复采工作面矿压显现规律及过冒顶区顶板断裂特征研究.pdf

万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 复采工作面矿压显现规律及过冒顶区顶板断裂特征研究 摘 要 对旧采残留煤柱进行合理有效的复采，既是实现我国煤炭可持续发展 的重要途径，又切实解决了当前煤矿资源回收率低的问题，延长了矿井的 服务年限，具有重要的的社会意义和经济价值。 本文以圣华煤业 1301 复采工作面为工程背景，基于现场调研和地质 资料，对复采工作面冒顶区进行分类，通过相似模拟实验、理论研究及现 场实测，分析得出复采工作面矿压显现规律及过冒顶区顶板的断裂特征。 具体研究的内容与结论如下 1、通过现场调研归纳了旧采冒顶区的六种类型沿底留顶煤层垮落 型冒顶区，沿底留顶煤及直接顶垮落型冒顶区，沿底留顶全部垮落型高冒 区，沿中留底煤层垮落型冒顶区，沿中留底落煤及直接顶垮落型冒顶区， 沿中留底全部垮落型高冒区。 2、相似模拟实验研究表明①复采工作面推进至距冒顶区一定距离 时，上方基本顶容易沿冒顶区前方煤柱边缘形成高厚度、长跨距的超前大 断裂； ②复采工作面周期来压呈现不规律的特点，其中过冒顶区时形成的 超前大断裂对采场来压影响较大，模拟实验中各次周期来压步距分布为 9.2m25m， 来 压 强 度 分 布 为 8508KN16200KN ， 顶 板 冒 高 分 布 为 24.3m32.8m，超前大断裂引起的第二次周期来压强度为 16200KN，是初 采时的 3.21 倍，实际回采时应提前做好支护措施；③复采工作面支架的工 作阻力随着其与冒顶区距离的减小而上升，峰值出现在中间煤柱完全破坏 或工作面与冒顶区贯通处，其数值随冒顶区跨度的增加而增大，工作面在 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 通过冒顶区时，由于顶煤未能与支架顶梁完全压实，工作阻力随之降低。 3、分析复采工作面过冒顶区顶板断裂的力学模型可知冒顶区的存 在弱化了矿山压力沿悬臂梁传递的效果，基本顶极易在冒顶区上方提前断 裂，形成超长的岩块，支架将受到更多载荷，处于危险状态。基于上述理 论分析，本文通过理论推导分别得出复采工作面过冒顶区支架工作阻力的 计算方法以及基本顶关键岩块不发生失稳的条件，为实际复采工作面安全 通过冒顶区提供理论依据。 4、现场实测得出复采工作面矿压显现规律如下①复采工作面顶板 可能出现超前断裂，致使断裂后的顶板沿工作面前方下切，使支架前柱受 力加大，造成液压支架偏载现象严重且分布不均匀，实测中支架后柱初撑 力为前柱的 20.4，后柱的工作阻力仅为前柱的 13.8；②复采工作面顶 板来压不规律，基于前后柱受力不均且后柱受力多数为零这一现象，提出 以支架后柱受力突变作为顶板来压的判别标准，并得出各测线周期来压步 距最小 7.2m，最大 17.2m，平均 12.4m；③沿工作面方向，液压支架处于 不同围岩条件下，工作阻力均呈现为中部大，端头小的特点；④复采工作 面支架推进至冒顶区前 27m 支架工作阻力明显增大，而且增大的范围与 冒顶区的宽度呈正相关的关系，进入冒顶区时支架工作阻力显著降低。 关键词残煤复采，相似模拟，矿压显现，断裂特征 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON FRACTURE CHARACTERISTICS OF ROOF AND BEHAVIOR LAW OF MINE PRESSURE IN THE CONDITION OF RESIDUAL COAL MINING FACE PASSING THROUGH ROOF FALLING ROADWAY ABSTRACT Reasonable and efficient mining of residual coal resources is of great social and economic significance. It is an important way to achieve the sustainable development of coal energy and solve the problem of low recovery rate of coal resources as well as extend the service life of coal mine. In this paper, Shenghua Coal Mining Face 1301 is selected as the object of study, in order to provide a scientific basis for surrounding rock control of residual coal mining face, the type of roof falling zone is classified, mining pressure behavior of the zone and fracture characteristics of roof in the condition of residual coal mining face passing through roof falling zone is also studied based on on-the-spot investigation and data analysis, combined with the of theoretical calculation, physical analogy simulation experiment and on-the- spot measurement. The specific research contents and conclusions are listed