基于沿空留巷矿井采空区地下水库建设研究.pdf

分类号分类号TD3TD35353 密密 级级公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码1042410424 学学 位位 论论 文文 基于沿空留巷矿井采空区基于沿空留巷矿井采空区 地下水库建设研究地下水库建设研究 杨杨 光光 林林 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名邹邹 德德 蕴蕴 职职 称称副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一七年六月二零一七年六月 万方数据 论文题目论文题目 基于沿空留巷矿井采空区基于沿空留巷矿井采空区 地下水库建设研究地下水库建设研究 作者姓名作者姓名 杨杨 光光 林林 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师 邹邹 德德 蕴蕴 职职 称称 副副 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 2017年年6月月 论文答辩日期论文答辩日期 2017年年6月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 Study on construction of goaf underground reservoir of gob side entry retaining roadway A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Yang Guanglin Supervisor Professor Zou Deyun College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公认本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公认 的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经标明除文中已经标明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解本人完全了解山东科技山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其指学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其指 定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学校档案 馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制 手段保手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开 的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏 览。览。 （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）） 硕士生硕士生签名签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查学位论文审查认定书认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照在规定的学习年限内，按照培养方案培养方案及个人培养计划及个人培养计划，， 完成了课程完成了课程学学习，成绩合格习，成绩合格，修满规定学分，修满规定学分；在我的指导下完成；在我的指导下完成本学位论文本学位论文，，论论 文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为申请学位论文。同意将本论文作为申请学位论文。 导师导师签名签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士论文 摘要 摘摘 要要 本论文研究目的是将留巷墙体代替 30m 宽的保护煤柱，从而建设采空区地 下水库。在回采结束后将采空区垮落空间作为储水空间，从而分析建设采空区 地下水库的可行性，发展采空区地下水库的建设理论和技术体系。通过对采空 区地下水库的概念、分类方法以及特征的总结，建立以沿空留巷采空区地下水 库为基础的建设工艺、运行系统，从而确定采空区地下水库是保护煤矿地下水 资源的有效方法。 通过留巷墙体对采空区的有效隔离，形成密闭空间，在工作面回采时，产 生的矿井水，可以储存在采空区地下水库内，从而达到保水采煤的效果。在沿 空留巷技术思想上，对留巷墙体进行二次开发，增加留巷墙体的作用，对比将 煤柱作为煤矿采空区地下水库坝体，此方法提高了煤炭回采率，具有一定的生 态效益和经济效益。 在下水平回采时，通过对上水平采空区地下水库间合理调水，形成水库间 的调水系统，此调水系统防止了裂隙贯通上水平老采空区积水，同时防止了顶 板突水事故。采空区空间上存在“空-实-空”的结构，通过对流经采空区地下水 库的矿井水进行净化，形成煤矿采空区地下水库的矿井水净化原理。 采用 UDEC 和 FLAC 3D 对上覆岩层下沉运动状态进行数值模拟，通过对 数值模拟结果的分析，得出煤矿采空区地下水库储水空间的分布规律是垮落 带内储水空间呈中间压实，四周 O 型圈外围呈松散分布状态，裂隙带内储水空 间分布在离层空隙中以及竖向岩体裂隙中，垮落带内储水空间分布垮落岩体空 隙中，垮落带和裂隙带岩体空隙共同作为煤矿采空区地下水库储水空间。通过 建立煤矿采空区地下水库数学模型，对沿空留巷墙体围堵的采空区进行库容计 算，实现对采空区地下水库库容计算方法的总结。基于多因素耦合，建立了沿 空留巷煤矿采空区地下水库模型，设定沿空留巷留巷墙体力学参数。 以上研究内容为煤矿采空区地下水库的建设提供一套系统的理论，尤其针 对西部干旱、半干旱地区水资源的保护具有重要意义。 关键词关键词沿空留巷；采空区地下水库；留巷墙体；库容；水体净化 万方数据 山东科技大学硕士论文 摘要 Abstract The purpose of this paper is to replace the 30m pillar with the retaining wall, so as to build an underground reservoir in the goaf. At the end of the mining, the caving space of the mined area is regarded as the storage space, so as to analyze the feasibility of building the underground reservoir, then the construction theory and the technical system of the underground reservoir will be developed. Though the summary of the concept、classification and characteristics of the goaf underground reservoir, construction process and operation system will be founded, which determine the goaf underground reservoir as an effective way