柔模煤矸石充填开采下采场覆岩沉降研究.pdf

学学 位位 论论 文文 独独 创创 性性 说说 明明 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 学学 位位 论论 文文 知知 识识 产产 权权 声声 明明 书书 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，可以采用影印、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 万方数据 论文题目柔模煤矸石充填开采下采场覆岩沉降研究 专 业结构工程 硕 士 生孙保杰 （签名） 指导教师王晓利 （签名） 摘 要 柔模煤矸石胶结充填采煤技术是一种以破碎的煤矸石及粉煤灰为主要充填材料， 以 柔模为料浆封闭结构，施工工艺简单，施工效率高的新型采煤方法，属于绿色开采技术 的范涛。充填所形成充填体早期强度高、充实接顶率高，对采场覆岩及地表移动变形的 控制效果好。本文以高河煤矿E1302工作面为工程背景，建立了柔模煤矸石胶结充填待 充区力学模型及充填区力学模型，并利用理论计算、室内试验、数值模拟及工业性试验 的方法，系统的研究了柔模煤矸石胶结充填条件下采场矿压显现规律、岩层及地表移动 变形规律，取得的主要成果如下 （1）通过分析高河煤矿地质条件、现有充填技术及柔模煤矸石胶结充填采煤技术， 建立了基于 Winkler 弹性地基梁理论的柔模煤矸石胶结充填区简化力学模型及待充区简 化力学模型。 （2）分析了柔模煤矸石充填采场充填体与覆岩的相互作用机理，通过对充填区力 学模型及待充区力学模型的系统分析，分别推导出了采空区顶板挠度、地面沉陷与充填 体弹模等力学特性之间的关系式及待充区岩梁的极限跨距。 （3）根据柔模煤矸石充填力学模型，利用 FLAC3D 针对不同充填体强度、不同充 填体充实接顶率条件下的工况进行了模拟计算，结果表明相对于提高充填体强度，提 高充填体完全充实率对采场围岩活动的控制效果更加明显，最后对地表的最大沉陷进行 了预测，并将预测结果同模拟结果进行了对比分析，煤层开采对地表建（构）筑物的破 坏均可控制在Ⅰ级极轻微程度范围内，无需对地面建（构）筑物进行加固或维修，更不 用对村庄进行搬迁，达到了充填的目的。 关 键 词柔模；煤矸石；力学模型；理论计算；数值模拟 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Research on Settlement of Overlying Strata in Stope Filled with Flexible work and Coal Gangue Specialty Structural Engineering Name Sun Bao-jie （（Signature）） Instructor Wang Xiao-li （（Signature）） ABSTRACT Filling mining technique cemented with coal gangue and flexible work is a new filling mining ,the technique has a complete independent intellectual property rights in our country, which belongs to the green mining technology.The technology uses broken coal gangue and fly ash as filling material,with flexible work sealing slurry,its construction process is simple with high construction efficiency and its backfill has high early strength,high filling percentage and tight-filling ratio,so it can effectively control movement and deation of overlying strata and surface.This paper uses E1302 working face of Gao-He coal mine as the engineering background, established mechanical model of filling area and waiting filling area in backfill mining cemented with coal gangue and flexible work ,and systematically studied the characteristics of strata behaviors and the law of movement and deation of overlying strata and surface in stope filled with flexible work and coal gangue uses theoretical analysis, laboratory tests, numerical simulation and industrial test. The main results are as follows 1The establishment of two mechanical models of filling area and waiting filling area in backfill mining cemented with coal gangue and flexible work based on Winkler elastic foundation beam theory were established by analyzing geological conditions of Gao-He coal mine, existing filling technology and filling mining technique cemented with coal gangue and flexible work. 2Got the relationship between deflection of goaf roof, surface subsidence and mechanical properties of backfill, as well as rock beam of limit span in waiting filling area through systematic analysis of the two mechanical models after analyzing the interaction 万方数据 mechanism between overlying strata and backfill in filled stope of backfill mining cemented with coal gangue and flexible work. 3The mechanical model were simulated by FLAC3D based on different backfill strength, different filling percentage, the results show that Compared to increase the strength of backfill, more significant results obtained on control activities of stope wall rock by increasing the rate of filling. Finally, the maximum subsidence of the surface is predicted, and the forecast results were compared with the simulation results,because the damage of the ground buildings can be controlled in