范各庄矿深部首采工作面矿压规律及巷道变形控制.pdf

中图分类号TD322 论文编号2017301035 U D C 密 级 公 开 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 范各庄范各庄矿矿深部首采工作面矿压规律及巷道变形控制深部首采工作面矿压规律及巷道变形控制 作者姓名作者姓名任晓明任晓明 学科名称学科名称矿业工程矿业工程 研究方向研究方向矿山压力及其控制矿山压力及其控制 学习单位学习单位华北理工大学华北理工大学 学学制制3 年年 提交日期提交日期2016 年年 12 月月 3 日日 申请学位类别申请学位类别工程硕士工程硕士 导师导师 姓名姓名浑宝炬浑宝炬 教授教授 单位单位华北理工大学华北理工大学矿业工程矿业工程学院学院 梁希峰梁希峰 高工高工 单位单位开滦能源化工股份有限公司开滦能源化工股份有限公司 论文评阅人论文评阅人匿名匿名 单位单位 匿名匿名 单位单位 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 1 月月 18 日日 答辩委员会主席答辩委员会主席张云鹏张云鹏 教授教授 关关 键键 词词深部工作面；矿压规律；巷道变形控制深部工作面；矿压规律；巷道变形控制 唐山唐山 华北理工大学华北理工大学 2017 年年 3 月月 万方数据 万方数据 Study on Strata Behaviours and Control of Coal Roadways of the First Caving Ming in Fangezhuang Mining Area Dissertation ted to North China University of Science and Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Engineering by Ren Xiaoming Mining Engineering Supervisor Professor Yun Baoju Liang Xifeng March, 2017 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 摘 要 I 摘 要 随着煤炭深部开采的不断加大，深部岩体力学性质和力学环境发生很大改变， 在深部出现高地应力，高采动影响，导致巷道变形时间长，变形量增大，工作面矿 压显现强烈，对煤矿安全，高效开采产生巨大的影响。矿井的安全高效生产难以离 开开采带来所的矿山压力变化机理的解释，发现顶板运动和开采运移规律可以确定 煤矿安全生产多带来的隐患，可以提前准备消除这种隐患。工作面开采覆岩运动规 律是巷道深井回采工作面支承压力分布和上覆岩层活动，实质上也是由各种复杂因 素综合作用而引起的矿压规律。 以范各庄煤矿四水平 4171s 首采工作面为背景，结合力学理论、数值模拟和现 场监测对深部工作面开采矿压特点进行研究，基于砌体梁理论分析巷道顶板来压特 点，分析影响巷道稳定性因素，提出了巷道控制变形的支护理论。基于砌体梁理 论，分析范各庄深部工作面开采顶板运动特征，煤层伪顶与直接顶随工作面回采垮 落未能填充完采空区，直接顶初次断裂距离 11m；老顶受开采影响形成大垮梁， 建立初次断裂距离公式，结合支架监测工作面阻力，分析了支架工作阻力适应工作 面回采要求，通过阻力计算，分析了工作面周期来压步距 10.6m。通过数值模拟和 现场监测，对 4171s 工作面开采过程巷道变形，支承压力变化进行了分析，得到深 部工作面采动影响范围，巷道剧烈影响范围在工作面前方 37m，巷道侧向支承压 力峰值区域在 5～10m。基于巷道稳定性控制分析，提出了巷道稳定控制理论，选 择合适的煤柱宽度，范各庄矿深部巷道建议留设煤柱 9m，巷道布置在应力较低区 域，降低煤柱对下工作面回采影响。本文通过对范各庄矿 4171s 工作面开采顶板运 动规律和巷道围岩支护进行研究，得到范各庄矿深部开采覆岩运动规律，以及深部 巷道变形控制方法，为范各庄煤矿深部工作面开采提供一定的科学依据。 图 33 幅；表 9 个；参 63 篇。 关键词关键词深部工作面；矿压规律；巷道变形控制 分类号分类号TD322 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - II - Abstract With the increasing of coal deep mining, deep rock mechanics properties and mechanical environment have changed, in deep high stress, high mining resulted roadway deation and deation increases of workface, strongly influence on the coal mine safety and high efficiency mining influence. Working face mining overburden movement law is the roadway deep mining face supporting pressure distribution and overlying strata activity, in essence, is also caused by a variety of complex factors in the comprehensive role of the mine pressure appeared. Based on the four level of Fangezhuang Coal Mine 4171s mining face background, combining with the mechanical theory and numerical simulation， the pressure and roadway supporting theory was study .Based on the analysis of masonry beam theory, it was found along with the coal mining face roof and immediate roof caving has not finished filling the goaf, the initial fracture distance of 11m roof, roof induced by mining large span beam, the establishment of the initial fracture distance ula, combined with the support resistance monitoring