵蚀作用导致侧向水平力的缺失诱发关键层结构的载荷超载易 发生滑落失稳[39]。 国外浅埋煤层开采研究以前苏联、澳大利亚和印度等国为代表[40-42]。20 世纪 50 年 代前苏联学者对浅埋深煤层顶板下沉现象提出“台阶”假说。B.B. Bodrac 通过对莫斯科 埋深小于 100 m 的浅埋煤层进行矿压观测，发现工作面来压现象明显区别与一般工作面 的来压，并且来压时具有突然性和强烈性。 澳大利亚学者 B.K. Hebblewhite 等人通过研究浅埋煤层的顶板来压现象，认为顶板 来压时，一般都是发生切落破坏，切落点一般在采空区边沿。其跨落过程具有以下特点 支架出现明显动载现象；顶板破断线延伸至地表，顶板岩层整体下沉，压实采空区；同 时，地表下沉，整个过程迅速短暂。 国内外专家学者针对浅埋单一煤层开采过程中的特殊来压现象已经进行了大量的研 究。随着国家经济发展对煤炭生产需求的提高，越来越多的开采已经转入浅埋煤层群的 下层煤开采。由于早期上煤层开采的经济技术原因，造成下煤层开采过程中各种动力灾 害。对浅埋煤层下行开采过程中的各种动压影响的研究要求越来越迫切。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 1.2.2 近距离煤层房柱下开采动压研究现状 由于以往开采过程中的经济、技术等原因，经常会遗留一些或大或小的煤柱，形成 了大大小小的房柱式采空区，造成了浅埋煤层下行开采过房柱区时回采工作面的一系列 动力灾害。因此，国内外的专家学者对此进行了大量的研究，发现在工作面进和出煤柱 区的过程中不同程度的出现冲击矿压现象，并呈现以下几点特征 （1）上下煤层层间距 对矿压显现影响明显； （2）煤柱上部覆岩的失稳是引起工作面动压灾害的根源（3）工作 面进出煤柱时，工作面支架阻力都会增大，伴随着煤壁片帮、支架安全阀开启和顶底板 破坏等现象； （4）矿压剧烈显现引发动力灾害，多发生在出煤柱边界的过程中，常常发 生支架压架，顶板切落等事故[43-54]。 以中国矿业大学为代表的国内学者，对浅埋煤层房柱区下近距离煤层群开采过程中 工作面顶板突发性动力灾害进行了大量的研究。屠世浩教授通过研究上部遗留煤柱的应 力集中问题，提出爆破煤柱卸压，地面注沙充填煤房及控制采高等措施预防和控制冲击 矿压。同时，煤柱下底板应力以煤柱中心最大，距离煤柱中心线越远应力越小[55,56]。姜 鹏飞等以实践工程为背景，通过模拟实验比较近距煤层群工作面上部煤层不同宽度煤柱 的应力集中情况及传力机理；指出煤柱内的最大主应力随煤柱宽度的增加，呈现先增后 减的现象，同时煤柱下部应力影响角不断减小，并趋于稳定值[57]。鞠金峰针对浅埋近距 离煤层群出采空区煤从煤柱上方关键块体破断运动的角度，揭示了由于关键块体回转运 引发的压架灾害发生。提出了在煤柱的边界预掘卸压巷或者的预爆破，对煤房未压实采 空区进行充填以及煤柱上方关键块体预爆破卸压等防治措施[58]。解兴智针对鄂尔多斯矿 区房采区下长壁工作面回采过程中工作面覆岩运移规律进行了研究。揭示了房采区下长 壁工作面覆岩运移过程中存在上大下小相互影响的双结构特征，上部大结构的回转失稳 导致下部小结构的周期性失稳，同时上部与下部周期破断的不同步性，导致回采工作面 覆岩来压时的不等压失稳这种结构是导致房采区下工作面动压显现较实体煤下回采和长 壁采空区下回采动压更大，更易导致采场动力灾害[59,60]。 1.2.3 上部残余煤柱稳定性研究现状 上部条带开采的煤柱、房柱式开采后残留的煤柱、巷道的护巷煤柱等遗留煤柱作为 上部覆岩与下部工作面间传力的关键介质，其稳定性是影响下部工作面动压现象的关键 因素。遗留煤柱稳定性带来的动力危害问题困扰着下行开采的安全高效生产，国内外的 专家学者对工作面过上部的稳定性做了大量研究。 澳大利亚 Galvin and Hebblewhite 为澳大利亚当地的房柱式生产提供了各种条件下 的生产设计方案，并对煤柱的稳定性做了实验研究[61,62]。 鲍凤其利用数值模拟软件剖析三种房柱开采方案下的煤柱塑性区的分布规律，得出 万方数据 1 绪论 5 留设的煤柱尺寸在一定范围，煤柱内部会存在一定的弹性核，煤柱能保持相当长时间的 稳定性；煤柱尺寸小于这一范围是时，小煤柱将会全部塑性变形，在覆岩压力下小煤柱 容易发生剪切破坏进而失稳。特别是在具有稳定性的煤柱柱脚处容易形成集中应力区 [63]。 中国矿业大学诸多研究者也对煤柱稳定性进行了深入研究。其中，刘文涛等通过数 值模拟软件，针对浅埋煤层群下行开采时上部走向煤柱对下部近距离煤层的回采工作面 的集中应力影响，提出因受回采工作面上部遗留走向煤柱的影响，工作面前方支承力与 煤柱底板岩层集中应力产生叠加作用而形成集中应力区。由于整体煤层埋藏浅，煤柱底 板集中应力作用不明显，回采工作面在煤柱下仅出现片帮的现象。同时可推知煤层间距 较近或者煤层埋深较深时， 来压现象将会加剧[64]。 郑百胜等通过对现场实际情况的模拟， 针对近距离煤层开采时，上部的煤层遗留煤柱对下煤层开采时的动压影响。指出在回采 工作面推进煤柱底板的应力集区时于工作面超前支承压力远大于两者的叠加作用，相互 作用形成的高应力区是引发冲击矿