双鸭山东保卫矿大倾角煤层开采围岩控制研究.pdf

在职工程硕士学位论文 双鸭山东保卫矿大倾角煤层开采 围岩控制研究 SHUANGYASHAN DEFENDING EAST MINE DIP ANGLE OF COAL SEAM MINING RESEARCH 作 者佟 凯 校内导师刘永立 教授 校外导师倪喜民 高级工程师 黑龙江科技大学 二 O 一四年六月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、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 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权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存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致，论文的公布（包括刊登）授权黑龙江科技大学研究生学院办理。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 校内导师签名 校外导师签名 年 月 日 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD325 学校代码 10219 UDC 622 密 级 公开 黑龙江科技大学 在职工程硕士学位论文 双鸭山东保卫矿大倾角煤层开采 围岩控制研究 SHUANGYASHAN DEFENDING EAST MINE DIP ANGLE OF COAL SEAM MINING RESEARCH 作 者 佟 凯 导 师 刘永立 倪喜民 申请学位 工程硕士 培养单位 矿业工程学院 工程领域 矿业工程 领域范围 采矿工程 答辩委员会主席 邢殿生 评 阅 人 康健 二○一四年六月 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生佟凯在规定的修业年限内，按照研究生培养方案的要求， 完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我的指导下 独立完成本学位论文,经审阅，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，同意将本论文作为学 位申请论文送专家评审。 校内导师签名 校外导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 致谢致谢 三年前的情景如在眼前在那个美丽如画的一月,我怀揣着怀念、 希望与憧憬 回到了美丽的冰城哈尔滨, 我的母校黑龙江科技大学， 这所富有朝气的理工类大 学如同一位深沉智慧的老者涵蕴广博地接纳来自四面八方求学的青年。 三年的研究生生活使我受益良多,在这里我遇到了很多值得我学习和交往的 同学朋友,虽然其中有些许遗憾,但更多的是收获。而今即将离开校园,内心的涟 漪无法平息,确有太多的感激。 饮水思源,师恩难忘。 首先感谢敬爱的刘永立老师,本文从选题到最后定稿每 个环节都离不开刘永立老师的悉心地教导。 老师的儒雅谦和的道德风范让我如沐 春光,老师深厚的学识、严谨的治学精神永远是我的榜样。不仅感谢刘老师把我 领入学术之门,授我以渔,更要感谢刘老师带我走进科学技术哲学这座瑰丽的殿 堂,我愿终生徜徉其中。 还要感谢孙广义老师对本文提出了宝贵的建议,感谢各位 老师在学术研究方面对我的鼓励和肯定,给正在学术道路上茫然跳踢的我增添了 自信。 感谢含辛茹苦养育我的家人,他们的爱是我心灵的归宿和永恒的支点。感谢 同窗的关心、帮助和宽容,这些都是我一生最宝贵的财富。 感谢大家的关心、 帮助和支持,我将永远珍惜这份友谊感谢黑龙江科技大学 给我的培养，那份感恩将永驻心间。三年的研究生生活即将结束,但生活还在继 续,我相信在今后的日子里,大家都能够找到自己的路,活出自己的人生精彩篇 章。路在脚下,祝福所有的朋友都能走好自己的人生之路。 万方数据 I 摘摘 要要 双鸭山东保卫煤矿的几个主采层都是大倾角煤层， 但是由于现在大倾角采煤 与缓倾斜煤矿开采比起来，大倾角煤层开采规律尚缺乏足够的认识。进一步对大 倾角煤层的开采进行系统研究，为采煤方法、顶板管理，巷道支护改革提供科学 依据，大倾角煤层的矿山压力显现规律与岩层控制的研究，己成为急需解决的重 要课题。 本文首先进行现场样本的采取和试件的加工， 对东保卫煤矿典型岩石的力学 性能进行试验并分析，得到其岩石力学性能；然后对于东保卫煤矿顶板岩层相对 位移的观测及锚杆受力状态观测岩石力学性质的分析得出超前支护的距离； 通过 综采支架工作阻力与支护质量研究，得到其工作面超前支撑压力特征；制定监测 方案，实施监测得到大倾角综采支架工作阻力与支护质量；制定钻孔应力方案， 分析应力结果，取得煤体附加应力的规律；研究煤柱强度理论及变形规律，分析 研究得到大倾角煤层护巷煤柱宽度；实地进行调研研究顶板载荷、支护参数 、 支护布置方式、工作面特殊支护及支护参数、 支架性能要求及防倒防滑技术确 定其围岩控制技术。 最终确定工作面设备失稳防治措施和支护系统稳定性设计参数， 提出安全开 采技术方案，为东保卫煤矿大倾角煤层安全生产提供技术支持，并对其他大倾角 煤层具有参考意义。 该论文该论文有图 62 幅，表 23 个，参考文献 38 篇。 关键词关键词东保卫，大倾角，支撑压力，保护煤柱，围岩控制 万方数据 II Abstract huangyashan east defend coal mining of several main mining layer are large dip Angle of coal seam, but now due to coal mining of large dip Angle and slowly inclined coal mining, large dip Angle of coal seam mining law still lack enough understanding. Further system was studied for the large dip Angle of coal seam mining, coal mining , roof management, provide a scientific basis for roadway support re, large dip Angle of coal seam mining stress firstly and strata control research, has become an important subject urgent. This article first on-site sample taking and processing of the specimens, the typical east defend coal mine rock mechanics perance test and analysis, get the rock mechanics properties; Then relative displacement of roof strata in eastern defend mine observations and anchor stress analysis of the rock mechanics properties forepole distance; Through the fully mechanized support working resistance and supporting quality research, find the working face advance support stress characteristic; Monitoring monitoring plan should be ulated to get large dip Angle fully mechanized support working resistance and supporting quality; Work out schemes for borehole stress and stress analysis results, the rule of the additional stress of coal; Analysis