倾斜煤层区段上下行开采区段煤柱留设研究.pdf

分类号分类号 TD325 TD325 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 倾斜煤层区段上下行开采倾斜煤层区段上下行开采区段区段 煤柱煤柱留设留设研究研究 于于 涛涛 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刘刘 承承 论论 职职 称称教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一六年二零一六年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 倾斜煤层区段上下行开采区段倾斜煤层区段上下行开采区段 煤柱煤柱留设留设研究研究 作者姓名作者姓名 于于 涛涛 入学时间入学时间 2013 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 矿山压力矿山压力与岩层与岩层控制控制 指导教师指导教师 刘刘 承承 论论 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2016 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2016 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY ON THE SECTION COAL PILLAR DESIGN OF SECTOR UP STREAM MINING AND DOWN STREAM MINING A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Yu Tao Supervisor Professor Liu Chenglun College of Mining and Safety Engineering June 2016 万方数据 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 在实际地质条件中，煤层多呈一定的倾角，由于工作面开采顺序多为区段下行，以 往的理论多考虑区段下行开采顺序对留设区段煤柱的影响，区段上行开采顺序对留设区 段煤柱的影响研究较少。本课题在现有理论及研究成果的基础上，考虑内外应力场的同 时，分别探讨区段上、下行开采时区段煤柱留设的理论依据，通过数值模拟验证留设煤 柱的可靠性，并进行区段上行的现场实验验证。 论文首先结合相关矿山压力理论基础，建立倾斜煤层采场支承压力结构力学模型， 探讨回采工作面推进期间各个阶段采空区四周煤体支承压力，并确定内外应力场有关参 数。 其次，根据威尔逊理论求解区段煤柱核区可承受的最大支承压力，利用极限平衡理 论计算区段煤柱采空区侧塑性区范围，根据 Kastner 方程计算回采巷道塑性区半径；综 合考虑影响煤柱留设的安全因素，即弹性核区宽度，而分别推导区段上、下行开采区段 煤柱宽度的计算公式。 最后，依据华泰煤矿 31511 西回采工作面地质条件，分别设计了区段上、下行开采 时区段煤柱的有关参数，同时借助有限差分软件对设计进行可靠性验证；根据验证效果 选定最终方案并实施，并对实施的区段上行方案进行应用效果分析。 关键词关键词岩层运动；支承压力；开采顺序；区段煤柱；内外应力场；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 ABSTRACT In the actual geological conditions, the coal seams are with a certain angle, as the mining order of working face is mostly downstream mining, the previous theories prefer to consider the impact of sector downstream mining order during coal pillar design, and less consider the impact of sector upstream mining order. Based on existing theories and research results, and to consider internal and external stress field, this thesis try to explore the theoretical basis for the section coal pillar design during the sector upstream and downstream mining respectively, verify the reliability of coal pillar by numerical simulation at the same time, and carry on the field experiment of sector upstream mining. First of all, on the basis of the combination of the relevant theory of mine pressure, the thesis try to establish the support pressure structural mechanic model of inclined seam, discuss supporting pressure changes around the mined-out area during each stage of face advancing, determine the related parameters of internal and external stress field. Secondly, calculate the ultimate strength of core area in the section coal pillar according to Wilson theory, calculate the scope of plastic zone aside the mined-out area by applying the limit equilibrium theory, calculate the scope of plastic zone around roadway by applying the plastic zone equation of Kastner; considering the major factors having an impact on pillar design, which is related to elastic core zone width, get the section coal pillar design ulas of sector upstream and downstream mining respectively. Finally, according to the geological conditions of the 31511 coal mining face in Huatai coal mine, design the section coal pillar parameters with sector upstream and downstream mining separately, verify the reliability of design by the finite difference software; Select and implement the final scheme according to the verification result and make an analysis of the application effect of the implemented upstream mining scheme. Keywords Rock movement; Supporting pressure; Mining sequence; Section coal pillar; Internal and external stress field; Numerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目目 录录 1 绪论绪论 ....................................................................................................................1 1.1 课题的提出及研究意义 ............................