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全日制硕士学位论文 申请人姓名 席志渊 指导教师 赵忠明 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 开采损害与保护 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二○一五年十二○一五年十二二月月 孤岛孤岛综采工作面覆岩运动特征及矿压显现综采工作面覆岩运动特征及矿压显现研究研究 万方数据 万方数据 河 南 理河 南 理 工 大 学工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文孤岛孤岛综采综采工作面覆岩运动特征及矿压工作面覆岩运动特征及矿压显现显现研究研究，是 我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的 地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究 的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内 容，并可以采用影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD32TD32 密密 级级公开公开 UDC 622 单位代码单位代码 1046010460 孤岛综采工作面覆岩运动特征及矿压显现 研究 Study on the overlying strata movement characterstics and Strata behavior regularity of the island fully mechanized coal mining face 申请人姓名申请人姓名 席志渊 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士 学 科 专 业学 科 专 业 矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 开采损害与保护 导师导师 赵忠明 职称职称 教 授 提 交 日 期提 交 日 期 2015年10月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2015年12月 河南理工大学 万方数据 万方数据 致致 谢谢 本论文是在导师赵忠明教授的精心指导下完成的，从论文选题、资料收集、 现场调研到论文撰写的整个过程中都离不开导师的指导和支持。在过去三年，赵 老师在学习和生活上都给予了我太多无私的帮助和热情的关怀，我将一生铭记。 赵老师工作废寝忘食、认真执着，生活中又勤俭节约、艰苦朴素为我树立了榜样。 值此论文完成之际，谨向赵老师表达我最诚挚的感谢和最崇高的敬意 感谢能源科学与工程学院给我提供了良好的学习环境，感谢学院全体授课老 师对我的谆谆教导和培养。感谢韦四江老师在我数值模拟软件学习过程中给予的 指导和帮助。感谢傅龙舟老师在论文结构上给予指导并耐心地给我指出错误并提出 修改建议。感谢师兄吴建帮在论文撰写过程中对我的引导和启发。 感谢朱时东、王刚及张乐等同学所给予的帮助和支持感谢师弟刘勇良、施 天威和董伟对我的帮助，感谢室友王雷超、郝亚勋和胡海洋及能源学院全体 2012 级硕士研究生在学习上和生活上的鼎力相助 感谢我的家人多年来给予我的支持和帮助，使我能够顺利完成硕士研究生阶 段的学习和生活，在此向他们表示由衷的感谢 感谢本文所引用文献的各位著、编、译者 向百忙之中抽出宝贵时间来评阅本论文的各位专家、教授们致以深深的谢意 由于笔者时间和笔者水平有限，文中的不足之处恳请各位专家对本文批评、 指正。 席志渊 2015 年 10 月 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 煤矿在进入开采末期，为了最大限度地回收资源，大量的煤柱急需开采，这 些煤柱工作面大多已形成孤岛，因其开采受采空区周围支承压力影响，孤岛工作 面覆岩运动规律和矿压显现规律与普通工作面开采条件下有很大差别。研究孤岛 工作面开采的覆层运移规律和矿压显现规律是保证安全生产的关键所在。 本文通过资料收集、理论分析、现场实测，建立力学模型，并结合数值模 拟，对赵固一矿 11031-1 孤岛工作面的覆层运移特征和矿压显现规律进行了初步 研究。论文介绍了孤岛工作面典型的“S”型采场覆岩空间结构，初步分析了该 工作面覆岩空间结构的矿压分布特征及矿压显现规律，并对覆岩“三带”高度进 行了分析。文中结合 11031-1 孤岛工作面建立数值模拟模型，对工作面的应力场 和位移场变化进行详细分析，结合理论计算进行验证和对比，得到出该孤岛工作 面来压步距及超前支撑压力分布。最后对 11031-1 工作面进行矿压观测，并对现 场实测数据进行整理分析，结果与理论分析和数值模拟结果相吻合；而且支架阻 力、围岩变形量等实测结果皆在安全生产的允许范围之内；工作面的回采过程中 没有出现反常现象，能够满足该工作面的安全生产。 关键词关键词孤岛工作面；数值模拟；覆岩移动；矿压显现 万方数据 II 万方数据 III Abstract The Coal Mine will have urgent needed to recovering coal pillar before entered the final Period, Because of Isolated island pillar mining goaf due to dynamic pressure affect, The strata behavior is more intense than ordinary face on the whole exploitation period. The study on the strata movement characterstics and strata behavior regularity of the island working face of three-soft coal seam is the key to ensure safety in production. This paper combines based on the engineering background case