龙王沟矿6上煤采空区下特厚煤层综放面矿压规律研究.pdf

论文题目 龙王沟矿 6 上煤采空区下特厚煤层综放面矿压规律研究 专 业采矿工程 硕 士 生折智 （签名） 指导教师李龙清 （签名） 摘 要 龙王沟井田处于内蒙古自治区鄂尔多斯市以东 120km 处， 准格尔煤田中北部， 为在 建矿井。本井田地质构造较为简单，主采煤层为 6 煤，6 煤平均埋深 368m，平均厚度 20m， 煤层倾角 3～5 ， 6 煤上方有一层平均厚度 1.7m 的 6 上煤， 两层煤之间隔有 4.1m 的砂质泥岩和泥岩。该矿计划布置一个 6 煤大采高综放面和一个 6 上煤综采面，两工作 面配采。计划 6 上煤采完后（走向长壁全部垮落法），在采空区下开采 6 煤，布置特厚 煤层大采高综放工作面，综放面采放比为 13。 本文以龙王沟煤矿地质条件为背景，运用理论分析出和物理相似模拟实验的方法分 析了 6 煤上方关键层的层位和层数、关键层的失稳方式和垮落步距、采空区下近距离特 厚煤层开采的顶板来压特征、覆岩运移规律等。得出龙王沟矿 6 上煤综采面垮落带到达 采空区上方 8m，裂隙带达到 38m。工作面超前支承压力峰值为 11.5MPa～16.9MPa，平 均为 14.7MPa；峰值位置为煤壁前方 10～16m，平均 12m，影响范围 20～30m，开采后， 原岩应力明显降低，卸压效果显著。采空区下 6 煤综放面基本顶周期垮落步距为 12～ 24m，平均为 18.5m。支撑压力峰值位置在煤壁前方 4m～46m 处，压力峰值强度在 11.9MPa～22.4MPa，峰值影响范围在 20m～50m。开采过程中有超前于工作面的裂隙生 产，裂隙发育明显，“三带”发育明显，开采至 222m，冒落带最大高度达到采空区上 方 60m，裂隙带到达地表，地表会出现下沉。当超前断裂的部分岩柱的重量传递到支架 上时，支架的工作阻力最大值是 35600kN ，平均 21525kN ，增载系数 1.31～2.9 ，平 均 1.76 。 通过对龙王沟矿采空区下的 6 煤特厚煤层综放面矿压显现规律进行系统的研究，认 识了采场上覆岩层的运移特征、工作面支承压力分布特征以及确定综放工作面支架工作 阻力，为龙王沟矿及周边矿井的煤层开采提供合理科学的参考。 关 键 词近距离煤层；采空区下；矿压规律；支架工作阻力 研究类型应用研究 万方数据 Subject Research on Strata Behavior Regularity of Fully Mechanized Face under on 6 coal mining goaf of Long Wang Gou Coal Mine Specialty Mining Engineering Name She Zhi Signature Instructor Li Longqing Signature ABSTRACT Long Wang Gou coal mine is under construction, which is located at the 20 km east of ordos city, belongs to north-central of Inner Mongolia Autonomous Region. Coal mine geological structure is simple, The main minable coal is the No.6 coal seam and the inclination angle ranged from 3 to 5.Average buried depth of the coal seam is 359m, recoverable thickness is20 m. Above the average thickness of 1.7 m 6 coal is the overlying 6 coal seam, between two layers of coal have 4.1 m of sandy mudstone and shale. The mine plans to decorate a large mining height fully-mechanized face and a ordinary mechanized coal face. After coal mining on 6 seam, under the goaf, will decorate a special thick seam mining with large height of fully-mechanized caving on 6 seam, the fully-mechanized face mining ratio is 13. This paper based on the background of Long Wang Gou geological conditions, by using the of theoretical analysis and physical simulation experiment to analysis the key strata and number above 6 seam, the key stratum instability mode and caving step distance, the secondary mining of thick coal seam mining under roof movement to pressure characteristics, law and so on. It is concluded that on 6 seam mining caving zone height of 8 m, fractured zone height of 38 m. Advance abutment pressure peak value from 11.5 to 11.5 MPa, an average of 14.7 MPa; Peak position to coal wall front 10 to 16 m, an average of 12 m, reach 20 30 m, after mining, the original rock stress significantly decreased, pressure relief effect is remarkable. 