which can protect water resources. Through the effective separation of the retaining wall, a confined space is ed. When the face is extracted, the produced water can be stored in the goaf, so as to achieve the effect way of water saving and coal mining. Based on the roadway, through the twice development of the retaining wall, which increase the role of the retaining wall. Compared the way which using of the coal pillar as the wall to construct the underground reservoir, improving the coal recovery rate, which has a ecological and economic benefits. In the process of next level mining, through water diversion system which can prevent the crack coalescence and water inrush accident. There is a “empty - real - empty“ structure in the goaf space. Through the convection of the mine water, and the mine water could be purified. Using UDEC and FLAC 3D to simulate the overlying strata subsidence movement, which conclude the law water storage space distribution of underground reservoir is that falling water storage space which is a loose distribution in the middle zone and around the outside of the ring type O compaction. The water storage in the fracture zone is distributed in the gap between the separation layer and the vertical rock mass. The spatial distribution of water storage in the caving zone is in the gap of the collapsed rock. Through establishing of the mathematical model of underground 万方数据 山东科技大学硕士论文 摘要 reservoir, the storage capacity can be calculated. Based on multi factor, the model of underground reservoir can be established, and the mechanical parameters of retaining wall along gob side entry could be set. The above research provide a systematic theory for the construction of underground reservoir in coal mining area, especially for the protection of water resources in arid and semi-arid areas of Western China. Key words gob side entry retaining; underground reservoir of coal mine goaf; roadway side filling body; storage capacity; water purification 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录目录 1 1 绪论绪论 .................................................................................................. 1 1 1.1 课题的提出及研究意义 ....................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................... 2 1.3 主要研究内容、研究方法及技术路线 ............................................................... 7 2 2 采空区地下水库可行性分析采空区地下水库可行性分析 ............................................................ 9 9 2.1 沿空留巷工作面顶板运动规律分析 ................................................................... 9 2.2 留巷墙体采空区密封储水性分析 ..................................................................... 11 2.3 留巷墙体承载水压强度 ..................................................................................... 12 2.4 覆岩垮落空间形态模型 ..................................................................................... 14 2.5 本章小结 ............................................................................................................. 16 3 3 建设工艺和运行系统建设工艺和运行系统 ...................................................................... 1818 3.1 采空区地下水库概念、分类及特征 ................................................................. 18 3.2 建设工艺 .............................................................................................................. 