新集二矿采空区巨厚砂岩顶板的三带高度分布特征研究.pdf

分 类 号TD325 密级公开 单位代码10878 学号20113301049 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 论文题目论文题目新集二矿采空区巨厚砂岩顶板的新集二矿采空区巨厚砂岩顶板的 三带高度分布特征研究三带高度分布特征研究 学科门类学科门类工学硕士工学硕士 学科专业学科专业结构工程结构工程 研究方向研究方向地下结构计算理论与分析地下结构计算理论与分析 作者姓名作者姓名聂留洋聂留洋 导师姓名导师姓名吴德义教授吴德义教授 完成时间完成时间2014.42014.4 万方数据 万方数据 新集二矿采空区巨厚砂岩顶板的 三带高度分布特征研究 Study on Three Zone Height Distribution Characteristics of the Thick Sandstone Roof about XinJi 2 Mine Gob 学科门类学科门类工学硕士工学硕士 学科专业学科专业结构工程结构工程 研究方向研究方向地下结构计算理论与应用地下结构计算理论与应用 作者姓名作者姓名聂留洋聂留洋 导师姓名导师姓名吴德义教授吴德义教授 完成时间完成时间2014.42014.4 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - I - 摘要 采空区由于受到采动的影响，上部覆岩岩层形成三个部分冒落带、裂隙带、 弯 曲下沉带， 采空区三带的观测对煤矿的安全开采和回采至关重要， 对高抽巷的布置和 瓦斯的抽放布置有重大的实用价值，本文首先对“三带”基本概念、形成机理、影响 因素、按受力划分标准、三带传统的观测方法优缺点等进行详细介绍。而对于巨厚砂 岩顶板的专门研究较少， 本文针对巨厚砂岩顶板进行了系统的对比分析， 同时传统的 观测三带的方法不能满足现代的需要，不能给人以直观、准确的可视化的研究，本文 是利用新的观测三带方法即钻孔摄像仪对三带进行观测， 为煤矿的安全开采提供了新 的观测技术和方法。 本文采用理论公式、 数值模拟计算、钻孔摄像仪的现场实测对新集二矿的 1 煤巨 厚顶板的三带发育和分布规律进行综合分析，确定出三带的高度。 理论分析采用国内 外的研究出来的比较成熟的经验公式，计算出巨厚 1 煤巨厚砂岩顶板的三带高度， 并 通过工程类比得出初步的理论计算值, 冒落带高度 Hm16.0-21.0m,裂隙带高度为 Hl 60.0-88.0m；数值模拟通过 FLAC3D建立开采的模型，计算出弹塑性变化图、应力等 值线、位移等值线，分析不同岩性、不同顶板厚度情况下的变化规律，通过对五个不 同的模型分析得出新集二矿巨厚砂岩的特征,数值模拟方法得到冒落带高度为 23.0m， 明显裂隙带高度 44.0m,裂隙带高度 84.0-88.0m； 现场实测采用新技术钻孔摄像仪进行 观测， 根据测得的数据进行分析得出实测的三带的高度， 对理论结果和数值模拟结果 进行验证，实测冒落带的高度为 21m，明显裂隙带为 38m。综合分析得出巨厚砂岩顶 板三带的高度分布特征，冒落带高度范围为21-23m，明显裂隙带高度范围为 38-44m， 裂隙带高度范围为84-88m,为进一步研究覆岩的运动规律提供基础， 为瓦 斯的抽放和煤矿的安全开采、回采提供指导意义。 图 [35] 表 [15] 参 [55] 关键词关键词三带观测;巨厚砂岩;理论分析;FLAC3D;钻孔摄像仪 分类号分类号TD325 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - II - 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - III - Abstract Due to the influence of the Mined-out area,the three parts are atted in the upper rock the caving zone,fractured zone,bending subsidence zone,the observation of the three zone about the Mined-out area is very important for the safety production of coal mine,it has great practical value for the arrangement of high drainage and gas drainage arrangement, Firstly, the basic concept of “three zones“, ation mechanism, influencing factors, the standard divided by the force, the advantages and disadvantages of traditional three-band observation s described detailly in this article.Special research on thick sandstone roof is less,theoretical analysis of the thick sandstone roof is recommended in this paper,while traditional of three-zone can not meet modern needs,intuitive and accurate visual research is not received,the new observations of three band is used to observe,namely the borehole camera,providing new observation techniques and s for the safety of coal mining. In this paper,theoretical ula,numerical simulation,field measurement of borehole camera are used to analysis comprehensively the three zones of the development and distribution of xinji two coal mine,the height of the three zones is determined.The domestic and foreign achievement of more mature experience ula and the engineering analogy are used in theoretical analysis,the thick sandstone roof of the 1 thick coal height on the three zones is calculated,the caving zone is 16-20m,fractured zone is 60-88m;By FLAC3D numerical simulation a mining model is established, elastic-plastic graph、stress contours、 displacement contours are calculated,the variation of different lithology and different roof thickness are analysised,the five different model characteristics of the thick sandstone about xinji two coal mine are getted,the caving zone is 23m,obvious fractured zone is 44m,fractured zone is 84-88m; new technology of borehole camera is used in field measurement,the three zone height based on the measured data is analysised to verify theoretical and numerical simulation results,the caving zone is 21.0m,obvious fractured zone is 38m.The height distribution of three zones about thick sandstone roof is comprehensivlyanalysised,thecavingzoneis21-23m,obviousfracturedzoneis 38-44m,fractured zone is 84-88m, providing the basis for further study on the movement of overburden rock and guidance for the safe exploitation of coal and gas drainage. Figure[35] table [15] reference [55] 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - IV - Keywordstheobservationofthreezone;thethicksandstone;theoryanalysis; FLAC3D;borehole camera. Chinese books catalog TD325 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - V - 目录目录 摘要........................................................................................................................ I Abstract........................................................................................................................III 插图清单......................................................................................................................IX 表格清单......................................................................................................................XI 第一章绪论................................................................................................................1 1.1 研究背景及研究意义......................................................................................1 1.1.1 