6 basic top coal caving mining face under the goaf periodic caving step distance of 12 24 m, with an average of 18.5 m. Supporting pressure peak position in front of the coal wall 4 m 46 m, pressure peak intensity in 5 to 16.2 MPa, the peak impact range in 20 m 50 m. Ahead of working face a crack in the process of mining production, the fracture is apparent, “three zones“ development, caving to 222 m, caving zone height is 60 m, 万方数据 fissure zone to the surface, the surface will be sink. When the weight of the fracture of rock pillars in advance is passed on to the bracket, Support working resistance Maximum range of 35600 kN, an average of 21525 kN, increases the load coefficient 1.31 2.9, with an average of 1.76. Through researching the Long Wang Gou under goaf areas of large mining height on 6 seam of coal mine pressure law , understood of the stope the movement rule of overlying rock strata, face abutment pressure distribution law and defining the support working resistance of full-mechanized caving mining face, provided reasonable and scientific reference for the similar geological conditions of coal seam mining . Key words seam with close distance；under mining goaf；strata behavior regularity； working resistance Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ...................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及选题意义 ..................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 ................................................................................................. 1 1.1.2 选题意义 ................................................................................................. 2 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................ 3 1.2.1 近距离煤层开采的研究现状 .................................................................. 3 1.2.2 近距离煤层开采矿压规律研究现状 ....................................................... 5 1.3 本课题研究内容及研究目标 ......................................................................... 7 1.3.1 本课题研究内容 ...................................................................................... 7 1.3.2 本课题研究目标 ...................................................................................... 