急斜特厚煤层综放开采顶板运移及其控制研究.pdf

论文题目急斜特厚煤层综放开采顶板运移及其控制研究 工程领域矿业工程 硕 士 生李云鹏 （签名） 指导教师来兴平 （校内） （签名） 陈建强 （校外） （签名） 摘 要 急斜特厚煤层水平分段综放开采顶板的垮落特征、运移规律和缓斜煤层不同。开展 顶板运移的力学行为分析，对工作面的顶板治理、强制放顶、局部强化致裂卸压和靠近 顶板侧巷道围岩稳定性控制等都有着重要的科学意义和工程应用价值。 本文较系统的对急倾斜特厚煤层水平分段综放开采后，顶板垮落特征和运移规律进 行了分析。论文以乌鲁木齐矿区乌东煤矿北采区 45o特厚煤层为研究背景，针对急斜特 厚煤层水平分段综放开采顶板的垮落特点，采用理论分析、物理相似模拟、数值模拟、 现场监测和工业试验相结合的方法开展研究。开展 45o煤层综放工作面顶板物理相似模 拟实验与多元指标监测，获得了顶板分化破坏的失稳特性及规律。通过理论分析将顶板 从空间上依次分为挤压失稳区、滑移失稳区、回转失稳区，对此分别建立了力学模型， 来分析不同区域顶板的变形、破断方式。获得了挤压失稳区顶板最先发生破断失稳的区 域、滑移失稳区顶板发生滑移失稳必要条件、回转失稳区顶板发生二次断裂的位置。利 用数值计算方法，分析顶板受煤层开采扰动作用中顶板在空间上的运移、垮落特征。现 场采用地质雷达GPR对顶板进行立体探测，得出不同区域顶板的破碎程度。提出了对 急倾斜特厚煤层顶板实施井下与地表相结合的深孔爆破卸压方案。结果表明在顶板深 孔爆破卸压措施下，巷道的稳定性和动力灾害问题得到了较好的控制。 本研究为水平分段综放工作面及动力灾害预测与控制提供了有效方法。 关 键 词急斜特厚煤层；顶板运移；动力灾害；爆破卸压 研究类型应用研究 本研究获国家自然科学基金资助项目NO.U1361206和 973 计划前期研究专项 2014CB260404项目资助 万方数据 万方数据 ABSTRACT The caving properties and motion of roof on the horizontal section top coal caving in steep and heavy thick coal seam is quite different from the gently inclined seam. The mechanical analysis of the roof motion is useful for the improvement on top roof of working surface, forced caving, regional force-fracturing distressing, and the control of stability of surrounding rock on side tunnel close to top roof, which is valuable on science and engineering application. This thesis analyzed the caving properties and motion of roof on the horizontal section top coal caving in steep and heavy thick coal seam in a systematical way. our study was based on the north mining area, Wudong Colliery, Urumqi, which has a 45extra-thick coal seam. In regards of the caving properties and motion of roof on the horizontal section top coal caving in steep and heavy thick coal seam, our study implemented theoretical analysis, similar physical model, data simulation, in-situ monitoring, and industrial test. We built up a similar physical model of the top roof on the 45coal seam working surface, developed a multi-index monitoring plat, and acquired the instable properties and principles of the broken top roof. On the basis of theoretical analysis, top roof was segmented into instable extrusion region, instable sliding region, and instable rotary region. For each different region, the corresponding mechanical models were built to analyze the way top roof deing and breaking. We found the first broken area in the instable extrusion region, the requirements of top roof sliding in the instable sliding region, and the secondary broken position in the instable rotary region. We also studied the motion and caving properties of the top roof due to the disturbance from coal mining using data simulation software. In-suit we utilized ground penetrating radar GPR to detect the roof in three dimensions, and characterized the plastic variation of different regions Subject Research on Roof Movement and its Control with Fully Mechanised Top-Caving in Mining Steeply and Extremely Thick Coal Seams Specialty Mineral Engineering Name Li Yunpeng （（Signature）） Instructor Lai Xingping （ （Signature）） Chen Jianqiang （（Signature）） 万方数据 on the roof. From our research, we proposed a deep hole blasting both in the pit and on the ground surface for steep and heavy thick coal seam, which have been proven to control the stability of the roadway and solve the problem of dynamic catastrophe. Provide effective ways to study the layer ing under the horizontal section working surface and forecast the dynamic catastrophe. Key words Steeply inclined and extremely thick coal seam; Roof movement; Dynamichazard; Blasting relief Research Type Application research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪 论 .................