of the first mine of ZhaoGu 11031-1 island working face. By analyzing the strata movement characterstics and strata behavior regularity of the island working face through data collection, theoretical analysis, field measurement, mechanical model and numerical simulation .This paper introduces the island face the typical “S“ type overlying strata spatial structure, and analyzes the pressure distribution of the working surface mine strata spatial structure and strata law, and “three zones“ height were also analyzed.In this paper a numerical model is established， which is combined with the 11031-1 island working face，the stress field and displacement field are analyzed in detail，then combine it with theory calculation，and get out of the isolated working face pressure step and advanced abutment pressure. By strata control observation of 11031-1 island working face and analysis of field measured data，and the results are consistent with theoretical analysis and numerical simulation results. The support resistance, the surrounding rock deation and the measured results are in the allowable range of safety production. It is found there are not any anomalous behaviors in the mining process, so it can ensure the safety in mining production. Keywords isolated island working face; numerical simulation; overburden movement; strata behavior regularity 万方数据 IV 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................. I Abstract ......................................................................................................................... III 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意义 ................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 1 1.2.1 覆岩运动研究现状 .................................................................................. 1 1.2.2 孤岛采场矿压显现研究现状 .................................................................. 2 1.3 本文研究内容 .................................................................................................... 3 1.4 技术路线 ............................................................................................................ 4 2 孤岛工作面开采覆岩运移规律理论分析孤岛工作面开采覆岩运移规律理论分析 .................................................................. 5 2.1 赵固一矿孤岛工作面地质采矿条件 ................................................................. 5 2.1.1 地理概况 .................................................................................................. 5 2.1.2 11031-1 孤岛工作面概况 ......................................................................... 5 2.2 煤岩物理力学性质测定 .................................................................................... 7 2.2.1 取样地点及主要实验设备 ...................................................................... 7 2.2.2.