the working face, the working resistance of support to adapt to the requirements of mining was analyzed, through the analysis of resistance calculation, cycle pressure step was 10.6m. Through numerical simulation and field monitoring of 4171s working face mining roadway deation, bearing pressure were analyzed, deep working face mining affected areas was obtained, roadway influence scope in front of the working face roadway 37m, lateral abutment pressure peak area in 5- 10m. Based on the analysis of roadway stability control, the roadway stability control theory was put forward, Fangezhuang Coal mine coal pillar roadway layout in 9m, locked in lower stress area.Through mining roof movement and roadway support of Fangezhuang Coal mine working face 4171s, the Fangezhuang mine deep mining overburden strata and deep roadway deation control was study, provided a scientific basis for the work of Fangezhuang Coal mine deep mining. Figure33; Table9; Reference63 Keywords deep working face, mine pressure rule, roadway deation control Chinese books catalog TD322 万方数据 目 次 III 目 次 引 言 ....................................................................................................................... 1 第 1 章 绪论 ................................................................................................................. 2 1.1 问题的提出及研究的意义 ............................................................................. 2 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................. 3 1.2.1 国内外深部矿压研究现状 ................................................................... 3 1.2.2 深部工作面支承压力研究现状 ........................................................... 6 1.2.3 深部巷道变形控制研究现状 ............................................................... 7 1.3 研究方案 ......................................................................................................... 8 1.3.1 研究目标及意义 ................................................................................... 8 1.3.2 研究内容 ............................................................................................... 9 1.3.3 技术路线 ............................................................................................... 9 第 2 章 深部工作面覆岩运动特征 ........................................................................... 10 2.1 范各庄煤矿 4171s 工作面概况 .................................................................... 10 2.1.1 矿井概况 ............................................................................................. 10 2.1.2 4171s 工作面概况 ................................................................................ 10 2.2 顶板运动规律 ............................................................................................... 13 2.2.1 直接顶垮落 ......................................................................................... 14 2.2.2 老顶的力学性质 ................................................................................. 