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义 ......................................................................................................1 1.1.1 研究背景 ........................................................................................................1 1.1.2 研究意义 ........................................................................................................2 1.2 相关研究领域研究现状...........................................................................................2 1.2.1 急斜特厚煤层开采顶板变形研究现状...........................................................2 1.2.2 顶板弱化卸压研究现状..................................................................................4 1.3 论文的主要研究内容...............................................................................................5 1.4 技术路线..................................................................................................................5 2 急斜特厚煤层赋存条件与动灾特征分析..........................................................................7 2.1 赋存与开采条件 ......................................................................................................7 2.1.1 地理位置概述.................................................................................................7 2.1.2 矿井地质条件.................................................................................................7 2.1.3 水平分段综放开采.........................................................................................8 2.2 动力灾害显现特征...................................................................................................9 2.2.1 动力灾害频发...............................................................................................10 2.3 顶板与煤体需要有效弱化垮放 .............................................................................11 2.4 本章小结................................................................................................................12 3 急斜特厚煤层顶板运移物理相似模拟实验....................................................................13 3.1 模型构建................................................................................................................13 3.1.1 实验原理 ......................................................................................................13 3.1.2 实验设计方案...............................................................................................13 3.1.3 实验主要监测设备.......................................................................................14 3.2 实验现象分析........................................................................................................15 3.2.1 露天开采顶板运移特征...............................................................................15 3.2.2 第一分段开采顶板运移特征........................................................................16 3.2.3 第二分段开采顶板运移特征........................................................................18 3.3 模型表面测点运移特征.........................................................................................19 3.4 本章小结................................................................................................................20 4 急斜特厚煤层顶板运移规律分析...................................................................................21 4.1 顶板运移演化过程.................................................................................................21 4.2 挤压失稳区顶板失稳特征.....................................................................................23 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 II 4.2.1 挤压失稳区顶板力学模型建立.....................................................................23 4.2.2 575 挤压失稳区顶板变形参数计算............................................................26 4.2.3 煤层倾角对顶板变形量的影响.....................................................................27 4.2.4 