the coal pillar strength theory, the law of deation and large inclination coal seam roadway protection width of coal pillar; Field research studies, support parameters, supporting roof load arrangement, special support and the support parameters, support perance requirements and the antiskid technology determine the surrounding rock control technology. Instability prevention measures and finally determine the equipment support system stability design parameters, put forward the safety mining technology solutions, to defend the east large inclination coal seam of coal mine safety in production to provide technical support, and have reference significance to other large dip Angle of coal seam. Keywords dongbaowei, large dip Angle, and support pressure, protective coal pillar, the surrounding rock control 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 .......................................................................................................................... I I 目目 录录 ...................................................................................................................... IIIIII 1 1 绪论绪论 .......................................................................................................................... 1 1 1.1 研究背景 ........................................................ 1 1.2 研究目的意义 .................................................... 1 1.3 研究内容及结构 .................................................. 2 1.3.1 研究内容 ............................................................... 2 1.3.2 研究结构 ............................................................... 2 1.4 研究方法与创新点 ................................................ 2 1.4.1 研究方法 ................................................................................................................................. 2 1.4.2 创新点 ..................................................................................................................................... 3 1.5 本章小结 ........................................................ 3 2 2 大倾角工作面岩石力学性能及支撑压力研究大倾角工作面岩石力学性能及支撑压力研究 ...................................................... 4 4 2.1 工程概况 ........................................................ 4 2.1.1 地质概况 .................................................................................................................................. 4 2.1.2 生产概况 ................................................................................................................................. 5 2.2 岩石力学性能实验 ................................................ 6 2.2.1 采样目的 .................................................................................................................................. 6 2.2.2 基本要求 .................................................................................................................................. 6 2.2.3 试件尺寸 ................................................................................................................................. 7 2.2.4 36 层岩石力学性能实验研究原始数据 ................................................................................. 8 2.2.5 岩石力学性能分析 ............................................................................................................... 13 2.2.6 岩石强度分析 ..................................................................................................................... 14 2.2.7 实验结论 ................................................................................................................................ 14 2.3 工作面支承压力研究 ............................................. 14 2.3.1 顶板岩层相对位移观测 ....................................................................................................... 