14 2.3 本章小结 ....................................................................................................... 17 第 3 章 深部工作面覆岩运动数值计算 ................................................................... 19 3.1 FLAC3D 模拟方法与基本原理 .................................................................... 19 3.2 模型的建立与计算 ....................................................................................... 19 3.2.1 计算的模型和参数 ............................................................................. 19 3.2.2 数值模拟分析过程 ............................................................................. 21 3.3 数值模拟结果分析 ....................................................................................... 21 3.3.1 工作面开采最大主应力分布 ............................................................. 21 3.3.2 工作面运输巷道应力分布及破坏特征 ............................................. 24 3.3.3 工作面回风巷道应力分布及破坏特征 ............................................. 25 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - IV - 3.4 本章小结 ....................................................................................................... 27 第 4 章 深部工作面巷道围岩变形控制 ................................................................... 28 4.1 留煤柱巷道弧形三角块结构分析 ............................................................... 28 4.2 深部工作面区段煤柱宽度确定 ................................................................... 32 4.2.1 煤柱宽度确定原则 ............................................................................. 32 4.2.2 煤柱宽度数值模拟 ............................................................................. 33 4.3 深部回采巷道变形控制 ............................................................................... 35 4.3.1 深部巷道变形特点及稳定性影响因素 ............................................. 35 4.3.2 深部回采巷道变形控制 ..................................................................... 35 4.4 本章小结 ....................................................................................................... 36 第 5 章 范各庄深部工作面矿压实测与分析 ........................................................... 37 5.1 4171s 工作面开采设计 ................................................................................. 37 5.1.1 工作面特点 ......................................................................................... 37 5.1.2 回采巷道支护设计及工作面设备 ..................................................... 37 5.2 4171s 工作面现场观测 ................................................................................. 39 5.2.1 矿压观测内容 ..................................................................................... 39 5.2.2 井下测站的布置 ................................................................................. 40 5.3 工作面支架监测结果分析 ........................................................................... 41 5.4 工作面巷道观测结果分析 ........................................................................... 44 5.4.1 运输巷道支承压力监测结果分析 ..................................................... 44 5.4.2 回风巷道变形结果分析 ..................................................................... 