大采高综采上覆高位厚硬岩层移动演化规律研究.pdf

论文题目 大采高综采上覆高位厚硬岩层移动演化规律研究 专 业 采矿工程 硕 士 生 同 超 （签名） 指导教师 余学义 （签名） 赵兵朝 （签名） 摘 要 亭南煤矿井田范围开采4煤，煤层平均厚度为18m。含煤地层上部赋存有厚硬洛河 组砂岩，厚度一般为200300m，与开采煤层垂距一般为160220m。与常规开采条件相 比，在高位厚硬岩层条件下开采，达到充分采动范围更大，高位厚硬岩层断裂失稳后， 往往诱发矿震，造成较为严重的矿山动力灾害，严重威胁矿井生产和人员生命安全。 本文以陕西彬长矿区亭南煤矿二盘区巨厚洛河组砂岩条件下6m大采高多工作面开 采为研究背景，在分析覆岩岩性结构的基础上，应用数值模拟分析、理论分析、综合分 析等手段对大采高综采工作面上覆高位厚硬岩层移动演化规律进行系统研究， 得到如下 结论 通过对二盘区采矿地质条件、覆岩岩性结构特征分析，得出洛河组砂岩位于开采煤 层覆岩的高位， 在覆岩移动过程中具有关键层的控制作用； 应用 FLAC3D数值模拟软件， 对高位厚硬岩层下多工作面开采进行数值模拟计算分析， 得到了不同开采尺寸下地表下 沉及覆岩破坏塑性区分布规律；应用关键层理论计算分析了覆岩中主关键层、亚关键层 的控制范围及破断模式，结合地表移动观测结果，分析了关键层铰接结构控制覆岩移动 破坏的机理； 应用数值模拟计算分析了不同开采范围和不同煤柱尺寸下地表下沉值及覆 岩破坏分布规律，在此基础上分析了区段煤柱的支撑效应。综合分析给出了大采高综采 工作面上覆高位厚硬岩层移动演化规律。 研究结果为系统地解决二盘区高位厚硬岩层下 大采高工作面安全开采提供了参考依据。 关 键 词高位厚硬岩层；大采高；覆岩移动演化规律；关键层；铰接结构 研究类型应用研究 万方数据 Subject Research on the motion and evolution regulars of overlying strata induced by large mining height fully-mechanized faces under high and thick strata of hard rock Specialty Mining Engineering Name Tong Chao （（Signature）） Instructor Yu Xue-yi （（Signature）） Zhao Bing-chao （（Signature）） ABSTRACT Bin-Chang mining region is one of the rich coal reserves in west of China, in which the main workable coal seam is No.4 coal seam, whose average thickness is 15m. There is one layer of sandstone of Luo ation with thick and hard, which has an average thickness of 200300m, the vertical distance between the sandstone of Luo ation and the mining coal seam ranges from 160m to 220m. Compared with conventional mining conditions, the range of critical mining is larger in mining under the high and thick strata of hard rock. and mine earthquake is often induced by fracturing destabilization of the high and thick strata of hard rock, which causes an comparatively serious mining dynamical disaster, which seriously threat to the mining production and safety of personnel life. Based on the large mining height faces of 6m under the very thick sandstone of Luo ation in panel No.2 of Ting-nan coal mine in Shaanxi Bin-Chang mining region, by appliing numerical simulation analysis s, theoretical analysis s and comprehensive analysis s, this thesis completed a systematic research on the motion and evolution regulars of overlying strata with high and thick strata of hard rock at the foundation of analysis of lithologic structure, and the following results were obtained. Through the analysis of mining geological condition and lithologic structure of overlying strata of panel No.2, the