as follows 1.The caving type caused by previous mining is, based on the preliminary field investigation, summarized and divided into following six types along the bottom holding the top coal seam falling caving zone, along the bottom holding the top direct roof falling caving zone, along the bottom holding the top all fall caving zone，along the middle holding the bottom coal seam falling caving 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV zone，along the middle holding the bottom direct falling caving zone, along the middle holding the bottom all falling caving zone. 2.Physical analogy simulation experiment shows① The basic roof along the edge of the falling zone is easily fractured, which can furtherly cause a advanced fracture of large thickness and long span when residual coal mining face reach a certain distance away from the roof falling zone. ② The working resistance of residual coal mining face present irregular characteristics. One of the most influencing factors is the advanced fracture. The ranges of pressure distance is 9.2 m 26.3 m, the pressure intensity is 8508KN 16200KN, the ranges of roof falling zone height is 24.3 m 32.8 m according to the simulation computation. Second cycles pressure strength caused by the advanced fracture is 16200 KN, which is 3.21 times the one in initial mining. So the supporting measures should be well done before actual mining. ③ The working resistance of residual coal mining face increases with the decrease of distance between the support and the falling zone. Peak resistance appears where the intermediate coal pillar completely rupture or the area of working face breakthrough the roof falling zone. Its value increases with the raise of the span of roof falling zone. In the condition of residual coal mining face passing through roof falling zone the working resistance will decrease because the top coal can’t make a complete compaction with the support beam. 3.Mechanics model of roof fracture shows that that roof falling zone can weaken the transfer of mining pressure along the cantilever beam and the basic roof is easily broken before it across roof falling zone with very long rock produced meanwhile. Then the support will be subjected to more loads, which is a dangerous state. Based on the theoretical analysis above, the computing about working resistance of support are obtained in the condition of residual coal mining face passing through roof falling zone and the requirement 