大倾角煤层综放开采冒落矸石充填特征及其对矿压显现影响规律研究.pdf

论文题目大倾角煤层综放开采冒落矸石充填特征及其对矿压显现影响规 律研究 专 业采矿工程 硕 士 生尹建辉 （签名） 指导教师伍永平 （签名） 摘 要 大倾角煤层是指埋藏倾角为 35 55 的煤层。当煤层倾角大于 35时，破断的顶板 覆岩会沿着工作面底板向下滑滚并充填采空区下部区域，形成一条非对称充填带，该充 填带改变了工作面顶板的约束条件，造成了矿山压力显现的非均匀和非对称性。研究大 倾角煤层综放开采冒落矸石的充填特征及其对矿压显现影响规律，对于发展与完善大倾 角煤层开采理论与技术具有重要意义。 本文以长山子煤矿 1125、1123 大倾角煤层工作面为研究对象，通过物理相似模拟 实验、数值分析、理论分析以及现场监测相结合的方法展开了研究，主要结论如下 （1）大倾角煤层开采后冒落矸石会向工作面下部采空区滚滑并充填，形成矸石密 实充填区、充分充填区、少量或无充填区的非对称充填带。采空区密实充填区矸石密实 充填具有一定强度。中部工作面采空区充满，充填松散，充填块度较大，充填强度低。 上部工作面采空区少量充填，具有明显的分区特征。 （2）在充填作用下，围岩破坏区、覆岩垮落拱、应力释放拱向采空区未充填区偏 移，围岩塑性区范围随着充填比例的提高而减小。矸石充填区的矿压显现明显减弱，且 充填比例越高，应力释放拱范围越小，应力值也越小，顶板垂直位移也越小。 （3）大倾角煤层工作面基本顶岩梁上部呈受拉状态，下部呈受压状态且充填矸石 对基本顶岩梁有非对称的支承作用，造成了应力分布的非对称性。基本顶岩梁会在中部 偏上位置处断裂，从而形成非对称三铰拱结构。 （4）针对长山子煤矿 1125、1123 工作面条件，监测并分析了支架受力状态。结果 表明，1125 工作面基本顶 在距离工作面下端头 45.7m 左右发生断裂，断裂线位于工 作面中部偏上位置 31支架区域。矸石接顶充填长度（矸石密实区和充分充填区长度之 和）约为 52.9m。工作面中部支架载荷最大，上部次之、下部支架载荷最小。工作面中 部最先来压，其次上部工作面，最后下部工作面，具有明显的时序性。工程实践与物理 相似模拟实验、数值计算、力学分析有较好的一致性。 万方数据 关关 键键 词词大倾角煤层；矿压规律；覆岩运移；矸石充填 研究类型研究类型应用研究 万方数据 Subject Pilling Characteristics of Caving Debris and Its Influences on Mine Pressure in Longwall Mining Steeply Dipping Coal Seam Specialty Mining Engineering Name Yin Jianhui （（Signature）） Instructor Wu Yongping （（Signature）） ABSTRACT The steeply dipping seam is defined by coal seam which pitch is 35 55 . When coal seam pitch is more than 35,The broken roof is no longer stay in place, but along the working face floor downward slide and roll, and fill the lower goaf region, and a non-symmetrical filled belt. The belt changes the working-face roof constraint condition, resulting in non-evenly and non-symmetry of mine pressure behavior. Researching on the filling gangue characteristic and showing the influence of mine pressurein in steeply dipping coal seam have an important significance to enrich mining theory and technology in steeply dipping seam. In this paper, studied on the 1125、1123 working-faces in ChangShanzi coal mine, Launched the research by means of similar physical simulation, numerical simulation, theoretical analysis and on-site underground pressure observation. The main conclusions are as follows 1After mining, the broken roof will slide and roll downward the lower goaf region, a compacting caving debris area, fully filling area and small amount of filling area, and a non-symmetrical filling belt. The characteristics of compacting caving debris area is strong with a certain intensity grading, the central goaf is filled with loose gangue, larger and the support strength is lower than upper area. The upper area has a small amount filling in goaf. It has an obvious partition characteristics. 