古书院矿15＃煤坚硬顶板“三带”分布研究.pdf

分类 号 TD 3 5 5学校代码 10 14 7 UDC 622密 级  硕 士 学 位 论 文 古. . 书. . 院J 1 1M 煤坚硬顶扳二三带二分布. 研. 究. R esearch . OH. . “X f 3 i ree. B eJts .D i i strib 作者姓名 古 G t2 问 /tx 指 导教 师李 胜教授 申请 学位工 学硕士 学科专业采矿工程 研 究方 向矿 山压 力与矿 井动 力灾害 防治 辽宁工程技术大学 致 谢 论文是在导师李胜教授悉心指导下完成的，从论文的选题、资料的收集、现场工程试 验直至论文的撰写无不凝聚着导师的心血。在本人攻读硕士学位期间，导师精深的学术造 诣、敏锐的科学洞察力、严谨的治学态度、务实的工作作风、忘我的奉献精神和真诚坦荡 的为人给学生以莫大的鼓舞与启迪， 是我今后努力践行的榜样， 将永远激励学生奋勇向前。 值此论文完成之际，谨向导师表示最诚挚的谢意 特别感谢辽宁工程技术大学矿业学院张宏伟教授、杨艳国副教授、韩军副教授、宋卫 华副教授、霍丙杰博士给予的热心帮助和真诚教诲。在地质动力区划研究所这个充满浓厚 学术气氛、朝气蓬勃、富有团队精神的集体里，得到了陈蓥、兰天伟、杨永生、李涛、李 俊哲、连现忠、苏礼、李军文、朱小强等师兄和师弟的帮助，在此向他们一一致谢。 在论文资料收集过程中，得到了晋煤集团古书院矿总工程师晋新林、副矿长郑跃兵、 通风区区长王天力、副区长刘建兵、副区长许红涛、生产部副部长余露的大力帮助与支持， 在此一并表示感谢。 感谢我的家人多年来对我的无私奉献与支持。 感谢辽宁工程技术大学矿业学院和研究生学院所有曾经帮助过我的老师、同学和朋友 们 衷心感谢各位专家、教授在百忙之中评审本文。 - I - 摘 要 采动覆岩分为三个影响带，即垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。研究“三带”的发育高 度对煤矿安全生产具有重要的作用。 本文应用理论计算、数值模拟和钻孔窥视现场探测研究古书院矿 15煤层坚硬顶板的 裂隙发育规律及“三带”分布。通过 15煤层“三带”分布研究，编制矿井垮落带和裂隙 带等值线图，确定 15煤层的裂隙带最大发育高度，预测在 15煤层回采过程中，9煤层 采空区积水下渗的可能性。划分“三带”高度，根据裂隙发育孔内瓦斯浓度分布情况，结 合顶板岩性，为 15煤层建立抽采系统治理瓦斯的可行性、合理性论证提供依据。 通过理论计算、现场探测和数值模拟，划分了“三带”的范围，分别从水文地质条件、 采动裂隙与含水层的关系、 断层与含水层和工作面的关系三个方面分析了 9煤层积水下渗 的可能性。基于对古书矿 15煤层裂隙带瓦斯运移规律的研究，形成了以“顶板高位钻孔 抽采、采空区埋管抽采和顺层钻孔抽采”为核心的立体综合抽采技术。 关键词“三带”划分；理论计算；现场探测；数值模拟；瓦斯抽采 - II - Abstract M i ni ng st rat a i s di vi ded i nt o t hree m i ni ng wi t h i nfl uence, nam el y t he cavi ng zone, wat er-fl owi ng fract ured zone and curve subsi dence zone. Researchi ng devel opm ent hei ght of “ t hree zones” pl ays an i m port ant rol e on t he safet y product i on of coal m i ne. To research t he crack devel opm ent regul ari t y and “ t hree zones” di st ri but i on of 15 coal seam hard roof , t hi s paper appl i ed t heory cal cul at i on, num eri cal si m ul at i on and dri l l i ng peep m et hods fi el d det ect i ng. Through research of 15 coal seam “ t hree zones” di st ri but i on, we prepare cont our m ap of cavi ng zone and fract ure zones, and concl uded 15 coal seam fract ure zone m axi m um grow t h al t i t ude, and predi ct ed t he possi bi l i t y of w at er i nfi l t rat i on i n 9 coal goaf when 15 coal seam i s m i ni ng. Accordi ng t o crack devel opm ent hol e gas concent rat i on di st ri but i on and t he si t uat i on on roof l i t hol ogy, w e di vi ded “ hree zones” hei ght and provi ded t he basi s feasi bi l i t y and rat i onal i t y of 15 coal gas drai nage syst em est abl i shm ent . Through t heoret i cal cal cul at i on, si t e m easurem ent and num eri cal si m ul at i on, we di vi ded t he scope of“ t hree zones” . we anal ysi s t he possi bi l i t y of wat er i nfi l t rat i on i n 9 coal goaf respect i vel y from t he hydrol ogi cal , geol ogi cal condi t i ons, t he rel at i onshi p bet ween m i ni ng-i nduced fract ures and aqui fer, t he rel at i onshi p bet ween faul t and aqui fer. Based on Gushuyuan m i ne 15 coal seam gas m i gr at i on rul e fract ur e zones, ed a “ hi gh r oof dri l l i ng drai nage, goaf buri ed t ube ext ract