岩石物理力学参数测定结果 ................................................................... 7 2.2.3 煤岩体强度参数确定 .............................................................................. 8 2.3 采场覆岩结构类型概述 .................................................................................... 8 2.4 采场覆岩“S”型空间结构的演化规律 .......................................................... 9 2.4.1.工作面矿压显现及规律 ........................................................................... 9 2.4.2 采场覆岩“S”型结构的形成 ................................................................ 11 2.5 采场覆岩“S”型结构的矿压规律 ................................................................. 11 2.6 采场回采巷道大空间结构研究 ...................................................................... 12 2.6.1 大空间结构的形成与发展演化 ............................................................. 12 2.6.2 孤岛工作面大结构的稳定性分析 ......................................................... 13 2.7 工作面上覆岩层“三带”理论计算 .............................................................. 14 2.8 本章小节 .......................................................................................................... 16 3 11031-1 孤岛工作面矿压数值模拟及理论计算孤岛工作面矿压数值模拟及理论计算 ....................................................... 17 3.1 11031-1 孤岛工作面矿压数值模拟 ................................................................. 17 3.1.1 数值模型的建立 ..................................................................................... 17 万方数据 VI 3.1.2 数值模拟矿压显现规律分析 ................................................................. 19 3.2 11031-1 孤岛工作面采场来压步距分析 ......................................................... 33 3.2.1 孤岛面回采初次来压理论分析 ............................................................ 33 3.2.2 孤岛面回采周期来压理论分析 ............................................................. 45 3.2.3 工程理论计算 ........................................................................................ 46 3.3 本章小结 ........................................................................................................... 47 4 11031-1 孤岛工作面矿压显现规律观测孤岛工作面矿压显现规律观测 ................................................................... 49 4.1 工作面矿压观测 .............................................................................................. 49 4.1.1 观测内容及目的 ..................................................................................... 49 4.1.2 观测方案 ................................................................................................. 49 4.1.3 支架工作阻力实测曲线 ......................................................................... 50 4.2 工作面回采巷道矿压观测 ............................................................................... 59 4.2.1 巷道围岩变形观测 ................................................................................. 59 4.2.2 巷道超前支护阻力观测 ......................................................................... 