20 3.3 运行系统 .............................................................................................................. 24 3.4 本章小结 ............................................................................................................. 30 4 4 采空区地下水库储水空间分析采空区地下水库储水空间分析 ...................................................... 3131 4.1 库容概念及影响因素 .......................................................................................... 31 4.2 储水空间分布规律 .............................................................................................. 33 4.3 采空区库容计算方法 ......................................................................................... 37 4.4 本章小结 ............................................................................................................. 38 5 5 留巷墙体承载要求及施工工艺留巷墙体承载要求及施工工艺 .................................................... 3939 5.1 回采和建库技术协调特点 .................................................................................. 39 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 5.2 留巷墙体承载原理及结构稳定性分析 .............................................................. 39 5.3 留巷墙体承载参数设计 ...................................................................................... 40 5.4 留巷墙体施工方法 .............................................................................................. 43 5.5 本章小结 ............................................................................................................. 51 6 6 主要结论和展望主要结论和展望 ............................................................................ 5252 6.1 主要结论 .............................................................................................................. 52 6.2 主要创新点 .......................................................................................................... 52 6.3 展望 ...................................................................................................................... 53 参考文献参考文献 ............................................................................................ 5454 致致 谢谢 ............................................................................................ 5757 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents Contents 1 Introduction......1 1.1 Raising of Project and Research Significance....1 1.2 Research Status at Home and Abroad.....2 1.3 Research Contents , and technical routes..7 2 Feasibility analysis of underground reservoir in Goaf.........9 2.1 Analysis of roof movement law of gob side entry retaining wall ......9 2.2 Analysis of sealing water storage in gob of retaining wall...11 2.3 Water pressure analysis of retaining wall.............12 2.4 Spatial model of overlying strata caving..........14 2.5 Summary...16 3 Construction technology and operation system..18 3.1 Underground reservoir of coal mine goaf.........18 3.2 Construction technology of underground reservoir in goaf......20 3.3 Operation system..24 3.4 Summary.......30 4 Analysis of water storage space of underground reservoir in Goaf..31 4.1 Concept and influencing factors of reservoir capacity..........................................31 4.2 Spatial distribution law of water storage......33 4.3 Calculation of storage capacity in mined out area.......37 4.4 Summary.......38 5 Bearing requirements and construction technology of roadway side filling body......39 5.1 Characteristics of mining