研究背景...............................................................................................1 1.1.2 研究意义...............................................................................................2 1.2 国内外的研究现状..........................................................................................4 1.2.1 国内的研究现状...................................................................................4 1.2.2 国外的研究现状...................................................................................5 1.3 研究的内容与技术路线..................................................................................5 1.3.1 研究的内容及技术路线.....................................................................6 第二章三带理论和现场探测方法的比较................................................................7 2.1 三带理论..........................................................................................................7 2.1.1 采空区覆岩三带的形成机理.............................................................7 2.1.2 三带基本概念.....................................................................................8 2.1.3 三带空间状态.....................................................................................9 2.1.4 三带的影响因素.................................................................................9 2.1.5 三带按受力划分高度的判定标准...................................................12 2.2 现场探测方法的比较....................................................................................12 2.2.1 三带的传统现场探测方法...............................................................12 2.2.2 本项目的三带的现场探测仪器介绍...............................................14 2.3 本章小节........................................................................................................19 第三章工程背景及三带的经验分析......................................................................21 3.1 工程背景........................................................................................................21 3.1.1 地质状况...........................................................................................21 3.2 巨厚砂岩覆岩三带规律的经验公式估算....................................................27 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - VI - 3.3 巨厚砂岩覆岩三带规律研究的工程类比...................................................30 3.4 本章小结.......................................................................................................32 第四章巨厚砂岩顶板主应力及位移分布数值模拟..............................................33 4.1FLAC3D软件的介绍...................................................................................33 4.2 不同条件煤层顶板主应力及位移分布的数值模拟模型的建立................36 4.3 数值模拟计算结果........................................................................................38 4.3.1 距采煤面不同距离截面采空区覆岩垂直位移等值线图..............38 4.3.2 不同条件下距离采煤面 100m 处即中间位置的主应力等值线图.40 4.3.3 不同条件采空区覆岩塑性圈分布计算结果...................................42 4.4 本章小结.......................................................................................................44 第五章巨厚砂岩顶板的模拟三带高度分析..........................................................45 5.1 不同条件采空区覆岩主应力随距采空区顶板距离变化..........................45 5.2 不同条件采空区覆岩垂直位移随距顶板距离变化...................................48 5.3 不同条件采空区覆岩”三带”估算............................................................52 5.4 本章小结........................................................................................................53 第六章 巨厚砂岩顶板“三带”的钻孔摄像观测及数据的分析............................55 6.1 巨厚砂岩顶板“三带”的钻孔摄像观测...................................................55 6.1.1 现场实验设计..................................................................................55 6.1.2 钻机的选择和施工中事故的处理.....................................................56 6.2 实测结果及分析............................................................................................57 6.3 本章小结........................................................................................................62 第七章 结论与问题展望............................................................................................63 7.1 结论................................................................................................................63 7.2 问题展望........................................................................................................64 参考文献......................................................................................................................65 致谢..............................................................................................................................69 作者简历及读研期间的主要科研成果......................................................................71 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - VII - ContentsContents Abstract........................................................................................................................Ⅲ List of figures...............................................................................................................Ⅸ List of Tables ..............................................................................................................Ⅺ ChapterⅠIntroduction ................................................................................................. 