7 1.4 本课题采取的研究方案、技术路线 .............................................................. 7 1.4.1 本课题研究方案 ...................................................................................... 7 1.4.2 本课题研究的技术路线 .......................................................................... 8 2 龙王沟矿煤层及覆岩地质条件分析 .................................................................... 9 2.1 井田位置 ........................................................................................................ 9 2.2 煤岩赋存情况 ............................................................................................... 10 2.3 煤岩力学性质 ................................................................................................ 11 2.4 工作面布置情况 ........................................................................................... 12 3 近距离特厚煤层开采覆岩破坏规律研究 ........................................................... 13 3.1 影响采空区下开采矿压规律的因素............................................................. 13 3.2 关键层位置的判断 ....................................................................................... 15 3.3 关键层复合效应的判断 ................................................................................ 18 3.4 关键层初次破断失稳形式 ........................................................................... 19 3.5 覆岩“三带”高度判断 ............................................................................... 21 3.5.1 6 上煤开采时“三带”高度 ...................................................................... 21 3.5.2 6 煤开采时“三带”高度 ........................................................................ 22 3.6 6 上煤开采对 6 煤直接顶破坏程度的判断 .................................................... 24 3.7 本章小结 ...................................................................................................... 25 4 6 上煤开采矿压显现规律相似模拟研究 .............................................................. 27 4.1 模型设计 ....................................................................................................... 27 4.1.1 原型地质条件 ....................................................................................... 27 4.1.2 相似材料模拟实验架 ............................................................................ 27 万方数据 目录 II 4.1.3 相似材料模型 ........................................................................................ 27 4.2 实验过程及实验现象描述 ........................................................................... 