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V for fracture but no instability of basic roof so as to establish a theoretical basis for the safe passing of residual coal mining face through roof falling zone. 4.On-the-plot measurement showed ① Roof of residual coal mining zone may rupture in advance, then the broken roof would sink along the front of working faces, the pressure front pillar of the support afford would increased, and which may finally lead a serious unbalance loading and distribution of hydraulic support. On-the-plot measured data shows that the stress of the back pillars is only about 13.8 of the front pillars. ② Because of the pressure forced by the roof of residual coal mining zone is irregular, the standpoint that force loading conditions of back support pillars should be used as the criteria of discrimination for the characteristics of roof pressure is proposed according to the fact that the pressure back pillar afford is zero, which is greatly different with that of front support pillar. ③ Along the working surface, the hydraulic support is under complex conditions of surrounding rock. It is big in the middle and small at both ends. ④ Working resistance of support is obviously increased when the residual coal mining face draws near the roof falling zone 35m, there is a positive correlation between resistance and width of the roof falling zone. And if the support is just working at the roof falling zone, its working resistance will decreases greatly. KEY WORDS residual coal mining, analogy simulation, mining pressure behavior, fracture characteristics 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目 录 第一章 绪论 ............................................................. 1 1.1 研究背景及研究意义 ................................................ 1 1.2 国内外残煤复采的研究现状及存在问题 ................................ 1 1.2.1 国外残煤复采的研究现状 ...................................... 1 1.2.2 国内残煤复采的研究现状 ...................................... 2 1.2.3 目前研究存在的问题 .......................................... 4 1.3 研究的主要内容及研究路线 .......................................... 4 1.3.1 主要研究内容 ................................................ 4 1.3.2 研究方法及技术路线 .......................................... 5 第二章 圣华煤业 1301 复采工作面概况及开采条件 ............................ 7 2.1 矿井概况及煤层赋存特征 ............................................ 7 2.1.1 旧采区资源分布 .............................................. 7 2.1.2 其他开采技术条件 ............................................ 9 2.1.3 1301 复采工作面概况 ......................................... 