49 5.5 本章小结 ....................................................................................................... 51 结 论 ......................................................................................................................... 52 参考文献 ..................................................................................................................... 53 致 谢 ......................................................................................................................... 58 导师简介 ..................................................................................................................... 59 作者简介 ..................................................................................................................... 60 学位论文数据集 ......................................................................................................... 61 万方数据 引 言 1 引 言 我国煤炭资源丰富，赋存范围广，在经济生产中作为能源有着不可替代的地 位，随着煤炭资源的开挖，浅部和中深部煤炭资源慢慢枯竭，煤矿开采逐渐向深部 转移，但是由于深部开采地应力高，开采扰动效应大，动力灾害明显，对矿井安 全、高效开采提出了新要求。 目前达成共识认为浅部的矿山压力理论难以指导深部开采，对于深部出现的巷 道分区破坏，煤与瓦斯突出，冲击地压和矿震，浅部理论难以解释。在前辈们的努 力工作下，我们清晰的认识到深部开采，岩石的力学性质发生变化，岩石在高应力 作用下出现流变，塑性破坏，有的出现高应力脆性破坏，说明在深部开采时，区域 应力和区域特性有很大影响。但是地下开采出现的状况，与矿山煤岩体本身性质密 不可分，和地下开采活动有更紧密的联系，不同的开采方式和方法带来不同的开采 问题，在新地质条件下矿山开采导致的顶板活动必然变得多样，因此，对深部矿山 工作面开采矿压规律研究是必不可少的。 为了研究深部工作面开采所带来的问题，进一步研究深部矿山开采带来的开采 影响，对深部工作面开采能有更系统的认识，对深部矿压规律有进一步的总结和应 用，通过对范各庄矿深部工作面开采矿压特点进行统计和分析，对矿山开采顶板运 动和支承压力演变进行分析，得到支承压力分布特征，对巷道承载受压变形特点进 行研究，分析巷道稳定性为控制关键因数，提出巷道稳定性的控制理论，为范各庄 矿深部开采提供依据。 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 2 - 第 1 章 绪论 1.1 问题的提出及研究的意义 煤炭是我国的基础能源，尽管近年随着国家发展改革，产业结构调整，新能源 大力开发使得煤炭需求量减少，但是鉴于国家能源结构的形式以及国家发展需要， 煤炭作为主体能源的地位近期是不会改变的[1-3]。目前，我国中东部主要产煤区的 浅部资源己逐渐枯竭，平均采深超过 600m，逐步向深部资源迈进。浅部开采理论 研究在煤炭前辈工作者们的努力下得到了很大的研究，取得很高的成就，但是随着 煤炭深部开采的不断加大，深部岩体力学性质和力学环境发生很大改变，在深部出 现高地应力，高采动影响，导致巷道变形时间长，变形量增大，工作面矿压显现强 烈，对煤矿安全，高效开采产生巨大的影响[4-7]。 根据开采深度统计，目前国有重点煤矿生产矿井多数达到中等开采深度，浅部 煤层开采量主要在西部地区，东边矿井中深部开采已达到 81，但东部煤矿在煤 炭资源开采仍占很重要的比重。资料显示，东部矿井最深达到 1200m 深，目前已 有超过十座千米煤矿深井，在深部 800～1200m 的矿井成倍增加，深部开采煤炭资 源已成趋势[8-10]。 随着矿井开采逐渐向深部发展，现有的理论很难支撑深部开采所面临的难题， 岩体在深部表现出软岩特性，煤层表现出冲击性，工作面支架受到矿压影响明显。 深部巷道在掘进初期巷道变形量大，变形难以稳定，在回采过程中巷道变形、底鼓 严重，严重影响工作面的安全回采，深部工作面回采时超前支承压力影响范围增 大，强烈，顶板对工作支架影响很大，造成工作面支架失稳严重。同时面对不同矿 井，深部开采出现不同开采危害，比如冲击地压、高瓦斯、高地温等，所以对深部 工作面开采过程中顶板运动，矿压规律研究是必要的，因为矿压和这些开采危害有 着必然的关系[11-13]。 范各庄煤矿位于河北省唐山市，属于开滦煤业集团，1964 年投入生产，设计 生产能力 180 万 t，1997 年生产量 325 万 t，2000 年以后产能进一步提高，2006 年 产量 450 万 t。2009 年核定矿井综合生产能力 470 万 t 保持平稳，2015 年生产总量 达到 480 万 t。随着工作面开采，三水平工作面煤炭资源逐渐被采完，下一步煤层 开采主要放在四水平，各水平布置如下表 1 所示。范各庄煤矿煤体资源丰富，煤层 开采条件较好，在开采过程中没有出现冲击地压、高瓦斯突出的灾害，但是随着工 万方数据 第 1 章 绪论 3 作面向深部转移，工作面巷道支护出现了多段失修，工作面支架受载过大等现象， 因此针对范各庄煤矿深部开采矿山压力进行研究。 表 1 范各庄煤矿开采水平 Table1 Mining level of Fan Zhuang coal mine 开采水平 标高/m 垂高/m 斜长/m 回风水平 -120 一水平 -310 190 800～900 二水平 -490 180 800～900 三水平 -620 130 550～600 四水平 -800 180 550～580 通过对范各庄矿 4171s 工作面开采顶板运动规律和巷道围岩支护进行研究，得 到范各庄矿深部开采覆岩运动规律，以及深部巷道变形控制方法，为范各庄煤矿深 部工作面开采提供一定的科学依据。 1.2 国内外研究现状 煤矿的安全高效生产难以离开开采带来所的矿山压力变化机理的解释，发现顶 板运动和开采运移可以确定煤矿安全生产多带来的隐患，可以提前准备消除这种隐 患。