conclusion, that the sandstone of Luo ation, which is located on upper position of mining coal seam, plays a controling roal as the key stratum. According to the numerical simulation calculation analysis of multi-faces mining under high and thick strata of hard rock by FLAC3D software, the surface subsidence and plastic zone distribution law of overburden failure were obtained under various mining scales. Combined with the observation data of surface movement, the mechanism of overburden movement and falure 万方数据 controled by the main key stratum in various mining scales were analyzed based on key stratum theory. Subsidence distribution law of surface and overburden, based which the support effects of section coal pillars were calculated and analyzed by numerical simulation. Comprehensively, the motion and evolution regulars of overlying strata under high and thick strata of hard rock.The results of the study provide a reference for the systematic solution of safety mining of large mining height working faces under high and thick strata in panel No.2. Key words High and thick strata of hard rock; Large mining height; Motion and evolution regulars of overlying strata; Key stratum; Hinge structure Thesis Application study 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪 论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 .................................................................................................. 1 1.1.1 选题背景 ............................................................................................................ 1 1.1.2 研究意义 ............................................................................................................ 1 1.2 本文相关领域国内外的研究现状 .............................................................................. 2 1.2.1 大采高综采技术国内外研究现状 .................................................................... 2 1.2.2 大采高工作面矿压规律国内外研究现状 ........................................................ 3 1.2.3 高位厚硬岩层下大采高综采矿压控制国内外研究现状 ................................ 4 1.2.4 彬长矿区覆岩运移与矿压规律研究现状 ........................................................ 6 1.3 本文研究的主要内容 .................................................................................................. 7 1.4 本文的研究方案及技术路线 ...................................................................................... 7 2 二盘区地质采矿条件及覆岩岩性结构特征 ........................................................................ 