挤压失稳区顶板失稳动力灾害显现特征 ....................................................27 4.3 滑移失稳区顶板失稳特征.....................................................................................28 4.3.1 滑移失稳区顶板力学模型建立.....................................................................28 4.3.2 滑移失稳区顶板失稳动力灾害显现特征 ....................................................29 4.4 回转失稳区顶板失稳特征.....................................................................................30 4.4.1 回转失稳区顶板力学模型建立....................................................................30 4.4.2 回转失稳区顶板失稳动力灾害显现特征 ....................................................32 4.5 本章小结................................................................................................................32 5 急斜特厚煤层顶板运移数值计算分析 ............................................................................33 5.1 3DEC 程序简介 ......................................................................................................33 5.2 模型设计................................................................................................................33 5.3 顶板运移演化分析.................................................................................................34 5.3.1 露天开采顶板垮落特征...............................................................................34 5.3.2 第一分段开采顶板垮落特征........................................................................35 5.3.3 第二分段开采顶板垮落特征........................................................................36 5.4 本章小结................................................................................................................37 6 现场应用..........................................................................................................................38 6.1 顶板稳定性预测 ....................................................................................................38 6.1.1 地表探测方案...............................................................................................39 6.1.2 井下探测方案...............................................................................................39 6.1.3 探测结果分析...............................................................................................40 6.2 顶板耦合致裂方案.................................................................................................41 6.2.1 地表深孔爆破方案.......................................................................................42 6.2.2 井下深孔耦合爆破方案...............................................................................42 6.3 评价方法................................................................................................................44 6.3.1 微震监测 ......................................................................................................44 6.3.2 电磁辐射监测...............................................................................................45 6.4 耦合致裂效果评价.................................................................................................45 6.5 本章小结................................................................................................................47 7 结论 .................................................................................................................................48 致 谢 .............................................................................................................................49 万方数据 目录 III 参考文献 .............................................................................................................................50 附 录 .............................................................................................................................55 万方数据 万方数据 1 绪论 1 1 绪 论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 目前来看，国家对能源行业正在进行结构调整，煤炭的需求有所下降，但从我国的 能源结构来看，煤炭在我国能源结构所占的比重依然很大。