工作面开采覆岩运动规律是巷道深井回采工作面支承压力分布和上覆岩层活 动，实质上也是由各种复杂因素综合作用而引起的矿压显现。工作面巷道变形，工 作面矿压显现是由绝对存在的矿山压力作用的结果[14,15]。深部工作面回采覆岩运动 很复杂，其涉及到煤体力学性质，地应力，工作面支护方式，开采形式等，对其深 入研究，才能更透彻的解释顶板运动。我国煤炭开采历史不短，煤炭开采过程中所 形成的理论很多，对煤矿生产有很大的影响，面对深部开采，也有很多理论。 1.2.1 国内外深部矿压研究现状 在煤炭开采历史过程中，由最初的定性的较宽泛的分析顶板运动发展到现在的 定量的较准确的计算顶板应力和下沉，煤炭开采理论已经慢慢形成成熟完善的矿山 压力理论。在煤层开采过程中，由于煤层开挖导致层状岩层随开采不断破坏形成块 体，块体与块体之间的铰接和稳定影响着工作面开采，同时也是采场矿山压力显现 的主要影响因素。针对不同煤矿开采条件，各种顶板结构模型被提出应用于解释顶 板运动，为开采空间支护提供科学依据，其中具有代表性的国内矿压理论，有以下 几种 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 4 - 1）压力拱假说 压力拱假说是 W.Hack 和 G.Gillitzer 提出的，该理论认为煤层开采后，上方顶 板受到采动影响发生运动，在自然平衡过程中会形成一个“压力拱”，“压力拱” 随工作面推进会不断演化，拱在工作面煤壁前方形成压力拱脚，在已垮落的采空区 形成后拱脚，顶板岩层重量通过拱传递到拱脚，拱脚位置形成应力集中，压力上 升，而工作面处于“压力拱”卸压范围内，工作面支护只需考虑压力拱下方岩层重 量。 压力拱假说对煤层开采工作面前后顶板压力作出了合理的解释，对采场矿压提 高了认识和为工作面回采支护提供一定的理论参考依据，但是压力拱假说未能就压 力拱的演变特性、参数以及工作面顶板破坏发展过程作出详细分析，未能就工作面 支架与围岩关系提供参考依据[16-18]。 2）悬臂梁假说 悬臂梁假说认为，煤层开采过程中的顶板可以看做梁，一端嵌固在工作面煤壁 上方，一端悬空于采空区，随工作面回采，悬臂梁发生周期性断裂，从而引起工作 面支承压力的出现以及周期来压。该假说从煤岩体力学性质解释顶板支承压力影响 范围，分析老顶在组合梁作用下考虑弹性问题发生的二次断裂，从而为采矿周期来 压理论提供合理解释。 悬臂梁假说是以弹性梁为基础，未考虑直接顶岩层的非连续性性，因此在计算 过程中，所得的采场顶板下沉量，顶板弯曲、挠度和实测有很大的出入，该假说没 有将顶底板与支架围岩相互之间作用考虑，所以很难准确反映采场覆岩运动真实规 律[19-22]。 3）铰接岩块假说 铰接岩块假说是前苏联库兹涅佐夫提出的，该假说认为煤层开采过程中，煤层 上覆岩层发生两种破坏形式，分别为垮落和有规则移动。顶板由于煤层开挖发生垮 落，形成垮落带，垮落带可以分为两部分，下部岩层破碎垮落填充采空区，上部垮 落带较为规则，岩层发生破坏但破断不规律。在垮落带上方形成规则移动带，岩层 在破断时形成块体，块体之间形成铰接保持块体之间的稳定，整体岩块随开采有规 则沿垮落带下沉。 该假说充分考虑了支架与围岩的工作关系，认为工作面支架工作状态分为“给 定载荷状态”以及“给定变形状态”。“给定载荷状态”认为当规则移动带岩层强 度大，岩层变形小与下部采空区垮落带产生分离，此时工作面支架承受载荷主要来 自于煤层破断的直接顶，支架载荷就处于一定的给定载荷。“给定变形状态”认为 万方数据 第 1 章 绪论 5 当规则带发生较大折断、破坏、下沉时，支架上方直接顶就需要承载上方规则带岩 层重量，工作面支架受力就受到岩块件铰接的稳定的影响，支架受载也将由规则带 岩块载荷和变形达到稳定决定，所以称为给定变形。 铰接岩块假说更为合理的解释了煤层开采中，顶板的运动破坏形式，充分考虑 了支架与围岩关系，从岩层内部阐述了岩层运动形成的结构，分析了支架载荷与顶 板之间的联系。但是假说对块体之间的力学关系未能进一步研究，铰接岩块之间的 平衡机理还不透彻[23-25]。 4）预成裂隙假说 预成裂隙假说由比利时拉巴斯提出，认为煤层开采后，煤体和岩层中裂隙在工 作面支承压力的影响不断发展，这些裂隙发展方向各异，岩体在变形破坏时表现出 塑性体的特点，因此将岩体看作“假塑性体”，假说认为假塑性岩体在岩层运动受 挤压作用，岩体之间构成岩块挤压达到平衡，在开采影响下，岩层之间下沉量不 同，在工作面推进过程中，在假塑性体弯曲下沉发生离层区域出现应力降低区，在 岩层最初产生裂隙区域出现应力增高区，以及采空区的采动影响区，随着回采不断 推进，三个区域同时相应地向前移动。此假说还认为，支架对顶板运动起到控制作 用，支架足够的承载能力对顶板假塑性体破断形成的岩块之间铰合起到促进作用， 阻止岩层破断、下滑[26,27]。 预成裂隙假说创造性的提出“假塑性体”概念，不再以煤层顶板为弹性介质为 载体，从岩石裂隙角度出发分析岩层运动，合理的阐述了工作面围岩破特点。但是 该理论不能概况所有开采条件，三区划分在部分坚硬顶底板工作面不能适用。 5）“砌体梁”假说 钱鸣高院士在观测大量生产实践基础上，结合国外学者铰接岩块假说理论，提 出了“砌体梁”力学模型[28-30]，模型建立认为煤层赋存中存在坚硬岩层，在开采过 程中坚硬岩层可视作骨架支撑起上部软弱岩层，保持同步破坏。同时，在回采过程 中，采空区顶板断裂形成岩块，岩块之间铰接稳定，假说提出了岩块之间稳定铰接 方式和平衡条件，分析了基本顶在破断时对工作面岩体支承压力的影响和围岩的扰 动，合理的解释了采矿周期来压特点，为采场矿山压力控制和工作面开采空间支护 提供科学的支撑，解决了我国煤矿开采矿压难题，对生产实践起到了指导意义。 6）“传递岩梁”假说 “传递岩梁”假说是由宋振骐院士提出的，该理论在开采过程中，提出了煤层 上方直接顶，基本顶的概念，认为岩梁组合运动，岩层在推进过程中断裂成规则形 状的块，根据现场实测可绘出大致尺寸，块体之间由于相互作用始终传递水平应 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 6 - 力，岩层上方的载荷作用力传递至煤体和采空区，工作面的支架只支撑部分载荷， 支架载荷可分“给定变形”和“限定变形”两种工作方式[31,32]。该理论在实测的基 础上，提出了支承压力内外应力场概念，认为在工作面推进过程中，支承应力不断 演化，在巷道一侧煤体出现内外应力场，对下阶段工作面巷道掘进位置提供科学依 据。 “传递岩梁”假说认为由于工作面不断开采，采场矿山压力和显现是不断变化 的，假说的提出的理论重点在于矿压和覆岩运动之间的联系，通过矿压显现推测出 顶板运动，解决了开采设生产管理问题，具有重要意义。 7）其他开采矿压理论 关键层理论，钱鸣高院士以“砌体梁”理论为基础，从岩层控制角度进一步提 出了“岩层控制的关键层理论”。关键层理论认为，煤层赋存条件差异很大，岩层 中存在强度不同的岩层，而其中存在一层或几层厚硬岩层