9 2.1 矿井概况 ...................................................................................................................... 9 2.2 二盘区概况及地质采矿条件 ...................................................................................... 9 2.2.1 盘区概况 ............................................................................................................ 9 2.2.2 地层条件 ............................................................................................................ 9 2.2.3 构造条件 .......................................................................................................... 13 2.2.4 开采技术条件 .................................................................................................. 14 2.3 高位厚硬岩层定义及覆岩岩性结构特征 ................................................................ 15 2.4 本章小结 .................................................................................................................... 16 3 覆岩移动演化数值模拟分析 .............................................................................................. 17 3.1 数值模拟研究目的 .................................................................................................... 17 3.2 数值模拟软件简介 .................................................................................................... 17 3.3 模型建立 .................................................................................................................... 17 3.4 数值模拟结果与分析 ................................................................................................ 21 3.4.1 地表最大下沉量 .............................................................................................. 21 3.4.2 覆岩破坏塑性区分布规律 .............................................................................. 23 3.5 本章小结 .................................................................................................................... 25 4 高位厚硬覆岩移动演化规律 .............................................................................................. 27 4.1 覆岩关键层的判别 .................................................................................................... 27 4.1.1 关键层的特征及判别方法[18] ......................................................................... 27 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 II 4.1.2 覆岩关键层的判别 .......................................................................................... 28 4.2 高位厚硬岩层演化机理 ............................................................................................ 