i on and l ayer dri l l i ng drai nage” as t he core of t he t hree-di m ensi onal com pr ehensi ve drai nage t echnol ogy. K ey W ordsdivision of “ t hree zones” ；t heory cal cul at i on；si t e m easurem ent ；num eri cal si m ul at i on；gas ext ract i on - III - 目 录 摘 要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I A bstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II 1 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 1 研究背景及研究意义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 1. 1 研究背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 1. 2 研究意义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 2 国内外研究现状 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 2. 1 国外研究现状 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1. 2. 2 国内研究现状 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1. 2. 3 目前存在的问题 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1. 3 主要研究内容和技术路线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1. 3. 1 研究内容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1. 3. 2 技术路线 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1. 4 主要研究成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 15煤层“ 三带” 高度的的理论分析与计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. 1 古书院矿概况 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. 1. 1 矿井概况及区域地质 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. 1. 2 工作面概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2. 2 “ 三带” 理论分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 2. 3 “ 三带” 高度计算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 2. 4 “ 三带” 高度与覆岩硬度的函数关系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 3 15煤层顶板裂隙发育规律及“ 三带” 高度数值模拟研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3. 1 直接顶和老顶的分类 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 3. 1. 1 直接顶的分类 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3. 1. 2 老顶的分类. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3. 2 RFPA 数值模拟模型的建立 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 3. 3 计算方案及说明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 - IV - 3. 4 数值模拟结果分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 3. 4. 1 数值模拟计算过程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3. 4. 2 15煤层回采围岩位移分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3. 4. 3 15煤层回采围岩应力分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4 裂隙发育的现场探测 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4. 1 探测方案设计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44 4. 2 岩层探测仪简介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44 4. 3 探测地点及测孔位置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44 5 探测图像的处理和分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5. 1 1523073 巷探测分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56 5. 1. 1 1孔分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5. 1. 2 2孔分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5. 1. 3 3孔分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5. 