9 2.2 旧采冒顶区类型 ................................................... 10 2.3 3煤层及其顶板煤岩力学参数测定 ................................... 12 2.3.1 煤、岩样采集 ............................................... 12 2.3.2 3煤及其顶板岩层柱状图 ..................................... 13 2.3.3 煤岩力学参数测定结果 ....................................... 16 2.4 本章小结 ......................................................... 16 第三章 复采采场矿压显现规律及过冒顶区顶板断裂特征研究 .................. 17 3.1 物理相似模拟方案 ................................................. 17 3.1.1 相似比的确定 ............................................... 17 3.1.2 实验设备及其参数 ........................................... 18 3.1.3 模型的制作 ................................................. 21 3.2 实验过程 ......................................................... 21 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 3.3 相似模拟的结果与分析 ............................................ 23 3.3.1 复采工作面顶板断裂垮落特征 ................................. 23 3.3.2 冒顶区对顶板断裂形态的影响 ................................. 24 3.3.3 复采工作面顶板运移规律 ..................................... 25 3.3.4 复采工作面支架的受力分析 ................................... 27 3.4 复采工作面顶板断裂特征的力学分析 ................................ 30 3.4.1 顶板断裂特征 ............................................... 30 3.4.2 顶板断裂时支架工作阻力的确定 ............................... 30 3.4.3 顶板关键块失稳机理 ......................................... 32 3.5 本章小结 ......................................................... 36 第四章 1301 复采工作面矿压实测及分析 .................................... 39 4.1 概况 ........................................................... 39 4.1.1 1301 复采工作面采煤方法及设备 .............................. 39 4.1.2 矿压观测站（线、点）的布置及设备 ........................... 40 4.2 采场矿压显现规律观测结果及分析 ................................. 40 4.2.1 复采工作面支架的受力特性 ................................... 41 4.2.2 复采工作面来压特征 ......................................... 46 4.2.3 支架对顶板的适应性分析 ..................................... 49 4.2.4 复采工作面过冒顶区支架的阻力特性分析 ....................... 52 4.3 本章小结 ....................................................... 60 第五章 结论与展望 ...................................................... 63 5.1 结论 ............................................................ 63 5.2 不足与展望 ...................................................... 65 参考文献 ............................................................... 67 致 谢 ............................................................... 71 附录 A攻读硕士学位期间发表的学术论文 ................................... 73 附录 B攻读硕士学位期间参与的科研项目 ................................... 