1 ChapterⅡThree Zone Theory and the Comparison of Field detection ............7 Chapter Ⅲ Engineering Backgroud and the Experiend Analysis of Three Zone...... 21 Chapter Ⅳ the Numerical Simulation of Stress and Displacement Distribution about the Thick Sandstone Roof............................................................................................33 ChapterⅤSimulation of Three Zones of High Analysis about the Thick Sandstone Roof..............................................................................................................................45 Chapter Ⅵthe Borehole Camera Observation and Data Analysis of three zones about the Thick Sandstone Roof..................................................................................55 Chapter Ⅶ Conclusion and Discussion......................................................................63 References....................................................................................................................65 Acknowledgements......................................................................................................69 AboutAutor and Main Research Achievements during Graduate...............................71 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - VIII - 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - IX - 插图清单 图 1-1 采空区三带的空间位置示意图................................................................2 图 1-2 钻孔摄像测得的图像示意图....................................................................3 图 1-3 技术路线....................................................................................................6 图 2-1 采空区三带的空间形状示意图................................................................ 9 图 2-2 钻孔双端堵水器平面示意图.................................................................. 13 图 2-3 地震波观测原理示意图.......................................................................... 14 图 2-4 钻孔摄像仪系统结构示意图.................................................................. 16 图 2-5 摄像机开机示意图.................................................................................. 17 图 2-6 观测时摄像仪的示意图.......................................................................... 17 图 2-7 数据采集系统示意图.............................................................................. 18 图 3-1 210108 工作面相邻巷道布置图............................................................. 26 图 3-2 巷道与工作面平面位置.......................................................................... 26 图 3-3210108 工作面地质剖面图.................................................................. 26 图 3-4 210108 工作面瓦斯抽放系统图............................................................. 27 图 4-1 数值计算模型及网格划分示意.............................................................. 36 图 4-2 不同岩层分布示意图.......................................................................... 37 图 4-3 采空区、采煤面及附近岩体位置关系.................................................. 37 图 4-4 采空区覆岩不同位置垂直位移等值线图（计算模型 1）................... 39 图 4-5 采空区覆岩不同位置垂直位移等值线图（计算模型 2）................... 39 图 4- 6 采空区覆岩不同位置垂直位移等值线图（计算模型 3）.................. 39 图 4-7 采空区覆岩不同位置垂直位移等值线图（计算模型 4）................... 40 图 4-8 采空区覆岩不同位置垂直位移等值线图（计算模型 5）................... 40 图 4-9 覆岩主应力等值线图（计算模型 1）................................................... 41 图 4-10 覆岩主应力等值线图（计算模型 2）................................................. 41 图 4-11 覆岩主应力等值线图（计算模型 3）..................................................41 图 4-12 覆岩主应力等值线图（计算模型 4）................................................. 42 图 4-13 覆岩主应力等值线图（计算模型 5）................................................. 42 图 4-14 不同条件采空区覆岩塑性分布............................................................ 43 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - X - 图 5-1 不同条件采空区覆岩主应力随距采空区顶板距离变化...................... 47 图 5-2 不同条件采空区覆岩位移随距顶板距离变化...................................... 50 图 5-3 不同条件采空区覆岩位移梯度随距采空区顶板距离变化.................. 51 图 6-1 钻孔位置高度示意图 ............................................................................ 55 图 6-2 钻孔的水平位置示意图.......................................................................... 55 图 6-3 钻孔 1数据结果..................................................................................... 58 图 6-4 钻孔 2数据结果..................................................................................... 60 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - XI - 表格清单 表 2.1 不同分层裂隙带、冒落带高度..............................................................10 表 2.2 不同分层裂隙带、冒落带占总采厚比例...............................................11 表 3.1 煤层顶底板情况表...................................................................................22 表 3.2 210108 综采工作面（首采面）综合柱状图..........................................22 表 3.3 三带的经验计算公式...............................................................................27 表 3.4 选用的经验公式计算值...........................................................................30 表 3.5 不同煤矿条件覆岩三带高度数据...........................................................31 表 4.1 基本形状网格特征...................................................................................35 表 4.2 不同层岩石物理力学参数..............................................................