29 4.3 支承压力分布 .............................................................................................. 35 4.4 本章小结 ...................................................................................................... 39 5 6 煤综放面矿压显现规律相似模拟研究............................................................. 40 5.1 支护强度 ...................................................................................................... 40 5.2 实验过程及实验现象描述 ........................................................................... 40 5.3 周期来压规律及支架受力分析 .................................................................... 51 5.3.1 覆岩运动及矿压显现规律分析.............................................................. 51 5.3.2 支架受力分析 ........................................................................................ 53 5.3.3 支承压力分布 ........................................................................................ 55 5.4 本章小结 ....................................................................................................... 59 6 结论 .................................................................................................................... 61 致谢 ........................................................................................................................ 62 参考文献 ................................................................................................................ 63 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及选题意义 1.1.1 选题背景 近些年来，因为我国煤炭资源的过度利用，煤层地质条件简单且煤层单一的矿井不 断减少，但是，我国的煤层赋存情况比较多样，不仅有单一煤层的赋存条件而且有多层 煤组成煤层群的赋存条件， 其中， 我国煤炭赋存含量最大的还是由多层煤组成的煤层群。 因此，现在对于煤层群组开采情况也在不断增加。可是不同地区，煤层群组的赋存情况 又不一样，有的煤层群组含几层煤，有的高达数十层，煤层间的距离可以由零点几米变 化到几十米，煤层倾角由近水平煤层变化到大倾角煤 层，这些不同的煤层组赋存情况 是由不同的成煤条件决定的[1-4]。在不同煤层的地址条件下，选用合适的开采顺序和正 确的开采方法，对于尽最大限度提高煤炭回采率，提高我国能源的综合利用率和建设高 水平的矿井有着不同寻常的意义。 当近距离煤层采用采用自下而上的顺序，开采上下煤层间距的大小对于煤层组开采 的影响起重要作用，当两层煤相隔较远时，上层煤的回采对于下层煤的回采扰动较小， 当两层煤的距离逐渐变小时，上层煤回采对下层煤回采的干扰也随之变大。当两层煤间 的距离很近时，开采会改变原有围岩应力分布状况，下层煤的顶板条件变坏，开采下层 煤时会出现漏水溃沙、煤壁片帮、顶板破碎、顶板压力过大、通风管理困难等问题[6-9]。 目前，单一煤层的矿压理论技术比较成熟，很多情况下，在对于煤层组的开采时仍 然套用单煤层开采的理论方法，但是当两层煤的距离小到一定范围时煤层群开采就会出 现很新的矿压现象，这样，如果继续采用单一煤层的矿压理论来解决煤层群的矿压问题 就显得捉襟见肘。而现阶段，近距离煤层的开采理论主要集中在下层煤开采的矿压显规 律和上层煤开采对下层煤开采的损伤程度以及如何避开上煤层工作面残留煤柱所造成 的集中应力从而保证下煤层安全开采[10-12]。而对于近距离采空区下煤层开采时的煤层上 方的顶板结构、顶板破断机理、覆岩垮落特征、支架受力情况、支架载荷确定都没有统 一的共识。 龙王沟井田位处内蒙古自治区鄂尔多斯市以东 120km 处， 准格尔煤田中北部， 在建 矿井。井田地质构造简单，无明显的断层等影响开采的地质构造，瓦斯矿井。煤层上方 的覆岩岩性为中硬～软弱岩层，主采煤层为 6 煤，6 煤平均埋深 359m，平均厚度 20m， 倾角一般 5左右。6 煤上方有一层平均厚度 1.7m 的 6 上煤，6上煤平均埋深 364m，两层 煤之间隔有 4.1m 的砂质泥岩和泥岩。