30 4.2.1 关键层破断判别模式 ...................................................................................... 30 4.2.2 充分采动地表下沉系数 .................................................................................. 33 4.2.3 高位厚硬岩层移动演化机理分析 .................................................................. 34 4.3 高位厚硬岩层移动演化规律综合分析 .................................................................... 36 4.3.1 覆岩及地表下沉演化过程及煤柱的支撑效应分析 ...................................... 36 4.3.2 高位厚硬岩层下大采高综采覆岩移动演化规律 .......................................... 40 4.4 本章小结 .................................................................................................................... 43 5 结论及展望 .......................................................................................................................... 45 5.1 主要结论 .................................................................................................................... 45 5.2 论文展望 .................................................................................................................... 45 致 谢 ........................................................................................................................................ 47 参考文献 .................................................................................................................................. 48 附 录 ........................................................................................................................................ 52 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 彬长矿区是我国中西部地区具有丰富煤炭储量的矿区之一， 区内地层中的白垩系洛 河组广泛分布，主要由各粒级的砂岩和砾岩组成。陕西省长武县亭口镇亭南煤矿二盘区 采用大采高的采煤工艺，二盘区位于矿井西翼北部，走向平均长度为 3055m，倾斜平均 长度为 2582m，面积 788.65 万 m2。主采煤层为 4煤层，4煤层属结构简单的单一煤层 煤层平均厚度为 15.03m；煤层倾角为 2 4 ，平均倾角为 3 。二盘区采用分层大采高综 采一次采全高开采方式，设计采高 6.0m。据二盘区钻孔探测资料显示，二盘区覆岩中赋 存有巨厚而且较为坚硬的洛河组砂岩，且赋存层位较高，属高位厚硬砂岩赋存条件。 但是众多的国内外开采实践表明，高位厚硬覆岩条件下进行煤炭开采，容易形成大 面积悬顶，当悬露面积达到极限时高位厚硬岩层的断裂，往往易诱发矿震，进而引起工 作面的强冲击和地面的强烈震动，造成严重的矿山动力灾害[1]。 因此， 研究彬长矿区亭南煤矿二盘区大采高综采工作面上覆高位厚硬岩层移动演化 规律，对于系统地解决二盘区高位厚硬岩层下大采高工作面安全开采提供了参考依据。 对于陕西彬长矿区乃至侏罗纪煤田强矿压灾害与防治技术， 具有重要的参考价值和工程 实践指导意义。 1.1.2 研究意义 论文以亭南矿二盘区高位巨厚洛河组砂岩条件下大采高综采工作面为研究背景， 对 大采高综采工作面上覆高位厚硬岩层的移动演化规律进行研究，具有以下特殊性 1 工作面上方存在层位较高距离煤层垂距约 180m、厚度较大达到 300m 左右 并且坚硬的洛河组砂岩，属高位厚硬岩层赋存条件； 2 多工作面开采，覆岩顶板断裂失稳可能导致的强矿压问题必须严加控制。 论文对亭南煤矿二盘区大采高综采工作面上覆高位厚硬岩层移动演化规律进行研 究，具有以下现实指导意义 1 对于系统地解决二盘区高位厚硬岩层下大采高工作面安全开采问题具有重要的 参考价值。 2 对彬长矿区乃至侏罗纪煤田冲击矿压灾害的研究与防治具有实践性指导意义。