61 4.3 本章小结 ........................................................................................................... 63 5 结论与展望结论与展望 ................................................................................................................ 65 5.1 结论 .................................................................................................................. 65 5.2 展望 .................................................................................................................. 66 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 67 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 69 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................ 73 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 煤炭是我国国民经济和社会发展的基础，尽管近些年在我国一次能源生产和 消费结构比例有所下降，但在相当长的时期内煤炭仍将是我国的主要能源。在煤 矿实际开采实践中，为保证工作面正常接替，避免下行连续开采工作面之间的相 互干扰，同时也是为了防治煤层自燃和瓦斯的需要，工作面之间有时被迫采用跳 采，这样不可避免地在采区内形成至少一个沿工作面推进方向两侧均为采空区的 工作面，这就是孤岛工作面[1]。为了最大限度地回收煤炭资源，孤岛工作面的开 采对于残采矿井安全高效开采意义重大[2]。 从上个世纪 80 年代开始，为了生产实际的需要，我国各大矿区对孤岛工作面 开采的研究工作逐渐展开。在煤矿实际开采实践中，矿井采空区面积逐渐增加， 开采深度在增加,开采难度逐渐加大 [3-6]，对于孤岛工作面的开采难度和强度显然 会更大，安全生产也更难得到保证[4-5]。因此，研究孤岛工作面覆岩变形破坏规律 及矿压显现，对煤矿安全生产有重大意义。综合分析孤岛工作面的地质环境、覆 岩运移特征、矿压显现规律及其对开采的影响，并实施正确有效的顶板控制措 施，是保证孤岛工作面安全生产的关键所在 [7-8]。 本文结合赵固一矿 11031-1 孤岛工作面开采技术条件进行研究，通过实验室 试验测定相关参数，综合理论分析及数值模拟技术分析，并结合现场观测结果， 进行了深入全面的分析，认清和掌握孤岛采场覆岩运动特征，矿压显现及采场应 力分布特点，选择合理支护方式，确保回采工作面的安全高效生产。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 覆岩运动研究现状 德国学者施托克提出悬梁假说，该假说认为顶板岩层是一种连续介质，在顶 板初次垮落以后，就可以视为一端固定在工作面前方煤体上的悬臂梁。 预成裂隙假说是由比利时学者 A拉把斯提出的，该假说认为，开采后覆岩 中存在各种裂隙，所以岩层将像塑性体那样可以发生很大的变形。因此可以将其 视为“假塑性体”。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 山东科技大学宋振骐院士在深入分析研究了国内外的有关工作面覆岩运动破 坏理论后，提出了具有经典的“传递岩梁”学说。 中国矿业大学钱鸣高院士通过实测研究提出了破裂后老顶的岩层组成“砌体 梁”的力学模型。“砌体梁”理论集中研究了裂隙带岩层形成结构的可能性和结 构平衡条件[9]。 煤炭科学研究院刘天泉院士根据覆岩运动和破坏特征提出了覆岩破坏学说， 长壁工作面开采后，根据覆岩变形破坏特征及其导水性能，将覆岩分为“三 带”，即冒落带、裂隙带和整体弯曲下沉带，并具体阐述了离采场较近的裂隙带 力学特性及其形态[10]。 中国矿业大学钱鸣高院士在对采场覆岩运动和破坏的认识深化的基础上提出 岩层关键层理论。在煤系地层中，由于成岩时间和矿物成分不同使各岩层的力学 特性方面不同，其中一些比较坚硬的覆岩层在采场上覆岩体的变形破坏中起着主 导控制作用，它们以某种力学结构形式支承上部岩体的压力，而它们破断后形成 的结构形态又直接影响采场矿压显现和岩层移动[11]。 根据在开采过程中对采场有明显影响的大范围覆岩破坏结构的运动演化规律 的研究，山东科技大学吴士良教授提出采场覆岩破坏划分为整体下沉带、离层 带、裂隙贯穿带和垮落带。随着采场向前推进，煤体支承压力分布峰值位于煤壁 较近的位置，并向远处呈下降分布的趋势，总体影响范围较远 [12]。 在孤岛覆岩运动规律研究方面，许多从事现场工作的技术人员经过现场实测 研究得出一些重要的结论。孤岛工作面巷道发生冲击地压的概率非常大，孤岛工 作面内会局部出现应力叠加现象，孤岛工作面沿煤层的走向和倾向，距采空区一 定范围内，为高应力区，且有两个应力叠加[13]。 1.2.2 孤岛采场矿压显现研究现状 赵国栋，康立军在兴隆庄矿在 5302 孤岛工作面采用分层综采技术进行了成功 开采。结合实测数据，可以看出孤岛工作面顺槽成巷期间变形的巷超前支承压 力、巷道表面变形速度、超前影响范围明显增大[15]。 屠世浩，郝明奎等，结合庞庄煤矿孤岛面开采实际，进行了综采旋转开采回 收孤岛煤柱工艺方式、矿压显现规律和支护技术等方面关键技术研究，在实际开 采中取得了较好的技术经济效果[16]。 朱庆华以徐州大黄山矿三个孤岛面 226（下分层）、3303（上分层）、3304 万方数据 1 绪论 3 （上分层）工作面开采情况为依据，对工作面超前段采用“宽巷维护法”，并分 析了孤岛面的顶板运动和支承压力的分布规律，总结在孤岛面开采过程中的矿压 显现特点，提出了孤岛面采煤措施[17]。 