2 1513051 巷探测分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63 5. 2. 1 1孔分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5. 2. 2 2孔分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5. 3 探测结果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69 6 15煤层开采“ 三带” 分布特征在古书院矿的应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 6. 1 “ 三带” 划分等值线图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 6. 2 采动过程中 9煤层积水下渗的可能性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72 6. 2. 1 水文地质条件对渗水的影响 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6. 2. 2 采动裂隙与含水层的关系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6. 2. 3 断层与含水层和工作面的关系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6. 3 15煤层建立瓦斯抽采系统治理瓦斯的可行性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75 6. 3. 1 裂隙带瓦斯运移规律 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6. 3. 2 15煤层布置瓦斯抽采的可行性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 7 主要结论和展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 7. 1 主要结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79 7. 2 展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79 参 考 文 献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 作 者 简 历. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 学位论文原创性声明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 学位论文数据集. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 1 绪论 1.1 研究背景及研究意义 1.1.1 研究背景 煤层开采后，原始的原岩应力遭到破坏，上覆岩层被分为垮落带、裂隙带、弯曲下沉 带。三带的问题越来越受到矿业工作者的关注。三代高度的划分对于指导煤矿高产高效以 及安全生产具有重要的意义。 古书院矿是山西省晋城煤业集团所属的一座大型现代化矿井，地处晋城市城区北环 路，年产煤量 330 万 t，古书院矿位于主城区西北部，是晋煤集团传统三大矿之一。 古书院矿 15煤已开始回采，煤层倾角平均 3.5，煤层直接顶为 K1灰岩，厚 9.06 m， 为含水层，属坚硬型顶板。老顶为砂质泥岩，厚 2.30 m，坚硬细密。15煤与 9煤间距约 30 m，15煤是坚硬，难冒顶板开采。15煤顶板上方为 9煤 93301、93302、93303、93304、 93305、93306、93307 等工作面采空区，其主要充水因素为上部 K1灰岩层间裂隙水和上 部九号煤采空区局部低洼积水，水文地质条件简单。直接顶坚硬不易垮落，经爆破弱化后， 工作面推进约 20 m 左右，直接顶开始垮落；工作面推进约 65 m 左右，老顶初次来压。15 煤是古书院矿以后主采煤层，考虑到 15煤与 9煤煤层间距小，需要加强对 15煤顶板裂 隙的研究，观察导水裂隙的发育程度及三带高度的大致划分，进而论证 15煤建立抽采系 统的可能行，加强对 9煤涌向 15煤的瓦斯管理。 1.1.2 研究意义 本项研究应用理论计算、数值模拟和钻孔窥视方法现场探测研究 15煤层坚硬顶板的 裂隙发育规律及三带分布。随着煤层的开采，岩层应力重新分布，随之带来的是突水和溃 沙等一系列问题。当煤层开采后，研究采动覆岩中三带的发育高度，掌握覆岩的移动破坏 规律，有利于煤矿的安全生产、环境以及水土保持。通过 15煤层三带分布研究，编制矿 井垮落带和导水裂隙带高度的等值线图。确定 15煤层的导水裂隙带最大发育高度，预测 在 15煤层回采过程中，9煤层采空区积水下渗的可能性。划分三带高度，根据裂隙发育 情况，结合顶板岩性，为 15煤建立抽采系统、治理瓦斯的论证提供依据。 1 1.2.1 国外研究现状 国外对裂隙带理论进行了长期研究，各国根据实际制订了相关规程与规定。英国矿业 局早在 1968 年就颁布了海下采煤条例，对覆岩的组成、厚度，煤层采厚以及采煤方法等 作了相应的具体规定；日本曾有 11 个矿井进行过海下采煤，海下采煤的水患防治措施严 密，安全规程针对冲积层的组成与赋存厚度作出了允许与禁止开采规定；俄罗斯于 1981 年颁布了有关水体下开采的规程，根据覆岩中粘土层厚度、煤厚、重复采动等条件的变化 来确定安全采深，但这些规定与规程大多是统计经验而没有深入的理论与方法研究[3]。 国外有的国家还根据本国实际情况制定了一些相关的规程和规定。耳哈西1982的 “自然斜面理论”；法国人 Fayol1885的“圆拱理论”；豪斯1889的“分带理论”； Halbaum1903将采空区上方的岩层看作是悬臂梁；Fckardt1913把岩层移动过程视为各 岩层逐渐弯曲的结论；西德学者克拉茨HKratzsch1961总结概括了煤矿开采沉陷的 预计方法，并发表采动损害及其防护；俄罗斯于 1973 年出版了确定裂隙带高度方法 指南。 英 国矿务局结合矿区地质结构特点和已知的上覆岩层的物理力学性质参数，用相似材 料建立上覆岩层的模拟模型。用相似材料建立模型进行模拟，模拟开采煤层开采时的覆岩 破坏过程，覆岩破坏特征和规律，并且重点模拟在不同覆岩特性、不同开采厚度、断层活 化时的覆岩破坏规律和高度，得到导水裂隙带发育高度及其计算方法[4]。 法国学者研究开采煤层上覆岩层的垮落过程时，认为它是一个渐进破坏过程，具有一 定的垮落规律。这个垮落规律可以用过程分析法来研究，也就是用一种有效的手段获取覆 岩垮落过程中的信息。因现场实测和物理模型都不能获取垮落过程中的足够信息，而数