15 2.3.2 锚杆受力状态观测 ............................................................................................................... 17 3 3 工作面煤体附加应力监测分析工作面煤体附加应力监测分析及巷道保护煤柱研究及巷道保护煤柱研究 ........................................ 2020 3.1 工作面煤体附加应力监测分析概述 ................................. 20 3.1.1 煤体应力测试原理 ............................................................................................................... 20 3.1.2 钻孔应力计布置方案 ........................................................................................................... 21 3.1.3 煤体应力预测原理 ............................................................................................................... 21 万方数据 IV 3.1.4 -240 工作面区段煤柱附加应力监测原始数据 ................................................................. 23 3.1.5 观测数据处理 ..................................................................................................................... 26 3.1.6 观测数据分析 ..................................................................................................................... 27 3.2 大倾角煤层巷道保护煤柱研究 ..................................... 28 3.2.1 大倾角煤层护巷煤柱宽度参数确定 ................................................................................... 28 3.2.2 影响因素分析 ..................................................................................................................... 28 3.2.3 护巷煤柱宽度确定 ................................................................................................................ 29 3.2.4 动态仿真模拟模型建立 ....................................................................................................... 31 3.2.5 模拟结果及其分析 ............................................................................................................. 31 3.3 小结 .......................................................... 33 4 4 大倾角综采支架工作阻力大倾角综采支架工作阻力与支护质量研究与支护质量研究 ........................................................ 3434 4.1 监测目的 ....................................................... 34 4.2 监测方案 ....................................................... 34 4.3 支架的承载特性和适应性分析 ..................................... 35 4.3.1 支架支护阻力的频率分布 ................................................................................................... 35 4.3.2 支架初撑力工作特性与适应性分析 ................................................................................. 39 4.3.3 支架末阻力工作特性与适应性分析 ................................................................................... 40 4.4 小结 ........................................................... 40 5 5 大倾角综采工作面围岩控制技术大倾角综采工作面围岩控制技术 ........................................................................ 4242 5.1 三采区三十六层负二百四工作面巷道布置 ........................... 42 5.2 三采区三十六层负二百四采煤面围岩控制技术 ....................... 42 5.2.1 顶板载荷确定 ..................................................................................................................... 42 5.2.2 支护参数确定 ..................................................................................................................... 43 5.2.3 支护布置方式确定 ............................................................................................................. 45 5.2.4 工作面特殊支护及支护参数确定 ..................................................................................... 45 5.2.5 支架性能要求及防倒防滑技术 ........................................................................................... 47 5.3 工作面安全技术措施 ............................................. 49 5.3.1 推溜、拉移支架的有关规定 ............................................................................................. 49 5.3.2 端头支架操作中的有关规定 ............................................................................................. 