2The caving debris surrounding rock failure zone shifted to unfilled region. Filling higher the ratio, the less plastic zones development, The filling gangue effectively slowed down the mine pressure appears in the lower part of working-face. The stress release arch shifted to unfilled area when the goaf is being filled, and the higher the proportion of filling, 万方数据 the stress release arch smaller the range, and the smaller stress value. The overlying rock caving arch shifted to unfilled region, The vertical displacement of roof decreased with the increase of filling ratio. 3The upper half of the rock beam is under tension, the lower part is under compression, and the filling gangue will support the rock beam, therefore the asymmetry stress distribution is caused. The basic roof fracture will breake in the upper part of the basic roof in steeply dipping seam. The basic roof can be broken to an asymmetric triangular arch. 4According to the 1125、 1123working-faces geological conditions of ChangShanzi coal mine, the support stress state was monitored and analyzed, The result showed that the basic roof will fracture from the lower end of 45.7m, located in the middle position of 31 support area.The caving debris length is about 52.9m. The monitoring results showed that the central support had a maximum load, followed by the upper support and the lower was minimum. The Mine pressure first occurred at the middle working-face, then the upper working-face area, the lower working-face area. The mine pressure had obvious time sequence. The engineering practice and physical similar simulation, theoretical analysis are in good agreement. Key words steeply dipping seam strata pressure law Overburden migration caving debris filling Thesis application research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 论文选题背景和意义 ..................................................................................................... 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 ............................................................................................................. 2 1.2.1 国内大倾角煤层开采的发展历程 ...................................................................... 2 1.2.2 国内外大倾角煤层开采岩层控制研究 .............................................................. 4 1.2.3 国外大倾角煤层开采方法的发展研究现状 ...................................................... 9 1.2.4 煤矿矸石充填开采研究现状 .............................................................................. 9 1.3 研究内容 ........................................................................................................................11 1.4 研究方法和技术路线 ....................................................................................................11 1.4.1 研究方案 .............................................................................................................11 1.4.2 技术路线 ............................................................................................................ 12 2 覆岩运移及充填规律物理相似模拟研究 .......................................................................... 13 2.1 工程概况 ....................................................................................................................... 