the first degree, there is no need to reinforce or maintain the ground buildings, not to move the village, so reached the purpose of filling. Keywordsflexible work；coal gangue；mechanical model；theoretical calculation； numerical simulation Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论........................................................................................................................................1 1.1 选题背景与研究意义.................................................................................................1 1.1.1 选题背景..........................................................................................................1 1.1.2 研究意义..........................................................................................................2 1.2 研究现状以及存在的主要问题.................................................................................4 1.2.1 煤矿充填开采覆岩结构变形规律研究进展..................................................4 1.2.2 煤矿充填采场覆岩移动变形及地面沉陷控制研究简述..............................6 1.2.3 存在的主要问题..............................................................................................7 1.3 主要研究内容及总体目标.........................................................................................8 1.3.1 主要研究内容..................................................................................................8 1.3.2 总体研究目标..................................................................................................9 2 柔模煤矸石胶结充填技术的适用性研究..........................................................................11 2.1 充填试验区工作面概况...........................................................................................11 2.1.1 高河煤矿概况................................................................................................11 2.1.2 E1302 工作面概况 .........................................................................................11 2.1.3 煤层赋存条件................................................................................................12 2.1.4 地质构造........................................................................................................12 2.1.5 E1302 工作面围岩及其特征 .........................................................................13 2.1.6 其他................................................................................................................15 2.2 煤岩体物理力学参数...............................................................................................15 2.2.1 测试方法及测试内容....................................................................................16 2.2.2 测试结果及分析............................................................................................16 2.3 充填材料选择...........................................................................................................18 2.3.1 煤矿主要用充填材料....................................................................................18 2.3.2 煤矸石胶结充填配比推荐............................................................................22 2.3.3 推荐胶结充填料的技术参数........................................................................22 2.4 充填料浆的密闭结构...............................................................................................23 2.4.1 充填料浆封闭隔离挡墙的分类....................................................................23 2.4.2 充填料浆封闭隔离挡墙选择........................................................................27 2.5 本章小结...................................................................................................................28 万方数据 目录 II 3 柔模煤矸石胶结充填采场顶板控制机理研究..................................................................30 3.1 