and database construction........39 5.2 Analysis of bearing capacity and structural stability of roadway backfill39 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents 5.3 Load analysis and parameter design of filling body........40 5.4 Construction of retaining wall.....43 5.5 Summary...50 6 Main Conclusions and Prospects......52 6.1 Main conclusions..........52 6.2 Prospects...........52 6.3 Main innovation ...........53 References..54 Thanks....57 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 我国是煤炭生产和消耗的大国，矿业作为我国的基础产业，在社会发展与 国民经济中具有重要的地位和作用。能源矿产是矿产资源的重要组成部分，在 我国，煤炭又排在能源矿产之首，是我国最有保障和最主要的能源，煤炭工业 的发展支撑着国民经济的快速增长[1]。 我国煤炭资源储量丰富，目前全国已经探明煤炭资源储量为 1.51012t[2]。 根据国家统计局发布2015 年国民经济和社会发展统计公报显示，全国煤矿 总规模为 57 亿吨[3]。 “井”字形区划格局将我国大陆区划分为九个分区[4]，即○ 1东北区（黑龙 江省、吉林省、辽宁省的含煤区）○ 2黄淮海区（河北省、山东省、河南省、北 京市、天津市、苏州市、安徽省含煤区）○ 3东南区（浙江省、江西省、福建省、 湖北省、湖南省、广西省、广东省、海南省含煤区）○ 4蒙东区（内蒙古东含煤 区）○ 5晋陕蒙（西）宁区（山西省、陕西省、内蒙古西、宁夏回族自治区含煤 区）○ 6西南区（云南省、贵州省、四川省、重庆市含煤区）○7北疆区（新疆北 含煤区）○ 8南疆-甘青区（新疆南含煤区、甘肃省、青海省）○9西藏区（西藏自 治区） 。其中，东北区、黄淮海区和东南区属于东部含煤区；蒙东区、晋陕蒙宁 区和西南区属于中部含煤区；北疆区、南疆-甘青区和西藏区属于西部含煤区。 各区煤炭资源储量如下晋陕蒙宁区占全国煤炭资源储量的 54.6、蒙东区占 16.2、北疆区占 10.8、黄淮海区占 8.2、西南区占 5.7、西藏区占 5.7、 南疆-甘青区占 2.2、东北区占 1.7 、东南区占 0.5。综合来看东部含煤区 占全国 10.4、中部含煤区占全国 76.5、西部含煤区占 18.7。我国煤炭资源 分布广泛，但是分布不均匀，其中晋陕蒙宁区、蒙东区、北疆区三个区占全国 煤炭总量的 80.6。 我国是世界上人均占有水资源量较低的国家，且水资源在我国分布很不均 匀[5]。呈现南方多北方少和东部多西部少的状态，水资源是基础性的自然资源 和战略性的经济资源，随着社会经济的快速发展，工业、农业、生活用水量的 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 逐年提高，水资源问题成为我国可持续发展的主要瓶颈[6]。 煤炭开采过程中，为保证安全而进行的人为疏干排水以及采动形成的导水 裂隙对煤系含水层的自然疏干，两者共同破坏和污染了地下水资源[7]。由于干 旱、半干旱地区强大蒸发量，抽排到地面的矿井水，造成大量水资源的损失[8]。 目前全国平均每采一吨煤，排放矿井水 2.1 吨[9]，2015 年全国煤炭产量约为 39 亿吨，2015 年矿井水排放量约为 80 亿吨左右。煤炭开采破坏地下水资源，加剧 缺水地区的供水紧张，破坏了干旱半干旱地区的生态环境。 国内外关于地下水库建设已经进行了大量的研究，相关的研究大都针对含 水层的截堵[10]。神华集团建设的煤矿地下水库是利用 30m 宽的保护煤柱作为坝 体，在回采结束后建设地下水库[11]。沿空留巷技术是在上一个工作面回采的过 程中，沿着采空区边缘建设的墙体，留出一条巷道作为下一个工作面的回风巷。 留巷墙体起到隔离采空区和留设下一个回采工作面巷道的作用[12]。留设的墙体 将采空区形成封闭的空间，对此空间的有效利用研究到现在还是空白。 本论文主要研究充分利用留巷墙体来建设煤矿采空区地下水库随着对采 空区的有效隔离，在下一个工作面回采的时候，产生的矿井水，可以排到上一 个采空区内，达到保水采煤的效果。基于以上思路，对留巷墙体二次开发，建 设煤矿采空区地下水库。并且把多个地下水库进行有效串联或者并联，从而把 矿井水保存在地下，增加了留巷墙体作用，达到保护地下水资源的效果。同时 对地下水库的建设提供一定的理论依据，对西部干旱、半干旱地区水资源保护 具有重要指导意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 针对沿空留巷技术的研究从上世纪中期开始，主要产煤国（中国、英国、 波兰、德国等国家）开始提出沿空留巷技术[13]，进而不断发展和完善巷道内的 支护技术，正确处理“支架围岩”关系，从而使得巷道的使用周期得到提高， 巷道围岩得到有效控制，采空区瓦斯积聚问题得到解决，工作面通风能力得到 提高，工作面空气质量得到改善。 针对地下水库的建设19 世纪末期，伴随着水资源消耗量的持续增大，尤 其是对地下水开发量持续增大，产生了一系列的环境问题[14]，包括地表沉降、 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 土地盐碱化等，此时，人们有意识的对地下水进行回灌，地下水库建设开始进 入研究阶段。 本论文是基于沿空留巷技术煤矿采空区地下水库建设，研究的重点涉及沿 空留巷技术上覆岩层活动规律，留巷墙体密封储水性分析，留巷墙体承受水压 分析，覆岩垮落空间形态模型，采空区地下水库建设工艺及运行系统，库容确 定方法，留巷墙体承载要求及施工工艺的相关内容，从而形成一整套利用留巷 墙体建设地下水库的系统理论。 1.2.1 沿空留巷沿空留巷研究现状研究现状 沿空留巷技术能够较好的实现无煤柱护巷，是煤矿开采技术的一项重大突 破[15]。经过多年的发展和研究，沿空留巷技术取得一系列突破，沿空留巷主要 内容主要涉及以下沿空留巷的适用地质条件、沿空留巷上下两个工作面顶板 活动规律以及采动影响规律、沿空留巷巷道围岩破坏机理、留巷墙体强度核定、 留巷墙体材料以及充填工艺。 钱鸣高院士[16]提出了上覆岩层的“砌体梁”力学模型和关键层理论、宋振 骐院士[17]提出了以上覆岩层为运动中心的“传递岩梁” ，两位学者的研究对上覆 岩层活动发展演化规律有了比较明确的认识，对沿空留巷技术的研究与应用起 到理论指导的作用。 孙恒虎等[18]提出回采后工作面顶板岩层为结合力为零的“叠加层板” ，留巷 墙体起到支撑“叠加层板”的作用。将沿空留巷技术的顶板岩层运动分为三个 运动时间段第一个时间段为沿空留巷顶板岩层运动的前期活动、第二个时间 段沿空留巷顶板岩层运动的过渡期活动、第三个时间段沿空留巷顶板岩层运动 的后期活动三个时间段。第一个时间段和第二个时间段巷道的变形以旋转变形 为主、但是第二个时间段巷道变形速度快、变形量较大、第三个时间段巷道变 形以平行下沉为主。同时提出，留巷墙体不能改变老顶大结构的运动状态。 朱德仁等[19-20]提出了，在采用长壁开采方法的工作面，工作面回采结束后， 在工作面四个端头顶板形成“三角形悬板”结构的观点；并且提出了回采工作 面采场老顶结构力学模型，其为后续研究沿空留巷矿压显现规律提供一系列启 发。 柏建彪等[21]分析了工作面端