49 5.3.3 支柱、顶梁及液压支架的管理 ......................................................................................... 50 5.3.4 工作面备用料管理 ............................................................................................................. 50 6 6 研究结论研究结论 ................................................................................................................ 5151 参考文献参考文献 .................................................................................................................... 5454 万方数据 V 作者简历作者简历 .................................................................................................................... 5656 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................ 5757 学位论文数据集学位论文数据集 ........................................................................................................ 5858 万方数据 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景 最近几年，倾角在三十度至五十度之间的煤层被称为大倾角煤层，此类煤层 的开采逐渐引起煤炭开采业的重视，原因主要有两个方面。一是西部大部分的煤 层倾角都在 35 以上。虽然大倾角煤层在全国煤炭储量中只占五分之一的储量， 但大倾角煤层在西部矿区分布却是分布比较广泛的， 有一半以上的煤矿都有其存 在，并且很多都是煤矿的主要采煤层。 二是由于东部矿区在开采过程中都是先开采条件好的煤层， 这就导致了好煤 层逐渐减少，随着煤矿机械化程度的提高，开采能力逐渐增大，导致大倾角煤层 的开采难题引起足够重视。而由于技术、工艺等原因，煤炭的开采历史基本遵循 着从浅至深，从易至难的开采顺序。如果按煤层倾角统计，近水平及缓倾斜煤层 的开采比重占绝大多数，因此一百多年来，国内、国外的专家学者对矿山压力变 化的长时间的、成体系的探索，主要集中在近水平和缓倾斜煤层，对采场和巷道 的矿压显现提出了许多理论和假说，比较有代表性的矿压理论有压力拱、悬臂梁 板、铰接岩块、弹性基础梁，预成裂隙梁等，但上述这些研究大多是针对近水 平和缓倾斜煤层的，因此研究结论对于大倾角煤层而言有很大的局限性，一些矿 压现象也无法合理地解释 [1]。 从全国国有煤矿的事故分析情况看， 大倾角采煤工作面的顶板事故比缓斜及 近水平采煤工作面高出 1/5， 巷道维护费用比缓斜煤层高 1/3。 通过数据表明煤炭 行业对大倾角煤层的矿压显现规律尚缺乏足够的认识。 为进一步对大倾角煤层的 矿压显现规律进行系统研究，为采煤方法、顶板管理，巷道支护改革提供科学依 据，大倾角煤层的顶板、围岩控制及矿山压力出现的频率时间的研究，己成为迫 在眉睫的任务。 1.2 研究目的意义 大倾角煤层开采虽然进行了一定量的研究与试验， 但是大倾角煤层开采的研 究进展与缓倾斜和水平煤层开采还是有很大的距离， 存在着很多没有解决的问题 如对大倾角煤层开采方法选择、生产系统布置等缺乏比较系统深入地研究。如前 所述，是我国现在煤炭行业发展的重大技术难题是大倾角煤层开采，同时也即将 成为世界上其他主要产煤国家需要研究与发展的重要领域。 本文主要研究大倾角煤层长壁工作面岩层变形移动规律和矿压显现规律等， 研究成果作为一个大倾角煤层开采的技术评估和开采支护优化设计系统， 可服务 于矿井生产的全过程， 具有良好的社会效益和经济效益。 提出安全开采技术方案， 为煤矿大倾角煤层安全生产提供技术支持。 万方数据 硕士学位论文 2 1.3 研究内容及结构 1.3.1 研究内容 主要研究大倾角工作面矿山压力出现的频率等、 采场上覆岩层组成成分及其 发生改变的特点、回采巷道矿山压力出现的特征，旨在保证工作面安全高效回采 和为回采巷道围岩控制提供技术支持， 据此来为提升矿井整体经济水平打下坚实 的基础，主要研究内容为 （1）岩石力学性能参数测定； （2）倾角较大的煤层工作面上巷、下巷的矿山压力观测； （3）煤体附加应力监测； （4）大倾角煤层覆岩矿压显现规律的 RFPA2D 数值模拟； （5）倾角较大的煤层区段保护煤柱合理宽度确定； （6）大倾角煤层围岩灾变机理分析及防治技术； （7）大倾角煤层回采巷道矿压显现规律与围岩控制研究； 1.3.2 研究结构 1.4 研究方法与创新点 1.4.1 研究方法 本文以双鸭山矿业集团东保卫煤矿三采区 36 层-240 大倾角工作面为基础， 采取现场矿压实测，计算机软件数值模拟演示，理论研究和实验室分析相结合的 方法。 万方数据 1 绪论 3 1.4.2 创新点 本文通过大倾角煤层开采的实际观测、系统深入地研究。为大倾角煤层开采 提供技术评估和开采支护优化设计系统，服务于矿井生产的全过程，具有良好的 社会效益和经济效益。提出安全开采技术方案，为煤矿大倾角煤层安全生产提供 技术支持。 1.5 本章小结 本章主要介绍了本文研究的主要背景、目的、意义，提出了研究重点内容及 具体的研究技术路线图，阐明了研究方法与主要创新点。 万方数据 硕士学位论文 4 2 2 大倾角工作面岩石力学性能及支撑压力研究大倾角工作面岩石力学性能及支撑压力研究 2.1 工程概况 2.1.1 地质概况 （1）采区位置 三采区三十六层综采工作面布置于三采区三十六层负 200 回风下山左部， 上 边界至负 170 采空区，下边界至负 280 准备面，工作面斜长大致为平均 115m， 左侧边界为矿井边界、右侧边界靠近第一、第三采区边界，工作面的走向长度为 880m，工作面回采面积 94.6 km2。三十六号煤层上部煤层为三十号煤层，三十 号煤层与三十六层的层间距为 40 米左右，只有局部采动，通过勘测无积水，工 作面上方地表为农田，处于扁食河南岸 300m 处，标高为118m，无需要保护的 建筑物。 （2）煤层覆存概况 煤层厚度越往采区边界越薄，倾角逐渐增大，煤层厚度在一点六五米至一点 就米的区间内改变，平均为一点七五米；煤层倾角改变范围大，范围为二十度至 四十八度，平均三十度，煤容重一点三吨每立方米，煤炭总量为二十一点五四万 吨，可采煤炭总量为二十点六八万吨。煤层顶板最上面的顶板为层理不多的厚 度为六米的黄色和白色相间的大颗粒砂岩， 伪顶上部顶板是层理较多的厚度为一 米至二点五米的淡黑色小颗粒砂岩，煤层直接接触的顶板是层理非常多的，且岩 石裂隙较多的厚度为二百毫米至五百毫米的黄色和白色相间的大颗粒砂岩。 煤层 下部直接接触的岩层裂隙非常少，少部分为中颗粒和细颗粒的砂岩，层理较多， 厚度为三点六米的黄色和白色相间的大颗粒砂岩。 （3）地质构造概况 从采场采煤工作区域来看，本部分构造为一单斜构造，煤层走向有所改变， 改变区间为一百一十三度向一百度改变，本部分断层较多，通过上巷、下巷及切 眼共真实发现赋存三组断层，并且在整个采场范围内都有观测到，还有三个落差 为一百至六百毫米，断层上盘下降或上升的，下盘上升或下降，在上巷和下巷中 部分地段有断层出现，对工作面生产有一定的阻碍。 老顶为 6.0m 厚的黄白色粗砂岩，层理不发育，直接顶为 1.02.5m 厚的灰 黑色细砂岩，层理较发育，伪顶为 0.20.5m 厚的黄白色粗砂岩，岩石较破碎。 底板为 3.6m 厚的黄白色粗砂岩，岩石较完整，局部为中、细砂岩互层，层理较 发育，参见图 2-1。 万方数据 2 大倾角工作面岩石力学性能及支撑压力研究 5 图 2-1 三采区 36综合柱状图 Figure 2-1 36 3 mining area comprehens