充填体与上覆岩层结构的相互作用.......................................................................30 3.2 充填区力学模型分析...............................................................................................31 3.2.1 弹性地基板理论............................................................................................31 3.2.2 柔模煤矸石胶结充填弹性地基板模型的建立............................................32 3.2.3 柔模煤矸石胶结充填简化力学模型............................................................33 3.3 待充区力学模型分析...............................................................................................37 3.4 充填体早期强度的确定...........................................................................................39 3.5 本章小结...................................................................................................................41 4 柔模煤矸石胶结充填开采的数值模拟研究......................................................................43 4.1 数值模拟软件介绍及应用.......................................................................................43 4.2 数值分析计算模型的建立及分析方案...................................................................44 4.2.1 模型的建立....................................................................................................44 4.2.2 模拟方案........................................................................................................45 4.3 数值模拟结果及分析...............................................................................................46 4.3.1 不同充填体强度条件下岩层活动规律........................................................46 4.3.2 不同充实率条件下岩层活动规律................................................................53 4.4 本章小结...................................................................................................................55 5 工程应用..............................................................................................................................56 5.1 工程概述...................................................................................................................56 5.2 充填技术工艺...........................................................................................................56 5.2.1 技术原理........................................................................................................56 5.2.2 施工工序........................................................................................................56 5.2.3 施工材料及设备............................................................................................57 5.2.4 效益分析........................................................................................................58 5.3 采场矿压及地表移动监测.......................................................................................58 5.3.1 监测内容及仪器............................................................................................58 5.3.2 监测方案........................................................................................................58 5.4 地表沉陷预计及充填效果评价...............................................................................61 5.4.1 参数选取及地表沉陷预计............................................................................61 5.4.2 充填效果评价.................................................................................................62 5.5 本章小结...................................................................................................................63 6 结论与展望..........................................................................................................................64 万方数据 目录 III 6.1 主要结论...................................................................................................................64 6.2 