13 2.2 沿工作面倾向覆岩垮落、充填特征 ........................................................................... 14 2.2.1 建立模型 ............................................................................................................ 14 2.2.2 倾向覆岩动态运移及充填过程 ........................................................................ 15 2.2.3 倾向覆岩位移及矿压显现规律 ........................................................................ 18 2.2.4 沿倾斜方向支架工作阻力分布 ........................................................................ 18 2.2.5 倾向覆岩运移及充填机理 ................................................................................ 19 2.2.6 充填体特征总结 ................................................................................................ 21 2.3 走向实验过程及分析 ................................................................................................... 22 2.3.1 沿工作面走向覆岩运移规律 ............................................................................ 22 2.3.2 走向覆岩运移规律总结 .................................................................................... 30 2.4 采空区充填体特征及影响因素 ................................................................................... 30 2.4.1 充填长度 ............................................................................................................ 30 2.4.2 各因素对接顶充填长度的影响 ........................................................................ 32 2.5 本章小结 ....................................................................................................................... 33 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 II 3 矸石局部充填采场覆岩运移规律数值模拟研究 .............................................................. 34 3.1 数值模拟软件及方案 ................................................................................................... 34 3.1.1 数值模拟软件 .................................................................................................... 34 3.1.2 数值模拟方案 .................................................................................................... 34 3.2 不同充填长度条件下采场覆岩运移规律 ................................................................... 36 3.2.1 不同充填条件下采场覆岩塑性区分布特征 .................................................... 36 3.2.2 不同充填条件下采场覆岩应力分布特征 ........................................................ 40 3.2.3 不同充填条件下采场覆岩垂直位移 ................................................................ 44 3.3 本章小结 ....................................................................................................................... 45 4 大倾角煤层采场矿压模型分析 .......................................................................................... 47 4.1 工作面沿倾向基本顶力学模型的建立 ....................................................................... 47 4.1.1 基本顶弯曲变形分析 ........................................................................................ 