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 1.2 本文相关领域国内外的研究现状 1.2.1 大采高综采技术国内外研究现状 1 国外研究现状 从 1960 年1970 年开始， 国外一些专家和学者就开始对大采高综采开采方法进行了 相关技术研究19 世纪 60 年代，一种带有中间平台的采高为 5m 的大采高液压支架率 先由日本设计出来[2]；1970 年，德国和波兰相继使用了大采高综采采煤方法，并取得了 较好的使用效果[3]；进入 80 年代开始，先后有德国、美国、前苏联、英国、澳大利亚、 斯洛伐克等国家相继开始了对大采高综采技术的研究与生产实践， 都取得了较好的经济 效益[4-8]。 到 20 世纪末期，随着科学技术的飞速发展，尤其是机械、自动化、计算机技术的 发展，计算机监测、自动化控制等高精尖先进技术被诸如美国、德国、波兰、澳大利亚 等发达国家应用到大采高综采技术上来，研发设计了一批可以适应复杂条件、可以实现 高度机械化、可以实现高产高效，同时可以提高可靠性和可靠性的综采设备。如捷克某 矿采用 DBT 的综采支架，通过技术改进，在适应破碎顶板的条件下，实现了采高从 4m 到 6m 的提升，实现了高产高效采煤[9-12]。 2 国内研究现状[13-16] 我国对大采高综采技术的引进和研究始于 20 世纪 70 年代 70 年代初，我国从美国、英国、德国和波兰等国家引进一批综采设备，揭开了国内 对综采技术设备研发和制造以及综采技术人才培养的序幕。 70 年代末，我国开始了对厚煤层大采高一次采全高开采技术的初步探索。1978 年， 开滦集团有限公司范各庄矿首次引进德国生产的 4.5m 掩护式综采支架，取得了良好的 使用效果。 同时，鉴于我国当时机械制造、自动化控制等方面科技技术水平低，国内的综采大 采高工作面全部采用的是国外进口设备。 为了打破这种只引进国外技术和设备的传统模 式，通过对国外大采高综采相关技术的学习与借鉴，我国也开始了国产大采高综采设备 及其附属设施的研发与制造。 1985 年， 我国研制的第一部国产 BC520-25/47 型支撑掩护式大采高综采液压支架在 西山矿务局官地矿进行试采成功。 2009 年， 补连塔矿采用由郑州煤机厂生产的 ZY16800/32/70 支撑掩护式液压支架并 获得圆满成功，创造了世界首个 7m 大采高综采工作面的新奇迹。 此外，在晋城、潞安等矿区，已经有 7.2m 大采高综采液压支架的应用成功的案例。 万方数据 1 绪 论 3 1.2.2 大采高工作面矿压规律国内外研究现状 1 国外研究现状[17-19] 国外专家和学者最早对采场矿压规律和采场覆岩移动的研究始于 19 世纪 20 年代， 随着科学技术的发展以及人类的开采实践经验的丰富，人们对采场开采方法、采场覆岩 移动观测、采场支护方式的认知程度不断的提升，逐渐形成了以浩克W.Hack和吉丽策 尔G.Gillitzer为代表的“压力拱假说” 、以斯托克K.Stoke为代表的“悬臂梁假说” 、以 库兹聂泽夫为代表的“铰接岩块假说”和以 A.莱巴斯为代表的“预成裂隙假说” 。 全苏研究院通过物理相似材料模拟方法，对大采高覆岩运移及控制模式进行了研 究，通过研究发现覆岩的岩性结构及其岩性对老顶的来压起到至关重要的作用；老顶 破断点会随着采高的增加向煤体深处发展；随采高的增大，采场顶板位移和采场来压强 度都有所增大；随着开采厚度的增大，采场支承压力范围和大小明显扩大。全苏矿山测 量研究院的研究表明 相比普通采高来说， 大采高工作面开采会引起一些了复杂的问题。 2 国内研究现状 上世纪七八十年代， 我国学者在借鉴国外有关采场矿压和覆岩运移规律研究的基础 上，结合国内众多矿区开采实践，创造性的提出和发展了一些理论。其中最具代表和最 具权威性的有以钱鸣高为代表的“砌体梁”理论，以宋振骐为代表的“传递岩梁”假 说和以钱鸣高为代表的“关键层理论”[18,20]。 在此基础上， 国内学者对大采高工作面的矿压规律做了大量的研究并取得了丰硕成 果 弓培林[21]等通过对大采高综采工作面矿压观测与实验室模拟研究， 总结出大采高综 采工作面采场矿压显现表现为三个特征支护强度高，动载系数小，支架载荷呈现正态 分布。针对采场直接顶的不同结构形式，将采场直接顶划分为三类，即岩性相同及相近 类直接顶、厚软岩型直接顶、厚硬岩层直接顶。 郝海金、 吴健[22-23]等人通过对大采高采场覆岩结构及大采高采场矿压显现规律进行 了研究，研究结果表明大采高采场基本顶断裂位置位于采场煤壁前方，相比分层开采 及综放开采方法，大采高综采采场矿压显现更加剧烈，覆岩平衡结构所处层位更高。 张世豪[24]以寺河矿 3 号煤层开采为研究对象， 通过物理相似模拟试验研究开采不同 煤层高度条件下的采场结构及支承压力分布特征， 认为开采高度的加大会引起煤壁片帮 严重和老顶运动加剧，从而导致采场空间结构的稳定性变差。采用数值模拟计算方法对 开采参数进行了优化研究，最后确定了寺河矿条件下采用 5.5m 大采高是最优方案。 鞠金峰[15]等通过对神东矿区多个大采高综采工作面矿压显现规律进行对比分析与 总结，认为在上覆煤柱的存在可以弱化大采高综采矿压显现程度，在单一关键层下进行 大采高工作面回采，关键层与采场距离越小，采场矿压显现剧烈程度越大；在 2 层关键 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 层下进行大采高工作面回采，采场矿压显现表现为大来压和小来压的周期性规律。 李志华[25]等采用数值模拟方法，对刘庄煤矿大采高超长工作面矿压规律进行了研 究，研究认为随着开采深度的增加，大采高超长工作面采场支撑压力峰值增大；顶板 最大下沉量随着采高的增大而有所增加，与开采面长关系不大。 付玉平[26]等人通过实验室物理相似材料模拟实验，对上湾矿 5.5m 大采高工作面开 采进行模拟研究，研究认为相比普通采高，大采高工作面采场直接顶范围增大；且采 场覆岩“两带”高度相比普通采高呈台阶式剧增趋势。 