多年冻土层下大倾角煤层综放开采矿压规律研究.pdf

论文题目多年冻土层下大倾角煤层综放开采矿压规律研究 专 业采矿工程 硕 士 生吴侨宁 （签名）_____________ 指导教师索永录 （签名）_____________ 摘要 江仓娘母特矿区地表覆盖厚度约 40m 左右的多年冻土层。 由于多年冻土层的物理力 学特性特殊， 使得多年冻土层下煤层在开采过程中的矿压规律与一般开采环境下的矿压 规律存在明显不同， 特别是多年冻土层的突然性破断可能会在工作面引起剧烈的矿压显 现而严重影响矿井安全生产。因此，研究多年冻土层下大倾角煤层开采的矿压规律具有 重要意义。 本文以江仓娘母特煤矿二采区为具体研究对象，采用理论分析、物理相似模拟与数 值模拟相结合的方法，对多年冻土层下大倾角煤层开采的矿压规律和上覆冻土层的破断 规律进行研究。通过理论分析和物理相似模拟实验，研究了大倾角煤层开采的覆岩垮落 特征和上覆多年冻土层的变形规律，分析了多年冻土层破断时对下方覆岩冲击的能量大 小， 利用数值模拟方法对工作面覆岩的应力分布特征和上覆多年冻土层的变形破断特征 进行分析。研究表明大倾角煤层开采后覆岩破坏具有比较明显的分带性和不对称性，多 年冻土层随着煤层开采会产生变形并与下方的覆岩产生离层， 最大离层量 1.7m； 当开采 范围达到一定程度后多年冻土层会发生破断并且整体下沉，多年冻土层的最大水平位移 量为 0.23m，竖直位移为 4.82m；通过计算得到多年冻土层的初次破断步距和周期破断 步距分别为 335m 和 98m。研究结果对多年冻土层下煤层安全高效开采具有重要意义。 关 键 词多年冻土层、大倾角煤层、综放开采、矿压规律 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Research on Law of Underground Pressure in Steep Inclined Coal Seam Fully Mechanized Caving under Permafrost Specialty Mining Engineering Name Wu Qiao-ning Signature_____________ Instructor Suo Yong-lu Signature ____________ ABSTRACT The Jang Cang Niangmute mininge area with a permaforst thickness of about 40m.Because the permafrost’s special characteristics of physical and mechanical properties, so that the law of underground pressure in course of mining under the permafrost is obviously different from that in the general mining environment.In particular, the sudden breaking of the permafrost may cause severe mining pressure appearing in the working face and seriously affect the safety production.Therefore,the study of the law of underground pressure in the steep inclined coal seam under the permafrost has great significance. This paper takes the two mining area of Jang Cang Niangmute mine as the research object,used theoretical analysis, physical similarity simulation and numerical simulation, reasearch the law of underground pressure in steep inclined seam under the permafrost and the breaking law of overlying permafrost. Through theoretical analysis and physical similarity simulation experiment,research the characteristics of overlying strata in steep inclined seam and the law of the deation of permafrost;Analysis the energy size of the impact of underground on the bottom of the permaforst,used the numerical simulation analyzed the stress distribution characteristics of the underground and the deation and failure characteristics of permafrost. The research shows that overburden rock failure in the steep inclined seam mining has obvious zoning and asymmetry.The permafrost with coal mining deation and separation with lower strata,the maximum separation volume 1.7m;When the mining area reaches a certain degree, the permafrost will break down and integral settlement,the maximum horizontal displacement of permafrost is 0.23m,the vertical displacement is 4.82m;Through the calculation of the initial permafrost breaking step and periodic breaking step are respectively 335m and 98m. The research results have important significance for the safe and efficient coal seam mining under the permafrost layer. 万方数据 Key words Permafrost, Steep Inclined Seam, Fully Mechanized Caving Mining, Law of Underground Pressure Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 1 1.1 选题背景及意义 1 1.2 冻土层的国内外研究现状 1 1.3 大倾角煤层长壁开采围岩应力及岩层运移规律相关研究 3 1.3.1 国内大倾角长壁开采和围岩控制研究现状 3 1.3.2 国外大倾角煤层开采和围岩控制研究现状 6 1.4 本课题采取研究内容、方法、路线 7 1.4.1 研究内容 7 1.4.2 技术路线 7 2 江仓矿区多年冻土层的物理力学特性及主要参数确定 9 2.1 娘母特煤矿概况及地质特征 9 2.1.1 矿井概况 9 2.1.2 首采区工作面布置 10 2.2 冻土的物理性质特点 12 2.3 冻土的物理力学性质 12 2.4 冻土的流变特性 14 2.5 江仓矿区第四系多年冻土层的力学参数 16 2.6 本章小结 17 3 多年冻土层下大倾角厚煤层开采物理相似模拟实验 18 3.1 模型设计 18 3.1.1 实验原型地质条件 18 3.1.2 实验参数确定及框架选择 20 3.1.3 相似材料及配比 20 3.2 实验冻土试样的配比及物理力学性质实验 21 3.3 实验结果分析 24 3.3.1 第一区段工作面开挖 24 3.3.2 第二区段工作面开挖 25 3.3.3 第三区段工作面开挖 26 3.4 多年冻土层变形观测 27 3.5 本章小结 28 4 多年冻土层变形破坏特征分析 29 万方数据 目录 II 4.1 多年冻土层下大倾角煤层开采基本概况 29 4.2 大倾角工作面上覆冻土层破断力学分析 30 4.3 多年冻土层破断对工作面的冲击影响 33 4.4 UDEC 数值模拟计算 36 4.4.1 数值模型及参数 36 4.4.2 模拟方案 37 4.5 计算结果分析 37 4.5.1 多年冻土层破断特征 37 4.5.2 多年冻土层位移量 40 4.6 本章小结 41 5 多年冻土层下大倾角煤层开采矿压规律分析 42 5.1 大倾角工作面覆岩运动规律 42 5.1.1 覆岩运动规律 42 5.1.2 覆岩结构特征 43 5.1.3 大倾角煤层开采工作面矿压显现特征 44 5.2 FLAC3D计算模型及参数 45 5.2.1 数值模型的建立 45 5.2.2 力学参数的选取 46 5.3 数值模拟结果分析 46 5.3.1 工作面覆岩竖直应力分布特征