73 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1研究背景及研究意义 我国一次能源消费以煤炭为主，煤炭资源是我国经济和社会可持续发展的重要能 源物质基础。受到经济转型发展和环境保护压力影响，我国能源发展正处于大调整、 大变革阶段，在“高效、安全、绿色”总目标下我国能源消费构成将发生深刻变化， 新能源、天然气、石油等所占比例将增加，但煤炭作为能源主体的地位不会发生改变， 到 2020 年仍占到 60左右 [1,2]。 由于煤炭工业装备水平、开采工艺落后[3]，上世纪七八十年代，我国煤炭开采一直 采用刀柱式、巷柱式（高落式） 、残柱式等比较落后的粗放式采煤方法及工艺，出现小 煤窑的不规则开采、地方煤矿采富弃贫对厚煤层只采一部分等现象，导致相当一部分 的煤炭资源没有采出，遗留于采空区内。资料表明我国乡镇煤矿采用旧式采煤法开采 的煤炭资源回采率不足 30 [4]，反观美国、澳大利亚等发达国家，资源回采率能达到 80左右 [5]。就山西而言，旧的采煤方式遗留了大量的优质资源，导致全省可利用的煤 炭资源大幅减小，每年不得不花巨资勘探开发新的煤田。 因此，实现对旧采残留煤炭资源的二次开发利用，既是实现我国煤炭可持续发展 的重要途径，又切实解决了当前煤矿资源回收率低的问题，延长了矿井的服务年限， 具有重要的社会意义和经济价值。 1.2 国内外残煤复采的研究现状及存在问题 1.2.1 国外残煤复采的研究现状 上世纪九十年代，英国门克顿霍尔煤矿[6]对之前停产多年的老矿进行了残煤复采， 既避免了资源的浪费，又获得了经济利益；保列斯瓦夫煤矿针对旧采遗留煤柱的分布 情况，结合实际地质条件采用单工作面壁式采煤法，对遗留煤柱进行了有效的回采 [7]； Hawkins J.W[8]针对煤炭资源回收率低这一特点，为许多已经报废的煤矿提供了复采方 案； Veil，John A.等[9]对残煤复采进行了合理的定义，提出了提高煤炭回收率的有效方 法，对煤矿复采后有可能出现的环境破坏，也做出相应的分析； Smith，M.W[10]针对 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 旧采矿区井底含水带压的状况，为了避免出现透水事故，对旧采矿区进行划分，选择 性的进行复采，使煤矿复采得以顺利进行。 1.2.2 国内残煤复采的研究现状 国内最早对残煤复采进行研究的是田取珍团队，1993 年该团队承担国家煤炭资源 再回收项目，先后在长治西旺矿进行了残煤复采，并获得成功，该项目的研究对我国 残煤复采技术具有重要意义。由于矿井到达一定服务年限后资源产出率大大降低，对 煤矿自身的可持续发展不利，我国先后出现了多家老矿井，例如尹家沟煤矿、金鑫煤 矿都曾对残煤复采的方法进行了探索，并有了一定经济效益。其他国内学者对残煤复 采理论的丰富做出了大量研究，具体如下 何满潮教授针对大面积高冒区控制问题，通过现场调研分析了高冒区特点和形成 原因，提出运用“双曲拱”柔层桁架支护技术进行支护的技术方案[11]。 首次开采后顶板岩体损伤、破碎可近似看做“块体”，丁光文、陈付生[12]详细阐述 了块体理论及其应用实例，最后进行稳定性计算。块体理论为我们分析采空区顶板稳 定性提供理论依据。 罗文从现场实践角度分析了冒顶区出现原因交联巷道多，顶板出现应力集中加 之支架采高提前降低对顶板失去支护作用，工作面设备检修质量不可靠，工作面推进 速度低[13]。 杨本生等[14]针对厚煤层遗留底煤层复采顶板破碎情况，提出采用高水材料超前注 浆固结顶板的方法，使有效胶结成具有一定强度的整体再生顶板，实践证明能够满足 复采围岩及顶板稳定性的要求。 姜福兴教授针对采场老顶的结构，通过模糊数学理论对其进行了定量的描述，提 出了岩层质量数值法来对覆岩质量进行判断[15]。在此基础上将老顶的基本结构形式归 为“类拱”、“拱梁”、“梁式”。根据不同的岩层结构形式对应相应的支护关系。 马占国、蒋金泉等研究了房柱式、短壁方法旧采区残留煤柱复采的问题。针对二 次回采过程中超前煤柱大面积失稳的问题，以房柱式残留煤柱综合机械化、充填法处 理顶板（充填综采采空区，房柱式采空区不充填）为背景建立了矿柱和采空区充填体 共同支撑的弹性板柱的力学模型[16]。 郭富利[17]研究了复采工作面过空巷围岩控制理论，研究如下 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 （1）采用 Winker 弹性地基假定计算了老顶断裂前的最大弯矩，计算表明，老顶 断裂前最大弯矩位于煤壁之内，其断裂位置位于空巷附近。 （2）建立了采场关键块力学模型，分析并计算了关键块 B 的尺寸，研究了关键块 稳定性问题。 （3）基于之前建立的力学模型，计算了支架工作阻力。 （4）提出了空巷支护“小结构”力学模型，指出了对空巷进行合理支护可以形成 围岩的承载结构，可以对小结构外部围岩形成一定的“支”的作用。 柏建彪教授和侯朝炯教授在 “关键块”假说的基础上建立了旧采空巷顶板的力学 结构模型，得出利用高水性材料对旧采空巷进行充填有利于旧巷顶板的支护，并提出 了相应的支护参数[18-19] 。 杜科科与周海丰提出过空巷时采用停采“等压”的技术，确定了相关参数，并在 神东哈拉沟矿得到工程应用 [20-21]。 针对浅埋深，根据关键层理论，黄庆享等提出浅埋煤层长壁开采顶板结构及岩层 控制理论[22]。侯忠杰教授的“组合关键层”理论表明，关键层的层位随地面松散层厚 度的不同而不同，在一般的浅埋煤层中，最下一层坚硬岩层的岩性是不确定的，但在 厚松散层浅埋煤层中，两层坚硬岩层都是主关键层，且两层关键层通过组合效应，形 成组合关键层[23-24]。 杜科科[25]围绕工作面过空巷新技术，在对工作面过实体煤顶板运动规律的基础上， 针对工作面过空巷阶段顶板运动规律以及顶板结构变化进行定量研究，通过数值计算、 现场实测和理论分析研究确定了等压过空巷技术的参数。 