6 上煤直接顶为砂质泥岩，平均厚度为 1.7m，基本 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 顶为粗砂岩和砂质泥岩，厚度 16.7m。6 上煤与 6 煤煤层稳定，变化规律明显，其中 6上 煤部分可采，6 煤全区可采。 为了提高资源的利用率和保证矿井的回采率，龙王沟煤矿计划布置两个采煤工作 面，6 煤大采高综放面和 6 上煤综采面，两工作面配采。计划 6上煤采完后（走向长壁全 部垮落法），在采空区下开采 6 煤，垂直式布置特厚煤层综放工作面，综放面采放比为 13，即采高 5m，放煤 15m。 但是由于该地质条件下可借鉴的资料和经验较少，先采 6 上煤后不清楚对 6 煤工作 面的影响有多大，因而有必要对此类条件下开采方法的可行性进行研究并且深入系统地 对龙王沟矿采空区下特厚煤层综放面开采时，其顶板结构，顶板破断规律，上覆岩层垮 落特征，如何确定支架载荷，对于工作面出现的新问题应当采取何种预防措施等一系列 问题进行研究，继而进行科学合理的解释，为工作面高效生产提供理论依据。 1.1.2 选题意义 近距离煤层群在我国分布比较广，近距离煤层的开采也比较多见，但是，由于覆岩 特征不同、煤层间距的大小以及开采高度的差异，从而会产生不同的采煤方法，最终致 近距离煤层开采时，上覆岩层的运移规律和支架载荷差异较大，所以在近距离煤层开采 相关研究理论还没有成熟的现状下，深入了解近距离煤层工作面的矿压特征对近距离煤 层的开采方式和设备配置起着决定性作用。 本论文以龙王沟矿为背景，根据龙王沟矿煤层覆岩为中硬～软弱岩层，层间距较小 的赋存条件，下煤层一次采放高度大的开采方法，通过理论计算找出 6＃煤开采时关键 层的层位和层数、关键层的垮落步距、失稳形式、6 上煤开采和 6 煤开采时的“三带”分 布范围。 通过相似模拟研究 6 上煤和 6 煤的覆岩层运移规律，研究其“支架-围岩”关系，对 于所用支架给出适应性分析。从围岩应力场分布角度对上覆已采煤层对下煤层综放面的 作用机理进行分析，给出该地质条件下，采空区下特厚大采高综放面的开采时煤层上方 顶板结构，顶板破断规律，进一步讨论该种采煤方法的可行性，为龙王沟矿的煤层开采 方式和工作面布置提供参考依据。 万方数据 1 绪论 3 1.2 国内外研究现状 1.2.1 近距离煤层开采的研究现状 在最初遇到煤层群开采问题时，对近距离煤层的定义还不够明了，只是“煤矿安全 规程”定性地给出了一个定义煤层群组间相互影响较大，煤层间距较小的煤层[13]。这 种笼统的说法在没有给出具体的计算方法去科学合理的判别。 很多学者在解决近距离煤层的开采问题的过程中，都在试图给从定量的角度去描述 近距离煤层。前苏联学者 B.N.包基、B.Д，斯列沙烈夫、N.M.库兹涅佐夫等从对煤层组 采用上行开采的方法，研究下煤层开采产生的破坏带是否对上煤层开采带来影响的原 则，判断煤层组是否属于近距离煤层，并且推算出了求破坏带高度的公式[14]。张百胜在 对大同矿区的煤层组开采的研究中，提出了从定量的角度去判别机近距离煤层，他提出 了把上下两层煤之间的距离 hj与上煤层开采时对其底板岩层的破坏深度 hσ的比值来鉴 定煤层组是否属于极近距离煤层 15]。 煤层群的开采顺序分上行式开采顺序和下行式开采顺序，所谓上行式开采顺序就是 在不影响上层煤开采或者对上层煤开采影响较小的情况下，自下而上的先开采下层煤再 开采上层煤，下行式开采顺序是按自上而下的顺序逐层向下开采。 对于上行开采顺序，现在主要是把煤层组之间的距离和采高作为判别参数进行判定 的。波兰学者提出了煤层组的距离与下煤层采高之比为采动影响倍数，当在开采几组煤 层时采动影响倍数6.3，或者采用充填法管理顶板采动影响倍数为 2.3～2.9 时煤层组可 以采用这种顺序来采煤[16]。 前苏联学者基里雅奇科夫[17]通过对顿巴斯矿区采用上行开采顺序的实践总结得出， 采用上行开采顺序，下煤层开采要想不影响，层间距与采高必须服从此二次线性关系即 H12M3.5M2。而Γ.H.库兹涅佐夫的观点是合理的层间距既跟下部煤层的开采高度相 关，也跟岩块的碎胀性有关系,即 3 1.5 1 P M HM K    西安科技大学的黄庆享教授采用相似模拟实验、数值模拟和现场实测的研究手段， 对近距离煤层条件下采空区上方开采的底板稳定性进行了深入分析，研究总结出了底板 关键层的破断方式和失稳机理，并提出了该开采条件下采用上行开采的基本原则[18]。 马立强通过四平矿的上行开采的工程实践，提出了上煤层覆岩岩性和在开采时所可 能形成的结构对上行开采有重要作用，该理论突破常规的以煤层群层间距和采高为主要 参考指标的理论，将近距离煤层上行开采的的应用范围扩大化，并且成功指导了四平矿 的上行开采，该理论认为由于上层煤顶板能形成一定的结构，如果采动影响倍数比 5 大 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 即使层间岩层为软岩，也可自下而上开采。该理论在四平矿的充分验证为我国许多过去 认为不能开采的采空区上部遗留的煤炭资源提供了理论支撑和实践经验[19]。 山东科技大学的蒋金泉教授根据孙村煤矿的生产实践，通过实验研究、理论分析、 数值模拟、井下探测、物理模拟等研究手段，对孙村煤矿二、三、四煤层上行开采的可 行性进行了深入探索，创造性地将下行开采转为自下而上的开采顺序，提出了深井近距 离覆岩特性与上行开采技术的理论，该理论在深井复合顶板的上行开采结构中得到验 证，取得了良好的技术效果[20]。 对于煤层群下行开采顺序的探讨中，在以避开上煤层残留煤柱集中应力为原则的工 作面设计和巷道布置方面比较成熟。下行开采的巷道布置形式又可以分为分层分采时的 内错式、外错式、垂直式巷道布置方案和分层同采时的错距布置方案。 