48 4.2 本章小结 ....................................................................................................................... 51 5 长山子煤矿大倾角煤层开采工程实例 .............................................................................. 52 5.1 工程概况 ....................................................................................................................... 52 5.2 工作面基本顶断裂位置计算 ....................................................................................... 52 5.3 工作面矿山压力监测 ................................................................................................... 53 5.3.1 矿压观测方案 .................................................................................................... 53 5.3.2 支架受力特征 .................................................................................................... 54 5.3.3 工作面初次来压步距与周期来压步距 ............................................................ 56 5.4 本章小结 ....................................................................................................................... 58 6 主要结论 .............................................................................................................................. 59 参考文献 .................................................................................................................................. 61 致 谢 ...................................................................................................................................... 66 附 录 ...................................................................................................................................... 67 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文选题背景和意义 1.1.1 研究背景 埋藏倾角为 35 55的煤层被称为大倾角煤层[1-2]。在我国 35以上煤层储量大约 占有 1520，年产量占全国煤炭总产量达 510，受特殊成煤环境影响，50以上 的大倾角煤层为优质焦煤和无烟煤，是我们国家保护性开采的稀缺煤种。在我国西部省 份，大倾角煤层储量占西部地区煤炭总储量的 30左右，50以上的矿井赋存大倾角煤 层，如主要产煤省（区）的四川、宁夏、云南、甘肃、新疆、重庆等。要提高煤炭产业 技术经济效益，推进西部大开发战略就必须完善大倾角煤层开采相关理论。 近年来，随着开采强度的不断加强，我国的东部大部分矿区浅部开采条件好的资源 （储量）将在较短的服务年限内将接近枯竭，这些矿井必须面对开采大倾角或急倾斜煤 层的技术难题，因此解决大倾角煤层开采技术难题和完善相关理论已经迫在眉睫。与此 同时，随着我国矿产资源开采重点的向西转移，煤炭资源已经成为西部地区重要的经济 发展支柱，并且大倾角煤层在西部地区有广泛的赋存，由此可见，完善大倾角煤层开采 相关理论和技术是涉及到西部区域经济发展的重大战略性问题。 1.1.2 研究意义 近些年来，随着科技工作者的不断深入研究，我国的大倾角煤层开采理论与技术已 经取得了丰硕的成果，其综合机械化开采理论与技术已处于国际领先水平。大量的现场 监测数据和实验室理论研究后发现，当煤层倾角大于 35时，走向长壁（倾斜、伪倾斜 布置、走向推进）推进时，顶板破断后冒落破碎的岩体不能停留在原地，而是沿着工作 面向下滚滑，在工作面沿倾斜方向的采空区形成工作面总体上呈下部充填密实，中部填 满，上部少量充填的非均匀充填带[3-7]，从而造成了顶板非对称的约束条件，继而造成 了沿工作面倾斜方向上不同部位的不均衡矿压显现。对于冒落矸石充填特征及其对矿压 显现影响规律尚不明确，因此研究大倾角煤层走向长壁开采过程中冒落矸石的充填特征 以及对矿压显现的影响规律对于完善大倾角煤层开采理论具有重要意义。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内大倾角煤层开采的发展历程 （1）国内大倾角煤层开采方法的发展现状 自 20 世纪 80 年代以来，随着几代采矿工作者的不断艰辛努力，四川绿水洞煤矿首 先对大倾角煤层的成功开采，为大倾角煤层机械化开采起到了典范作用。在此过程中， 积累了一系列大倾角煤层开采的矿压显现和岩层移动基本规律经验，为进一步深入研究 大倾角煤层安全高效开采奠定了坚实的基础。 国内大倾角煤层开采相关理论与技术研究 主要集中在开采方法和岩层控制及开采设备等领域[8]。 20 世纪 80 年代，四川省旺苍矿及杉木树矿开始了以俯伪斜体系为代表的采煤方法 开采，以及重庆中梁山煤矿的伪斜短壁采煤法、柳新矿的伪俯斜走向长壁分段密集采煤 法，芙蓉矿务局巡场矿的伪俯斜走向分段密集支柱采煤法及唐家河矿伪斜小巷多短壁采 煤法等[9-10]。 