周精保等[26]采用分层注浆技术，预充填复采巷道到一定高度构筑人工承载层和人 工截割层，通过建立细长梁的力学模型理论分析计算出承载层承载顶板冒落矸石冲击 的厚度，进而防止大体积煤矸石涌入工作面回采空间。 刘庆顺等[27]采用高水材料对复采巷道通过浅孔深孔结合的方式进行“饱注” ，成功 接顶，破坏巷道的冒落矸石和煤体能与充填介质胶结，防止顶板大面积破碎和冒顶， 煤壁稳定性较好，未出现片帮现象。 杨荣明，吴士良[28]采用弹性地基梁模型分析出工作面在过空巷时，老顶断裂线位 置必然在空巷正帮一侧的结论。老顶断裂线的位置距空巷正帮越远，形成的顶板结构 越有利于工作面通过空巷。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 杨本生等[29]针对厚煤层遗留底煤层复采顶板破碎情况，提出采用高水材料超前注 浆固结顶板的方法，使有效胶结成具有一定强度的整体再生顶板，实践证明能够满足 复采围岩及顶板稳定性的要求。 马其华等[30]针对新巨龙煤矿 1301 复采工作面前方赋存有近平行旧采空巷，提出调 斜配合充填过空巷技术。 为了能够合理的解释矿山压力现象，国内外学者提出了不同的矿山压力假说[31-43]， 比较有代表性的分为以下几种学说自然平衡拱假说、压力拱假说、 “悬臂梁”假说、 铰接岩块假说、 “砌体梁”假说、传递岩梁假说、预成裂隙假说。旧采区残煤复采作为 采场矿压的一种特殊形式，其基本的矿压显现规律仍能在上述理论体系的框架内得到 解释，但是由于其回采环境的特殊性，对于一些异于常规回采实体煤的显现规律，目 前的研究仍有不足。 1.2.3 目前研究存在的问题 综上所述，尽管相关专家、学者针对残煤复采进行了一定研究，但对于复采工作 面过冒顶区时顶板的断裂特征及复采工作面的矿压显现规律没有针对性的深入研究， 目前主要存在的问题如下 1、复采工作面的矿压显现规律有待进一步研究； 2、复采工作面顶板的断裂特征需更加深入研究。 1.3 研究的主要内容及研究路线 1.3.1 主要研究内容 本文以圣华煤业 1301 复采工作面为工程背景，通过现场调研和资料分析，采用理 论分析、物理相似模拟以及现场实测等方法，对复采工作面过冒顶区时顶板的断裂特 征及复采工作面推进过程中的矿压显现规律进行了研究，主要内容包括 1、通过现场调研和资料分析，对复采工作面冒顶区类型进行分类； 2、采用物理相似模拟实验，研究复采工作面顶板断裂特征，来压特征（包括来压 步距、来压强度等），顶板位移变化以及支架的工作阻力特性； 3、根据物理相似模拟实验的现象建立复采工作面顶板断裂的力学模型，得出支架 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 工作阻力的确定方法，并分析基本顶关键岩块的失稳条件； 4、通过现场实测得出复采工作面推进过程中的矿压显现规律。 1.3.2 研究方法及技术路线 本文主要根据现场资料，采用理论分析、物理相似模拟和现场实测等方法对复采 工作面过冒顶区时顶板的断裂特征及矿压显现规律进行研究，技术路线如图 1-1所示。 图 1-1 技术路线图 Fig. 1-1 Technology Roadmap 现场调研、资料分析 理论分析 物理相似模拟 现场实测 1.冒顶区顶板断裂特征 2.来压时支架受力分析 3.顶板发生失稳的条件 1.复采工作面基本顶来压特征 2.复采工作面支架的受力特征 3.过冒顶区支架工作阻力特性 复采采场矿压显现规律及其过冒顶区顶板断裂特征研究 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 第二章 圣华煤业 1301 复采工作面概况及开采条件 2.1 矿井概况及煤层赋存特征 圣华煤业地处晋城市泽州县下村镇，紧邻成庄煤矿、岳南煤矿，根据晋煤重组办 发[2009]39 号文件精神，圣华煤业兼并重组后为单独保留矿井，生产能力为 30 万 t/a， 井田东西长约 1.7km，南北长约 2.0km，面积 1.0591km2。井田煤系地层共含煤 6 层， 其中 3、9、15 号为主要可采煤层，其余为不可采煤层。该矿批采 3 号煤层，残煤复采 区也位于 3号煤层中。 2.1.1 旧采区资源分布 通过山西晋煤集团泽州天安圣华煤业有限公司生产能力核定报告书可知，圣 华煤业 3 号煤层实体煤储量约为不足 300 万吨，其中井田内村庄、工业广场及井筒压 煤约 260 余万吨，实际可利用实体煤储量约为 30 多万吨。由于受生产技术及装备水平 等条件的限制，2005 年前，圣华煤业一直使用煤炭回收率低下的旧巷柱式采煤方法， 破坏了井田内 3 号煤层的完整性，井田内旧采残煤区主要集中分为三个区域，分布情 况如图 2-1 所示。 （1）井田北部区域 主要分布在井田北部边界，面积约 0.168km2，属于 2002 年以前的旧采残煤区，可 采储量约为 72万 t。 （2）井田中部区域 该区域西侧为西部井田边界，北部为西北回风巷与运输巷，东侧为杨庄村保安煤 柱，南侧为采空区。该区域面积约为 0.0993km2，属于 2004 年以前的旧采区残煤区， 可采储量约为 31万 t。 （3）井田南部区域 该区域西侧为采空区，北部为杨庄村和工业场地保安煤柱，东侧为井田边界线， 南侧为采空区。该区域面积约为 0.157km2，属于 2003 年以前的旧采残煤区，可采储量 约为 41.6万 t。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 管子道 消防材料库 风机房 火药库 730 2 5 6 3 4 8 9 10 7 11 ||| ||| ||| ||| ||| ||| ||| || ||| ||| ||| ||| ||| || ||| | ||| | 煤库 ||| ||| ||| ||| ||| ||| ||| |||