1.2.3 高位厚硬岩层下大采高综采矿压控制国内外研究现状 1 国外研究现状[27-33] 国外学者对于高位厚硬岩层下大采高采场围岩及矿压控制进行了一些研究， 取得了 卓越的成果。 美国早期主要采用房柱式开采，到 20 世纪 60 年代引入长壁式开采，由于很多煤矿 归私人所有，所以他们十分注重煤柱的尺寸，并指出煤柱的强度与煤柱的尺寸、覆岩及 煤柱内部结构、采场围压和顶板动载都有关系；此外，德国、澳大利亚、南非、前苏联 等都对采场围岩及矿压控制做了一定研究。 如德国科学家埃弗林G.Everling在考虑原岩应力与开采深度关系的基础上，通过数 值模拟对深部开采采场围岩应力分布规律进行了模拟研究。 澳大利亚则需要研究煤柱宽度和采宽的关系以便在条带式开采中留设煤柱。 前苏联乌日洛夫矿通过对巷道顶底板移近量的观测研究表明， 支承压力影响范围位 于采场煤壁前方 10m，最大支承压力峰值区域内，巷道发生严重变形和破坏，且距采空 区 10m 掘进的巷道和沿采空区掘进的巷道矿压影响是相似的。 2 国内研究现状 国内对于高位厚硬岩层的研究与实践始于上世纪五六十年代，经过半个世纪的探 索、研究与发展，不仅在生产实践中获得了丰富的宝贵经验，在理论体系的研究上也立 于世界之巅。 基于冲击矿压发生所需的三个条件， 窦林名率先提出有效防治冲击矿压灾害的强度 弱化减冲理论，并在徐州三河尖煤矿进行实践，实践证明采用卸压爆破方式对围岩弹 性能进行释放，令其积聚能量小于发生冲击矿压的最小所需能量，有效降低了煤岩体的 强度和冲击倾向性，达到了防治冲击矿压的效果[18,34]。 牟宗龙[35]根据震动能量对煤体的破坏效应和在岩体中的传播衰减规律， 从能量角度 分析了顶板岩层对煤体冲击的影响程度与顶板厚度和顶板强度的关系。结合 UDEC4.0 数值模拟，分别给出了顶板运动产生的动能 Ek随顶板岩层强度 σ、厚度 h 的变化规律的 关系表达式BAEkln； h k eE  A，B，γ，λ 为系数。分析认为，厚硬顶板的 万方数据 1 绪 论 5 存在会增加冲击矿压危险性。 余学义[36]结合采场覆岩移动的“三带”思想，针对覆岩中不同位置的“托板”分别 建立了力学模型垮落带内的托板发生断裂破坏后，以砌体梁的结构方式运移；对于裂 缝带内的托板达到其极限挠度后发生断裂；弯曲下沉带内的托板不会发生断裂，整体以 挠曲变形控制上覆岩层的运移。 徐学锋[37]等人对跃进煤矿巨厚砾岩影响下的围岩高支承压力和高冲击危险性呈现 集中分布的规律进行了研究，认为当多工作面开采后，巨厚坚硬砾岩不能充分垮落，在 采空区周边煤层中形成“O”型支承压力圈，巷道在采掘中应力和高冲击危险区域在中 部区域危险性最大。 在分析采场覆岩厚硬岩层组控制作用的基础上， 曹建军[38]等人大胆采用大采宽留宽 宽条带方法，通过理论求解开采参数设计、现场工程应用，结合数值模拟实验对比和地 表移动观测分析，验证了大采宽留宽条带开采方法的优越性。 王毅[39]等人认为在采矿过程中， 由于地质条件的复杂性或生产接替需要导致工作面 布局不合理，常常诱发采场局部应力集中，导致冲击矿压等灾害发生。通过对多次冲击 矿压的分析，考虑多个因素（遗留煤柱和护巷煤柱、邻面停采线、开采条件）最终得出 了以下结论采场煤柱因为贮藏大量弹性能而容易引起应力集中；停采线周围常常产生 三角形状的高应力分布区，会诱发冲击矿压；在进行采场参数布局和设计时，应充分考 虑到采场周围高应力区和低应力区的分布情况，避免发生应力集中而导致冲击矿压灾 害。 王伟东[40]等对高位厚硬岩层下工作面重复采动的覆岩应力演化规律进行了研究， 通 过研究发现随着工作面的推进，下层煤采场边界角呈现先增大后稳定的变化规律，由 于煤层中间岩层的存在，下部采场顶板应力集中会减小。 王伟东[41]等还针对高位厚硬岩层赋存条件，建立了基于固支梁力学模型，通过公式 推导发现，影响高位厚硬岩层初次断裂步距的因素有最大拉应力、厚硬岩层高度、厚硬 岩层厚度等。通过 UDEC 离散元数值模拟软件，对高位厚硬岩层下开采，覆岩的下沉情 况及应力演化过程进行了研究。 唐巨鹏[42]等以华丰煤矿砾岩运动为研究对象， 创造性的提出了反弹效应和自相似性 等观点，应用地表下沉速度指标揭示覆岩移动与冲击矿压之间的关系。 蒋金泉[43]等通过物理相似模拟方法，研究了采场上覆巨厚岩浆岩的破断规律。认为 岩浆岩破断前成悬空状态，岩浆岩悬空结构的局部拉裂破断是导致其初次破断的原因， 破断后的岩浆岩跨落使其与下伏岩层之间离层闭合。 破断后的岩浆岩形成铰接结构控制 上覆岩土层的运移。 王金安[44]等采用RFPA数值模拟软件对厚硬顶板条件下采场覆岩移动破坏规律进行 了研究，通过模拟研究，将采场上覆厚硬顶板破断划分为三种类型顶板圆拱型破断、 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 顶板短块体破断与顶板大块体破断。 吴立新[45]等通过基本条件分析筛选和力学模式选取， 建立了托板控制覆岩及地表移 动变形的机制，揭示了托板挠曲下沉与地表下沉的关系，并通过实例分析对这一理论进 行了验证。 杨培举[46]等以济宁矿区某矿巨厚坚硬覆岩为研究对象， 通过物理相似模拟给出巨厚 坚硬覆岩的初次断裂步距及周期断裂步距； 通过理论分析分别给出采场上覆不同高度巨 厚坚硬岩层的力学模型；通过数值模拟手段对巨厚坚硬岩层下开采，采场强矿压演化机 理进行了模拟分析，并制定了相应的减灾控灾措施。 综上可见， 目前对于采场上覆厚硬顶板的运移和破断规律及其可能诱发的冲击矿压 和防治都有了充分的研究， 对于高位巨厚火成岩下大采高采场矿压及覆岩运移的研究也 达到一定深度，但是对于采场上覆高位巨厚坚硬砂岩方面的研究目前略显不足。 1.2.4 彬长矿区覆岩运移与矿压规