华亭矿务局东峡煤矿煤层群具有围岩条件差、煤层数多、煤层坚硬的特点，该矿研 究使用了非机械化大采高、大推进度的开采方法，取得了良好的技术与经济效益[11]。窑 街矿务局三矿针对大倾角（倾角 37 47 ）坚硬特厚煤层研究使用了超前预爆破非机械 化放顶煤技术[12]，取得了良好的技术经济效益。在新疆建设兵团、河南义马矿务局等局 在大倾角和急倾斜煤层中进行了巷道放顶煤的可行性研究[13-15]。 1996 年，西安矿业学院（现西安科技大学）与四川华蓥山矿务局、北京煤科院开采 所等单位成功地对绿水洞大倾角煤层进行了技术攻关，该矿大倾角工作面产量达到了 5060 万 t/年，技术水平居国际先进行列[16]。绿水洞煤矿的成功开采使我国的大倾角煤 层机械化开采走在了世界前列。实现了大倾角煤层矿井安全高效开采，为世界大倾角煤 层综合机械化开采起到示范带动作用。 1997 年2008 年， 新疆艾维尔沟煤矿成功地开采了硬顶软底软煤走向长壁综放大倾 角煤层 25112 工作面，并取得了良好的经济效益和社会效益，该类煤层开采的成套技术 被鉴定为国际先进水平[17]。 2003 年王家山煤矿大倾角煤层工作面创新设计了 “非线性异面空间” 工作面布置方 式，极大地提高了生产效率[18-19]。 2004 年甘肃华亭东峡煤矿针对特厚煤层群开展了综合机械化走向长壁放顶煤开采 技术的研究[20]，如图 1.1。取得了明显的经济效益和良好的安全效益。 万方数据 1 绪论 3 图 1.1 煤层群开采多区段岩层控制方法 Fig1.1 Multi sectional strata control s in mining coal seams 2004 年甘肃华亭煤业集团， 在东峡煤矿 37215-2 工作面对大倾角近距离煤层群进行 走向长壁综采放顶煤开采技术试验研究角煤层开采理论与技术研究，并取得了一系列重 要成果。 2005 年底，东峡煤矿对煤层群下层厚煤层“煤 6-2 中”采用综合机械化放顶煤方法 进行“大放高”开采，也取得了较好的成绩。 20112013 年， 艾维尔沟煤矿成功开采了 2130 平硐大倾角硬顶软底软煤走向长壁大 采高工作面，采用了坚硬顶板预爆破技术，提高了顶板的冒放性。研究了不同采高条件 下工作面围岩空间变形、破坏与运移规律、煤壁片帮机理及其控制技术，保证了开采过 程中煤壁的稳定性[17]。 西安科技大学伍永平教授带领的“复杂煤层开采理论与技术研究”团队，基于以工 作面支架为核心， 提高三机系统耦合程度与整体稳定性的装备设计思想， 解决了 “三机” 系统与动态稳定性控制、工作阻力分区域自动控制和综合封闭性控制等装备研制关键技 术。与多家单位共同研发了具有主动防倒防滑、自动扶正、稳定状态三维可调、防陷、 护帮、工作阻力分区域电液控制等特点的工作面基本支架[2]，如图 2.2，具有横向布置、 空间分隔、整体移动、全封闭等特点的工作面下端头支架[2]，如图 2.3，解决了大倾角煤 层长壁综采“三机”优化配套难题。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 图 1.2 大倾角工作面三机设备 Fig1.2 Equipments of full mechanized working-face 图 1.3 大倾角综采面下端头支护系统 Fig1.3 Lower face end shield support system 1.2.2 国内外大倾角煤层开采岩层控制研究 对于大倾角（急倾斜）煤层围岩控制研究最初借鉴了近水平及缓倾斜煤层的开采研 究方法。俄罗斯、印度、捷克、美国、印度等产煤国家对该类煤层进行了一些研究。俄 罗斯 Kulakov研究了大倾角煤层工作面围岩应力和支承压力分布特征。印度 Singh T.N. 等通过实验分析了印度大倾角坚硬煤层开采的围岩应力分布特征[21]。捷克 Bodi 探讨了 无人工作面安全开采技术应用在大倾角煤层开采的可行性。 中国西部赋存大量的大倾角（急倾斜）煤层，是目前国际上开采该类煤层最多的国 家，对大倾角煤层围岩控制理论的研究处于世界领先水平。 平寿康教授从 20 世纪 80 年代起，完成了以“大倾角俯伪斜走向与掩护密集支柱采 煤法矿压显现”、“大倾角大采高俯伪斜采面矿压显现实测研究”为代表的一批科研课 万方数据 1 绪论 5 题[22-25]，考虑到了工作面不同区域破碎岩体充填效应，沿倾斜方向上不同位置处顶板岩 层的不同运动方式、不同结构的形成及其对大倾角煤层工作面的来压影响。 1986 年，西安矿院（现西安科技大学）吴绍倩、石平五完成了首批煤炭科学基金项 目“急倾斜煤层矿压显现规律研究”，分析了急斜煤层长壁工作面矿压观测规律，认为 急斜长壁沿倾斜充填条件不同，上覆岩层结构失稳时（来压时） ，上、中、下部岩块运 动条件不同，是造成沿倾向来压显现明显不同的主要原因，并提出了倾斜薄板和空间岩 块平衡、弹性基础墙假说[26]。 重庆大学尹光志、鲜学福教授等科研工作者采用实验室相似模拟试验、Flac 数值模 拟手段对南桐煤矿覆岩运移、矿山压力显现和地表沉陷的基本规律进行了研究[27]。尹光 志、李小双、郭文兵通过室内光弹模拟模型实验和工作面现场矿压实测，得出了大倾角 煤层采场顶板应力分布是高度不均匀的、不对称的[28]。 东北大学证实了大倾角煤层开采过程中，剪切滑移区的存在，利用物理相似模拟和 离散元相结合的手段对覆岩运动规律与破坏特征对围岩进行了分区[29]。 原西安矿院、原成都煤炭干部管理学院、中国矿业大学、四川师范大学、等单位分 析了急倾计松软厚煤层走向长璧未煤法分层开采时，工作面在初放及正常回采期间底板 滑脱率故的具休事例，并有针对性地提出了防治措施[30-31]。 原西安矿业学院赵朔柱副教授根据急斜煤层的实际开采和采空区垮落充填状况，把 采空区下部充填破碎岩体视为弹性基础，建立了弹性基础墙的力学摸型[32-33]。采用理论 分析和摸拟试验，研究了充填破碎岩体高度和强度对顶板岩墙沿倾向破断规律及工作面 矿压显现的影响。对急斜长壁工作面顶板断裂后形成的岩块三铰拱结构进行了分析，推 导出岩块间的内力计算公式。提出了放顶煤工作面支护设计、开采技术参数选择及顶板 管理的建议。 西安科技大学伍永平教授长期致力于大倾角煤层的安全高效开采研究。 总结了当煤 层倾角大于 35，走向长壁工作面开采具有以下基本特征[1-3] （1）工作面开采过程中，煤层倾角达到 35时，顶板破断的岩石将沿工作空间向 下滑滚，工作面倾斜方向上形成不均匀充填，下部填实、中下部填满、中上部填虚、上 部悬空的非对称充填特征，工作面沿倾斜方向的围岩移动和应力分布呈现出典型的非对 称分布特征[1-3]。 2工作面底板围岩移动加剧，变形和破坏可能性增大。在非控制状况下，如果底 板出现破坏，易产生向下滑移，且破坏滑移区会向上蔓延，继而引发底板大面积失稳破 坏并造成工作面“顶板R-支架S-底板F”系统失