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................................... 1 1.3 主要研究内容及技术路线 ........................................................................................... 4 2 倾斜煤层开采上覆岩层运动规律与支承压力分布规律倾斜煤层开采上覆岩层运动规律与支承压力分布规律 ................................6 2.1 采场上覆岩层纵向运动机理 ....................................................................................... 6 2.2 倾斜煤层上覆岩层变形、破坏和运移规律 ............................................................... 7 2.3 随工作面推进倾斜煤层采场上覆岩层破裂拱结构特征 ......................................... 11 2.4 采场支承压力分布规律 ............................................................................................. 12 2.5 工作面侧向内外应力场参数计算 ............................................................................. 17 2.6 本章小结 ..................................................................................................................... 22 3 区段煤柱区段煤柱宽度理论宽度理论计算计算 ................................................................................. 23 3.1 区段煤柱留设依据 ..................................................................................................... 23 3.2 区段煤柱极限强度 ..................................................................................................... 24 3.3 区段煤柱宽度计算 ..................................................................................................... 25 3.4 本章小结 ..................................................................................................................... 31 4 31511 西区段煤柱参数确定及数值模拟西区段煤柱参数确定及数值模拟 ....................................................... 32 4.1 回采工作面区段上、下行开采区段煤柱设计 ......................................................... 32 4.2 区段上、下行开采数值模拟 ..................................................................................... 36 4.3 巷道支护及工业性试验 ............................................................................................. 44 4.4 本章小结 ..................................................................................................................... 50 5 结论及展望结论及展望 ..................................................................................................... 52 5.1 主要结论 ..................................................................................................................... 52 5.2 创新点 ......................................................................................................................... 53 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 5.3 问题及展望 ................................................................................................................. 53 致致 谢谢 ................................................................................................................. 54 参考文献参考文献 ............................................................................................................. 55 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ..................................................................................... 