韩忙铁，王茂盛等针对古书院矿 12302 放顶煤孤岛工作面提出了相应的回采 技术解决方案，采取了在两巷超前工作面 150 m 套棚、打柱支护措施，有效地防 止了变形量进一步增大，为孤岛工作面的安全回采提供了可借鉴的经验[18]。 阴宁宝，杨锐明等通过对常村矿 S2-5孤岛工作面矿压观测及对顶板的变化规 律的摸索，并对支架支护阻力和支护强度的分析，采取有效的支护手段，成功地 采完 S2-5 孤岛工作面，对以后孤岛面的开采具有指导意义[19]。 1.3 本文研究内容 本文通过查阅大量的文献资料,以赵固一矿为背景,运用理论分析、数值模拟 和现场观测，探讨该矿 11031-1 孤岛工作面的矿压显现规律。主要研究内容有 1、资料收集及试验 通过现场资料收集，掌握该矿 11031-1 孤岛工作面的地质环境等各种现场信 息， 并从现场提取岩、煤样，并物理力学性质试验。 根据现场考察和实验室试验， 对工作面进行地质力学分析。 2、理论分析研究 根据已有理论，建立回采工作面整体力学结构模型，通过理论分析，初步总 结分析孤岛覆岩运动规律。 3、数值模拟研究 借助 3DEC 软件，建立孤岛工作面的数值模拟模型，对工作面的应力场和位 移场进行详细分析，和理论分析进行验证和对比，分析出该孤岛动压回采面来压 步距及超前支护范围。 4、现场观测 通过对现场实测数据进行整理分析，并在此基础上提出确保回采工作面安全 高效生产的必要技术措施。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 1.4 技术路线 现场观测 现场取煤、岩 样 实验室测定煤、 岩样 物理力学参数 建立力学模型 理论分析 数学推导 来压步距公式 工程计算 理论数值 数值模拟 回采变化 初步确定来压步 距 及超前支护范围 现场观测与实验结果 对比分析 结论 建立数值 模拟模型 查阅相关资料 图图 1 1- -1 1 研究技术路线图研究技术路线图 Fig.1-1 The Technology Roadmap 万方数据 2 孤岛工作面开采覆岩运移规律理论分析 5 2 孤岛工作面开采覆岩运移规律理论分析 2.1 赵固一矿孤岛工作面地质采矿条件 2.1.1 地理概况 赵固一矿属于太行山前冲洪积平原，地面海拔标高 75～100m ，全区呈北高 南低缓慢倾斜地势，地形简单，自然坡度 5～8‰。矿区北部的太行山岩层裸露， 接受降雨补给后在河谷地带形成许多岩溶大泉，并成为河流的发源地，成为煤矿 的主要充水水源。该矿属温带大陆性气候，年平均气温 14.1－14.9℃。年平均降 水量580600mm。年蒸发量1680～2041mm，夏季多东南和南风，冬季多西北和 北风，年平均风速 2.37m/s，最大风速 18m/s。区内寒武系、奥陶系石灰岩岩溶裂 隙发育，为地下水提供了良好的储水空间和径流通道，一般在断裂带附近岩溶裂 隙发育，常常形成强富水、导水带，如凤凰岭断层强径流带，朱村断层强径流 带、方庄断层强径流带等。 2.1.2 11031-1 孤岛工作面概况 11031-1 孤岛工作面东为回采结束的 11051 工作面，西为回采结束的 11031 工 作面如图2-1所示。工作面走向长1263.3m，倾向长100m，平均煤厚6.16m，煤层 倾角 0～4.2 ，平均倾角 1.5 。11031-1 工作面顶底板岩性情况见表 2-2 所示。 图图 2-1 11031-1 孤岛工作面孤岛工作面 Fig2-1 The island coal pillar working face of 11031-1 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 6 图图2-2 11031-1工作面顶底板情况工作面顶底板情况 Fig 2-2 The Roof and floor conditions on 11031-1 working face 万方数据 2 孤岛工作面开采覆岩运移规律理论分析 7 2.2 煤岩物理力学性质测定 2.2.1 取样地点及主要实验设备 煤岩样取自该矿 11031-1 孤岛工作面直接顶、老顶、直接底和老底。 取样 后在实验室进行物理力学性质实验，实验设备如图 2-3 所示 图图2-3 主要实验设备主要实验设备 Fig 2-3 The main experimental equipment 2.2.2.岩石物理力学参数测定结果 岩石物理力学参数测试结果汇总，见表 2-1 所示。 表表2-1 实验室测试结果实验室测试结果 Tab 2-1 The testingresults in laboratory 从测试结果可以看出直接顶、直接底属于软岩石类。岩体是由岩块和结构 面共同组成，其强度破坏特征不仅仅受岩块本身因素影响，还包括结构面强度、 组成结构等因素控制，由于岩体与岩块本身赋存环境的不同、本身性质及受力条 件均也不同，它们的物理力学性质有所不同。经过统计分析，得到了它们的换算 关系转换而来，转换公式为（2-1）、（2-2）来表示[20]。 3 1-2 E K （） （2-1） 岩石参数 直接顶泥岩 老顶大占砂岩 直接底砂岩及泥岩 老底砂岩及泥岩 自然视密度/kg.m3 2633 2517 2513 2611 抗拉强度/MPa 8.96 14.06 11.96 11.23 抗压强度/MPa 16.56 66.34 34.56 35.27 剪切模量/MPa 1024 5267 1045 3037 体积模量/MPa 1711 6145 1698 5255 泊松比μ 0.2 0.3 0.3 0.2 粘结力/MPa 1.1 6.1 1.1 3.6 内摩擦角/度 25 35 27 31 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 8 2 1 E G （） （2-2） 另外，目前针对松软煤体的弹性模量 E 的测定难度很大，根据对大量的煤岩 试样力学性质测定及结果分析，得到煤岩弹性模量 E 与坚固性系数 f 可表达为下 式表述的拟合关系[21] 1-4 3980fE 式中 E弹性模量，MPa； f坚固性系数。 2.2.3 煤岩体强度参数确定 根据 N Mohammand 测定结果，对表 2-1 测定结果进行系数折减，得出工作 面围岩体力学物理参数，如表 2-2 所示。 表表 2-2 最终岩体力学最终岩体力学参数表参数表 Tab 2-2 The Final of the Rock mechanics parameters 岩层 体积模量 /GPa 剪切模量 /GPa 体积力 /KN/m 摩擦角 / 粘聚力 /MPa 抗