现在煤炭的深加工领域，也 取得了较大突破。如通过化学方式制成焦炭、煤焦油、甲醇等一些化工原料。更重要的 是我们国家所使用的石油、天然气基本上都要从国外进口，因为我们国家的石油、天然 气储存比较少。据有关部门统计我国煤炭的需求量在 2020 年将达到 48 亿吨。因此从发 展的角度以及能源结构来看，在我国发展的过程中对煤炭的需求量也是相当大的。在过 去技术不成熟时，煤炭开采都是先从地质条件简单的煤层开始，随着时间的推移易采煤 层已相对较少了，所以深部急倾斜特厚煤层的开采将会是以后我国煤炭的主要来源。 我国煤炭储量丰富其中包含了进水平煤层、缓斜煤层以及急倾斜煤层等，而急倾斜 煤层大约占 1/5 左右的储量，急倾斜特厚煤层主要分布在我国的西北地区和西南地区， 新疆乌鲁木齐矿区是我国批建的 14 个亿吨级大型煤炭生产基地之一，是我国战略资源 储备区，其年产量占全国煤炭总产量的 10左右，煤炭赋存环境复杂，开采难度大[1-2]。 急斜煤层是指倾角 4590o的煤层， 是几亿年来各个聚煤地区古地理基底不平， 并经受地 壳不均衡沉降作用以及岩浆活动等影响，使一些地区形成了急斜的埋藏状态，因此急斜 煤层所处应力状态非常复杂[3-5]。急倾斜煤层开采后，由于采场上覆岩层载荷沿层面方 向的分量增加，而法向分量却相对减小[6-9]，则力学体系与缓斜煤层不同[10-12]，因此造 成其矿压规律与缓斜煤层有显著差异[13]。在水平分段综放开采的过程中，由于顶板结构 形式不同，首分段开采和其后各分段开采顶板破断失稳的力学模型不同，且在每一分段 高度内都可能发生沿走向的破断及再次破断，除了第一水平上部的几个分段外，多数开 采都是在这种赋存条件下进行的[14]。 急倾斜工作面基本顶的变形破断特征将影响到工作 面的矿压显现、巷道支护设计。 急倾斜特厚煤层水平分段综放开采的采煤工艺，通过段高的增加有效的提高了煤炭 的产量，但是由于段高的逐渐增大，也将伴随着一些负面影响。由于水平分段一次性放 煤高度较大，将会引起地表沉陷，无论面积和深度都大幅增加，对地表工业及民用建筑 和生产设施都将造成很大的危害。这种地表沉陷的运移方式与缓斜煤层所引起的地表沉 陷的运移方式大不相同，急倾斜水平分段所造成的地表沉陷将会随着上区段采空区煤矸 石的滑落沿倾向向深部延伸，同时会随着靠近地表区域顶板向采空区的回转失稳而在走 向范围上不断扩大。地表沉陷将伴随着较大的裂缝，地表雨水或者河流将会沿着裂缝进 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 入采空区形成采空区积水，裂缝贯通了工作面与地表，形成了一条供氧通道，这对工作 面以及采空区煤层的自然提供了必要的条件。随着倾向的推进即采深的增加以及工作面 的走向推进，以及乌东煤矿北采区 45o特厚煤层的煤层角度接近自然安息角，导致顶板 很难发生大面积垮落，顶板的悬空面积将会不断增大，顶板的突然垮落将会使工作面产 生较强的动力灾害显现。2011 年 3 月 24 日，乌东煤矿西采区发生强动力学灾害，导致 2 人受伤，1 人死亡；2011 年 12 月-2012 年 2 月，在620 水平 45煤层西翼工作面发生 了两次顶板突然垮落事故，工作面顶板大面积的突然垮落，导致煤岩体内部的有害气体 突然进入工作面，造成了多名工人受伤。因此，研究急斜特厚煤层水平分段开采的围岩 结构以及开采引起的顶板运移规律具有重要的科学意义。 1.1.2 研究意义 本文以乌鲁木齐矿区乌东煤矿北采区575 水平 45o急斜特厚煤层为研究背景， 通过 理论分析、物理相似模拟、数值模拟以及现场监测相结合的方式，对采后顶板的运移规 律进行分区研究，揭示顶板在空间上的动态破坏与演化机制。为现场安全开采与顶板的 安全治理提供合理、科学的依据，实现 45o急斜特厚煤层综放安全开采。同时，为类似 急倾斜坚硬顶板稳定性预测预报与控制提供借鉴，服务于与岩石力学相关的岩体工程。 1.2 相关研究领域研究现状 1.2.1 急斜特厚煤层开采顶板变形研究现状 早在 20 世纪 70 年代，前苏联对急倾斜煤层开采所需要的各类综采支架，掘进机、 采煤机等进行了大量的研究，针对急倾斜煤层开采的机械化专门研制了各类综采机械， 在综采机械研究的基础上进一步对急倾斜煤层的开采工艺进行了比较充分的研究，为急 斜煤层的开采以及综采机械理论技术的形成奠定了基础[15-17]。 1954 年李特维尼申J.LitwiniSZyn学者，通过对岩石长时间的研究分析，把岩石当 作不连续介质， 提出了随机介质理论， 首次在研究岩层移动的问题中引入随机介质理论， 把岩层的移动称为是随机运动。西德学者克拉茨H.KratZSCh总结概括了煤矿开采沉陷 的预测方法，并出版 MiningusbsdeinecEngineering 一书。勃劳纳Brauner针对地表移动 提出了一种计算方法圆形积分网格，并且获得了地表移动水平方向的影响函数[18]。此 外，还有一些学者也做了大量的研究，其中包括克伦恰尔与科伐尔契克以及沙武斯托 维奇， 前两个是克拉科夫矿业学院的学者， 后一个为波兰科学院岩石力学研究院的学者。 俄罗斯联邦的库拉科夫（Kulakov）较系统的研究了随工作面的推进，急倾斜煤层 工作面的矿山压力与支撑压力[19]；捷克共和国的鲍迪（Bodi）针对无人开采技术在坚硬 顶板下急倾斜煤层开采过程中的应用做了深入分析研究，探讨了其安全性的可靠程度 万方数据 1 绪论 3 [20]；印度学者 Singh 借助急倾斜厚煤层的地质条件以及煤岩体力学参数，在实验室内构 建物理相似模型，研究了煤层厚度以及倾角对开采后围岩应力分布特征的影响，在此基 础上探讨了急倾斜厚煤层采用综放开采工艺的可靠性[21-23] 在采场薄板矿压理论方面， 伦欧拉L .Eule r最先探索弹性平板的挠曲问题， 杰克 贝 努里Jacqucs Bcrnoulli同样将此概念用来分析板问题。启拉第E.F.F.Chladni、莎菲渊 门Sophie Germain 、泊松S.D.Poisson对板的理论做了进一步的改进。克希霍夫 G.R.Kirchhoff对板的弯曲理论进一步做了补充与完善，将板理论应用于采后顶板的挠 曲变形分析。 英国学者 Wilson 分析研究过煤层倾角与顶板岩层的稳定性之间的对应关系，获得 了顶板不沿岩层结构面发生滑移失稳的支架阻力表达式 [24-25]。 急倾斜特厚煤层综放开采中，顶板的破断方式、矿压显现规律与缓斜水平煤层区别 很大[26-30]，随着对工程岩体学习与研究，研究理论与手段逐渐丰富，国内广大学者对于 急倾斜工作面顶板变形规律分析主要从顶板的二维梁式受力模型到三维的板受力模型， 以及顶板的均布载荷分布到梯形载荷分布 石平五等[31]研究了急斜特厚煤层水平分段放顶煤开采围岩破坏规律提出开采过程 顶煤和围岩的破坏过程大致可分为顶煤放出区、沿底坐滑区、顶板离层破坏区和煤岩滞 后垮落区 4 个区，并且建立了老顶狭长板模型，得出了急斜特厚煤层开采破坏主要向煤 层上方发展。 高召宁等[32]建立了急斜煤层综采采空区顶板力学模型， 分析了不同煤层倾角以及不 同段高对顶板变形量的影响，获得了对应的顶板失稳判据。 尹光志等[33]建立了采空区顶板的力学模型， 获得了顶板的挠度方程以及顶板发生挠 曲变形的最大位置。 邵小平等[34]提出急斜煤层综采采空区基本顶存在卸载拱结构， 并用薄板理论对其进 行了拉应力分析，获得了卸载拱的动态运移规律以及失稳准则。 鞠文君等[35]针对急斜特厚煤层综放开采采空区顶板的破断方式，通过理论分析，建 立了顶板力学模型，并提出了顶板爆破弱化的技术。 王金安等[36]通过考虑采空区矿柱的条件下， 通过流体力学建立了对应的顶板流变力 学模型，获得在矿柱的影响下顶板的流变位移控制方程，并对不同阶段采空区顶板的破 坏特征依次分析讨论。 王树仁等[37]基于 Reissner 厚板理论， 建立了采空区顶板力学模型并考虑了动载的作 用，探讨了动载作用下不同顶板厚跨比、动载频率下顶板的应力变化。 王港盛等[38]对采空区充填后工作面顶板的受力特征进行分析研究， 通过梁理论建立 顶板力学方程，探讨了充填长度对顶板变形量的影响。 浦海等[39]对顶板破断、失稳形态的机理进行分析研究，将薄板理论应用于顶板的力 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 学分析中，建立了四边固支的顶板力学模型，得出顶板发生破坏以及破坏延伸、转移规 律，得到顶板沿厚度方向的破坏规律，形成空间“O”型裂纹形态。 王晓军