孙春东以阳邑煤矿煤层组间的距离仅为 1.0m 的工作面开采为基础，根据现场实践 和理论计算，得出 1.0m 极近距离煤层进行联合开采的上煤层工作面在采空区走向方向 形成的稳压区和减压区宽度，并且下煤层工作面可以在稳压区进行安全生产，并且计算 出上、下煤层工作面的合理的错距布置为 21～26m。研究发现极近距离煤层上下工作 面联合开采，两工作面保持合理错距可以使下煤层工作面超前支撑压力高应力区与上部 煤层工作面采空区所形成的残余支撑压力区形成 2～3m 的接近原岩应力的安全距离， 这 个安全距离就是使得下煤层工作面实现安全生产的保证[21]。 高应山在对山西杜儿坪矿的近距离 4m 采空区下工作面进行矿压显现研究时发现， 近距离煤层开采时顶板破碎、不易管理以及工作门端头漏顶的现象不是由采煤工艺造成 的，这些矿压显现是由上煤层开采残留煤柱的集中应力决定的。分析表明上煤层残留煤 柱的宽度、煤柱和顶底板的岩性是决定煤柱应力集中程度的最主要因素。所以布置巷道 时的基本原则是，应该认真研究下煤层顶板的破坏程度，最大程度地避开煤柱应力集中 范围以减小应力集中对巷道维护的影响。最后，根据该矿的实际生产经验，山西杜儿坪 矿的采空区下工作面的巷道布置在煤柱集中应力的塑性区，选用内错式布置形式，内错 10m 是合理可行的[22]。 崔道品在充分研究神火集团葛店煤矿的近距离煤层开采条件的基础上，参照国内外 对近距离煤层群联合开采的成功案例，结合该矿上下工作面的实际情况，规划出两工作 面同采设计。他认为正确的回采工艺、上下工作面间合理的错距布置、现场科学合理的 管理是联合开采成功实施的缺一不可的因素。由此，葛店煤矿上下煤层工作面联合生产 得以成功实现[23]。 陈彦军通过对极近距离煤层群开采的围岩应力分布及其变形情况深入分析，他运用 弹塑性力学的理论得出了煤层群中部煤层开采的围岩应力分布特征及其形变特征，他研 究了上煤层采高与顶底板破坏的关系，上煤层开采后顶底板应力分布情况和底板移动规 万方数据 1 绪论 5 律，下部煤层开采顶板运移特征与覆岩垮落高度，从而建立了复杂开采条件下极近距离 煤层群顶底板管理方法和模型的理论。该理论为在极近距离煤层群，上下煤层采空，开 采中间煤层的巷道布置提供了围岩控制方法和合理参数选择[24]。 严国超等通过物理相似模拟研究和理论分析方法，针对极近距离煤层群同采建立了 常规错距模型。并且推导出了近距离煤层群同采的工作面错距公式，给出了理论解。 魏连阳研究了井陉一矿近距离煤层联合开采的巷道布置，他通过现场观测和减压区 形成理论得出了上下工作面合理错距布置和其适用条件，利用减压区理论分析了影响缓 倾斜煤层开采时的关键因子，现场验证了减压区开采理论的合理性[25]。 吴爱民分析了近距离煤层的煤柱在多次重复采动影响下和回采巷道的变形特征。他 运用现场调查和非连续变形数值分析方法发现，当下煤层开采通过上煤层采空区保护煤 柱时，回采巷道变形值大，维护困难，甚至会出现上覆岩层大范围冒落从而导致地表下 沉，这主要是上煤层采空区的保护煤柱引起的应力集中效应导致的，在煤柱下方，集中 用力达到最大值，并且能够传递到下煤层回采工作面的底板[26]。 王永嘉等人运用模拟研究的方法，通过近距离煤层上下工作面联合开采的探索，了 解了上下工作面之间的影响。他以下煤层工作面前方煤壁支承压力的值作为上下煤层错 距是否合适的判别准则，因此选择在下煤层中选择三个不同程度的错距，与上煤层同时 开采，从而得出合理错距能使煤壁前方承受压力最小化而确保工作面的安全生产[27]。 1.2.2 近距离煤层开采矿压规律研究现状 关于近距离煤层开采的矿压规律研究，不同的学者根据不同的矿井地质条件，提出 了不同的矿压理论，然而，至今为止，仍然没有统一的共识。 李凤明通过对比采动特点和地质条件的差异性对煤层顶板的影响，研究出重复采动 下地表移动的变化特点，并对煤层群开采进行了一系列分析。他认为，煤层群开采时， 上下煤层间的层间岩石能起到一个很好的垫层作用。在开采上层煤时，煤层组之间的岩 层还没被影响，当开采下层煤时，没被影响的岩层对下煤层起到很好的隔离性，使下煤 层开采对上煤层破坏影响减弱，但是对于上覆岩层为松软岩层时，此理论并不适用[28]。 黄乃斌研究了采空区下近距离煤层覆岩运移规律，他采用相似模拟的方法，得出了 下煤层开采应力分布特征和覆岩破坏特征，以及周期来压时顶板冒落和裂隙发育情况， 对工作面的开采影响等[29]。 郭文兵利用相似模拟实验的方法对平煤八矿的 3、4 号近距离煤层组的工作面联合 开采进行了模拟研究，研究得出了近距离煤层联合开采的应力集中特征、联合开采的影 响范围和最大值，以及支承压力分布特点[30]。 刘天泉在上世纪 80 年代最先提出了采空区下煤层开采底板同样存在“三带”的理 论。他认为采空区底板自下而上可分为应力微变带、微小变形移动带、鼓胀开裂带[31]。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 张金才在 1987 年采用实验室物理相似模拟的方法总结出顶板支承应力分布规律与与顶 板的应力分布是相同的。刘天泉和张金才以底板的隔水能力为核心，采用理论计算的方 法得出底板的采动后的最大破坏深度，并将底板岩层分为底板隔水带和采动导水裂隙 带，并以此为基础，根据弹性薄板理论推算出了底板的极限水压力公式[32-33]。 张百胜经过对大同矿区近距离煤层群的开采深入研究，通过理论计算、数值软件模 拟、现场观测手段，得出了极近距离煤层群下行开采的工作面来压的基本特点和上覆岩 层结构模型，建立了“块体-散体”理论，对极近距离煤层开采的采场围岩控制和覆岩 结构的分析作出了科学合理的解释[34]。 冀慎利对山东盛泉矿业的近距离煤层的矿压规律进行了深入探索。研究表明由于 上层煤开采后，顶底板的稳定性和整体性受到了很大的破坏，下煤层开采