59 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 Introduction ......................................................................................................... 1 1.1 The proposing and research significance of the topic ............................................................. 1 1.2 Current research status ...................................................................................................... 1 1.3 Main research approaches and technical rout ........................................................................ 4 2 Overburden movement law and supporting pressure distribution law during sector upstream mining and downstream mining .............................................................. 6 2.1 Longitudinal movement mechanism in strata........................................................................ 6 2.2 Deation, destruction and migration law of overburden above inclined coal seam ............... 7 2.3 Broken arch structure feature of inclined coal seam with the face advancing .............................. 11 2.4 Supporting pressure distribution law ..................................................................................12 2.5 Calculation of internal and external stress field parameters aside the working face ..................... 17 2.6 Summary ....................................................................................................................................... 22 3 Theoretical calculation of section coal pillar width ................................................ 23 3.1 Basis of section coal pillar design ................................................................................................. 23 3.2 Limit strength of section coal pillar ....................................................................................24 3.3 The width calculation of section coal pillar .................................................................................. 25 3.4 Summary ....................................................................................................................................... 31 4 Parameter determining and numerical simulation of 31511 west section coal pillar . 32 4.1 Section coal pillar design of sector upstream and downstream mining ............................ 32 4.2 Numerical simulation of sector upstream and downstream mining .............................................. 36 4.3 Roadway support and industrial test ............................................................................................. 44 4.4 Summary ....................................................................................................................................... 50 5 Conclusion and prospect ..................................................................................... 52 5.1 Main research result ...................................................................................................................... 52 5.2 Innovation point ............................................................................................................................ 53 5.3 Problems and prospects ................................................................................................................. 53 Thanks ................................................................................................................... 54 References .............................................................................................................. 