展望...........................................................................................................................65 致 谢......................................................................................................................................66 参考文献..................................................................................................................................67 附 录......................................................................................................................................70 万方数据 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 在分析煤炭在我国能源结构中的重要性地位的基础上分析了我国煤炭大规模开采 所面临的环境问题与资源问题，阐述了本文所选课题的研究意义，分析了煤矿充填开采 技术及充填采煤采场覆岩移动变形与矿压控制理论的国内外研究现状。最后介绍了论文 研究的主要内容、研究方法、目标及总体技术路线。 1.1 选题背景与研究意义 一直以来我国煤炭大规模开采所采用的传统垮落法管理采空区顶板造成了目前我 国诸多环境与资源问题，包括“三下” （建筑物、铁路及水体下）压煤浪费严重、煤炭 采出率低、地下水流失、土地贫化、大面积的地表沉陷、地面建筑物破坏以及煤矿废弃 物露天排放致使环境污染严重、后期治理代价昂贵等一系列资源、环境、社会、民生、 经济等问题。本节阐述了论文基于以上问题的选题及研究意义[1-5]。 1.1.1 选题背景 煤炭是世界上分布最广、储量最多的常规性能源，也是最重要的战略性资源之一， 被广泛应用于热电、化工、钢铁等工业生产以及居民生活领域[6]。来自于英国石油公司 的 2007 世界能源统计年鉴的数据显示，我国作为目前世界头号产煤大国，煤炭产量占 世界产量的 1/3 左右，同时又是煤炭头号消费大国，煤炭在我国一次性能源结构中一直 占据着绝对的主要地位。 世界 2006 年煤炭生产和消费排名前 7 位国家排名如表 1.1 所示 [7-11]。 表表 1.1 2006 年年世界世界煤炭生产煤炭生产及及消费前消费前 7 位国家位国家（（单位单位百万吨石油当量百万吨石油当量）） 排序 国家 生产量 比重/ 排序 国家 消费量 比重/ 1 中国 1212.3 39.4 1 中国 1191.1 38.6 2 美国 595.1 19.3 2 美国 567.3 18.4 3 印度 209.7 6.8 3 印度 237.7 7.7 4 澳大利亚 203.1 6.6 4 日本 119.1 3.9 5 南非 144.8 4.7 5 俄罗斯 112.5 3.6 6 俄罗斯 144.5 4.69 6 南非 93.8 3.0 7 印度尼西亚 119.9 3.9 7 德国 82.4 2.7 -- 其他国家 450.3 14.6 -- 其他国家 686.0 22.2 -- 世界合计 3079.7 100.0 -- 世界合计 3090.1 100.0 注1t 石油当量约等于 1.45t 标准煤。资料来源BP Statistical Review of Word Energy 2007. 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 目前，虽然随着风能、水能、核能、生物质能、地热等其他能源的不断开发与发展， 煤炭在我国能源消费总量中的比例由上世纪五十年代的 90下降到目前的 70左右。 在 中国可持续能源发展战略研究报告中，中国工程院及中国科学院的二十多位院士一 致认为， 即使到了2050年， 煤炭在我国能源消费总量中的所占的比例仍然不会低于50。 这也是由我国“多煤、少气、缺油”的能源资源分布的基本国情所决定的。可以预见， 在将来相当长的时间内煤炭仍将是我国的主要能源，支撑我国国民经济快速、健康、可 持续发展及保证国家能源安全的重要支柱[6]。然而，伴随着煤炭为我国经济高速增长提 供能源保障，为社会的快速进步做出巨大贡献的同时，其传统的煤炭开采方式也造成了 严重的环境污染破坏、能源浪费以及采空区顶板垮塌所引起的次生灾害等一系列问题。 因此发展新型的煤炭绿色开采技术将是煤矿走可持续发展之路的唯一有效方法，完善煤 炭绿色开采技术已成为当今我国煤炭行业健康、可持续发展所面临的重要课题。 1.1.2 研究意义 山西作为我国的煤炭开采大省，如上所述的由于煤炭开采所带来的环境污染破坏、 能源浪费以及采空区顶板垮塌引起的建筑物破坏、地下水流失、地面沉陷、矿区局部地 震等一系列次生灾害诸多为题尤为突出。据统计，山西因煤炭开采所形成的采空区面积 已高达 2 万 km2，约等于山西全省国土总面积的八分之一[12]。由此已使山西成为采空区 灾害最严重的地区。由于采煤而导致地表水径流减少严重，致使井水水位下降或干凅三 千多处，影响水利工程四百多处，水库四十多座。山西省发改委认为因山西省煤炭开采 所带来的地表大面积塌陷、水资源破坏严重、煤矸石大量堆积、水土流失以及植被破坏 常态化等生态环境恶化问题[13]，已致使受灾人口多达 300 万。 表表 1.21.2 潞安矿区村庄潞安矿区村庄下压煤现状下压煤现状 序号 煤矿名称 村庄面积/m 村庄压煤面积/m 压煤量/亿 t 1 王庄矿 7814764 18662036 1. 52 2 漳村矿 1646818 5788533 0. 47 3 五阳矿 6943171 11986883 0. 98 4 常村矿 12502836 52723389 4. 28 5 石圪节矿 17508 74654 0. 006 6 司马矿 2982457 10004319 0. 82 7 屯留矿 27077753 105186909 8. 89 8 高河矿 5997914 29358388 2. 55 9 古城矿 13183850 84645460 6. 95 总计 -- 78167071 318430571 26. 46 万方数据 1 绪论 3 山西潞安集团作为山西煤炭行业的龙头企业，其下属矿区地势相对较为平坦，村庄 比较密集，村庄下压煤情况十分普遍，通过对潞安矿区的漳村煤矿、常村煤矿、王庄煤 矿、石圪节煤矿、五阳煤矿、屯留煤矿及司马矿 7 对生产矿井以及高河煤矿、古城煤矿 2 个基建矿井的村庄下压煤的现状进行了调查统计[14]，其调查结果详见表 1.2。 针对潞安矿区下属煤矿的村庄下压煤量的统计结果进行分析可知，仅常村煤矿、王 庄煤矿等上述七个煤矿的村庄下的压煤量就高达 26. 46 亿 t，约占工业总储量的 44， 同时由于该地区村庄分布密集，使得煤田被众多纵横交错的保护煤柱分割得非常零碎， 井田内的正规大采面难以布设[14]，大大降低了矿区的生产效率，严重制约着煤矿企业的 发展。 针对以上问题，因地制宜的提出了煤炭绿色开采技术体系，如图 1.1 所示，以煤矸 石作为主要骨料，经破碎胶结后利用管道充入采空区，以达到控制井下采空区覆岩移动 变形以及地面下沉的技术体系[15]。以期降低煤炭开采的完全成本（其中完全成本主要包 括资源成本、生态成本、环境成本以及原有的“生产成本” ） ，缓解煤炭开采同人类生存 环境、资源等之间的矛盾，实现山西煤炭开采的技术转型。 图 1.1 煤炭绿色开采体系 随着煤炭充填开采的不断实践与发展，充填开采技术日趋成熟，基本能够达到地面 减沉的效果。但其理论研究尚处于初步发展阶段，与工程实践不匹配；缺乏对煤矸石胶 结充填采空区覆岩以及地表变形移动规律的认识及其预计理论的研究，尤其是厚煤层一 传统煤炭开采 矸石排放 岩层移动 地面沉陷及建 筑物破坏 占用农田污染 环境 地下水资源 破坏 绿色开采 矸石井下利用 充填开采 保水开采 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 次采全高工况下的覆岩结构形态演化的理论研究； 煤矸石胶结充填料的设计理论不够系 统；尚未建