55 Main academic achievement ................................................................................................... 59 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 课题课题的提出及研究的提出及研究意义意义 我国是以矿产资源消耗作为主要能源来源的大国之一， 煤炭资源在一次能源的生产、 消费构成中长期占据较大比重[1-3]。当前，在进行回采巷道的布设时需要留设一定宽度的 区段煤柱，这对维护巷道的稳定至关重要，但与此同时造成了大量的煤炭资源浪费。由 于在地质条件、煤体物理力学特性上的差异，合理区段煤柱的设计工作相差很大[4,5]。区 段煤柱留设的合理性直接关系到煤矿安全生产、采准巷道的维护和煤炭回采率。国内外 众多专家学者在对区段煤柱研究的过程中进行了大量理论研究工作并积累了丰富的现场 经验，同时现行煤矿对煤柱留设也做了相关规定[6-12]，但依旧存在着亟需改进和完善之 处。 在实际的地质条件中，煤层多呈一定的倾角，而且工作面开采顺序也不尽相同，对 于不同倾角煤层区段上行开采过程中煤柱的留设问题进行的相关研究还较少，以往的理 论多考虑区段下行开采顺序对留设煤柱的影响， 对倾斜方向上的采动影响即内外应力场 考虑较少，导致此类情况的煤柱设计理论尚不完善。 本课题在现有理论及研究成果的基础上，并考虑内外应力场，分别探讨不同区段开 采顺序时区段煤柱留设的理论依据，通过数值模拟验证留设煤柱的可靠性。本课题的研 究成果将对煤矿安全、经济生产具有重要的理论指导意义和现场应用价值。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 采矿业从 19 世纪中期逐渐兴起， 在对采场顶板支护与管理研究的基础上， 各国采矿 工作者及学者对采场上覆岩层的运动发展规律有了较为全面的掌握[13-16]。国外较为权威 的理论及假说有吉里策尔提出的压力拱假说，施托克提出的悬臂梁假说以及 A拉巴 斯提出的预生裂隙梁假说等。国内具有代表性的主要是宋振骐的传递岩梁假说[13]和钱鸣 高的砌体梁假说[14]。上述国内外矿山压力假说都是在假定岩体基本属性的前提下，从理 论分析、实践经验以及现场实测等层面出发，借助不同分析方法、从不同角度来对上覆 岩层运动规律及采场矿压的相关基本问题进行阐述。 国内外主要在以下几个方面对区段煤柱合理留设问题进行了相关研究1根据沿倾 向方向采空区侧支承压力分布规律来分别留设宽煤柱和窄小煤柱，宽煤柱的设计思路在 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 于远离沿倾向方向采空区侧向支承压力高峰， 将回采巷道布置在支承压力影响范围之外， 窄小煤柱的设计思路是将回采巷道布置在由倾向方向支承压力产生的煤体边缘卸载带 内；2在对不同地质条件及多个矿井合理区段煤柱宽度统计的基础上，借助回归分析的 方法得到合理区段煤柱宽度经验值；3应用极限平衡理论来对煤柱塑性区及核区范围求 解，得到考虑安全系数后的合理区段煤柱宽度；4现场利用钻孔应力计等仪器设备对沿 倾向方向采空区两侧煤体内支承压力分布规律进行测量，从而进行合理区段煤柱宽度的 分析；5借助 FLAC3D、UDEC 等数值模拟软件优选具体地质条件下的合理区段煤柱宽 度。 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 目前，世界各国在区段煤柱留设研究方面重点不一。英国和澳大利亚等国家认为沿 空掘巷弊端较大，因而在煤柱设计时通常只研究大尺寸煤柱留设，根据留设经验，其留 设宽度大体是埋深的 1/10。美国煤矿开采主要方法是房柱式开采，但非常注重保护煤柱 宽度的合理留设，强调煤柱强度受倾向支承压力分布、煤柱宽度、采动影响等因素综合 影响。前苏联在对一些矿区巷道变形量大量观测的基础上，发现沿倾向方向采空区两侧 10m 范围内煤体的支承压力显现剧烈，将回采巷道布设在 46m 支承压力最大影响带时 极易发生失稳破坏。 国外对护巷煤柱合理宽度研究比较成熟的主要是极限破坏强度理论和渐进破坏理 论，并对锚杆支护机理进行了大量研究。 1极限破坏强度理论在区段煤柱留设方面以“刚性”为基础进行研究，认为支承压 力一旦超过煤柱自身的极限强度值，煤柱的承载能力就会削弱甚至消失，造成“刚性” 破坏。在运用“刚性”煤柱宽度设计理论时，顶板与底板对煤柱的作用关系、煤体承载 能力、煤柱承受载荷是影响其计算的重要因素。设计过程中可以通过倾向方向支承压力 来估算承受载荷，改变煤柱宽度等方式调节煤柱整体承载能力，同时对影响区段煤柱留 设的各类因素进行分析、探讨。 2渐进破坏原理认为煤柱中原生裂隙、次生裂隙及采动裂隙的存在导致煤柱破坏范 围从小到大的扩张。 英国学者 A.H. Wilson 首先提出了将渐进破坏理论应用于煤柱宽度计 算，他阐述了区段保护煤柱内部一定宽度屈服带存在的必然性，通过实验方法回归分析 出了受采高及采深等因素影响的屈服区宽度计算公式为0.00492LMH，研究指出了煤 柱内应力以指数形式分布，采动应力的移动对屈服带宽度变化影响显著。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 3国外学者对锚杆的支护机理进行了多层次、多角度的分析[17-20]，主要有以下几种 观点①Louis A. Panek 提出的悬吊理论，该理论对锚杆控制对象为稳定、坚硬岩层的情 况做了相关解释，但存在相应的局限性，如当顶板是煤顶、厚煤顶时便不再适用。② Jacobio 提出的组合梁支护理论， 该理论将锚杆的一大功能定义为将层状岩层锁紧并共同 承载顶板载荷，但组合梁理论对于节理裂隙发育程度较高、煤体破碎程度较大且完整性 较差的巷道顶板并不适用。③Pende 提出的锚杆支护加固拱理论。 同时，在锚杆研发方面，俄罗斯研发了多用途、多类型锚杆；美国和澳大利亚对锚 杆支护原理、锚杆种类、锚固类型等支护参数做了深入研究。 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 国内对宽煤柱护巷技术研究较为成熟，相对于国外研究方法主要从倾向方向支承压 力分布规律、塑性区计算、经验估算、现场钻孔煤粉量计算及煤柱稳定性等方面对区段 煤柱进行设计。 1在对倾向方向支承压力分布规律现场实测方面，20 世纪 70 年代小煤柱和无煤柱 护巷技术逐渐引进到我国各个矿区[21-24]，通过在阳泉等多个矿区进行的现场观测，对沿 倾向方向支承压力分布规律取得了大量观测结果坪湖煤矿支承压力观测结果表明，该 矿地质条件下沿倾向方向的内应力场范围大约为 3m， 支承压力高峰距离采空区侧煤壁大 约为 12m，同时发现随着时间推移峰值逐渐向煤体内部发生转移；杨庄矿支承压力观测 结果表明，该矿地质条件下煤壁至煤体内部的区间范围内明显分为 7m 塑性区、711m 弹性应力升高区及 11m 之外原始应力区；权家河煤矿观测结果表明，该矿地质条件下沿 倾向方向距采空区侧煤壁 410m 范围为煤体支承压力高峰位置。 2在对倾向方向支承压力分布规律理论研究方面， 马其华等[25]将窄小煤柱的研究重 点放在了工作面倾向支承压力发展上，随工作面推进倾向支承压力发生有规律的动态变 化，采空区侧煤体会产生支承压力卸载带；西安科技大学在进行大量相似材料模拟实验 的基础上，分析了影响沿倾向方向支承压力分布的各类因素，如煤层倾角、采高、和采 深等，同时对最大应力集中系数进行了探讨；吴绍倩[26]在分析现场观测资料的基础上， 结合对煤柱支承压力分布规律的分析提出了无煤柱开采技术；石永奎等[27]通过理论分析 的方法探讨了水平煤层上覆岩层运动基本规律以及支承压力的分布规律，在构建上覆岩 层动态结构力学模型的基础上，推导出了水平煤层内应力场范围。 3在塑性区计算方面，张国华等[28]在考虑多种因素影响的前提下，从实际应用角度 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 对巷道围岩类型进行了划分，综合Mohr-coulomb准则及Kastner