断层对大采高综采工作面矿压及顶板运移规律影响研究.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 断层对大采高综采工作面矿压及顶板运移规律影响研究 摘 要 断层是一种常见的地质构造，该构造的存在会破坏煤层顶板的连续性 和完整性，导致工作面通过断层时支架压力升高，上覆岩层运动更加剧烈， 而当工作面为大采高综采工作面时，由于采高的增加，导致顶板的冒落高 度增加，这一现象会更加明显，这些特征会加大工作面通过断层时的支护 难度，同时会增加发生顶板事故的概率。因此，对断层附近矿压与顶板运 移规律进行研究与分析具有十分重要的意义。 本文以王庄煤矿 8101 大采高工作面的煤层地质条件为背景，采用实验 室相似材料模拟实验，在模型中建立 3 个正断层，断层的倾角为 70 ，断距 为 3.5m，F1 与 F3 断层处工作面均由上盘向下盘推进，F2 断层处工作面由 下盘向上盘推进，断层 F1 与断层 F2 形成对比，断层 F3 对试验进行验证。 通过模拟大采高工作面分别由上盘和下盘向断层推进过程，来研究断层对 工作面矿压及顶板岩层的影响，其中矿压的变化主要由带有压力传感器的 支架来进行监测，而顶板岩层的变化主要由顶板的冒落高度、顶板的裂隙 带发育以及断层的滑移量来表示。 本文将对相似材料模拟试验中工作面分别由上盘与下盘向断层推进到 一些位置时的支架压力动态变化图单独进行研究与分析，观察周期来压与 顶板垮落对支架压力的影响；对工作面分别由上盘与下盘接近断层时支架 压力动态变化进行比较，验证不同倾向断层对支架压力变化的影响。另外 着重讨论回采速度和支架初撑力对支架压力、支架压力增加速度的影响。 同样根据王庄煤矿 8101 工作面煤层地质条件为背景，运用 FLAC 3D 数值模拟软件建立相应的模型，模拟大采高工作面分别由上盘和下盘通过 断层，通过计算工作面区域顶板应力与顶板下沉量对相似材料模拟试验中 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 的相关结论进行验证，并通过计算出的工作面超前支撑应力与应力分布、 断层面应力场分布以及断层的滑移量的变化规律对断层附近地应力的分布 进行补充。另外在岩层的物理力学性质、断层面的力学性质、断层上盘和 下盘的落差、模型的边界受力情况都保持不变情况下，分别建立断层角度 为 0 、45 、60 、80 、90 的 5 个模型，通过改变断层倾角，研究不同倾角 对工作面前方应力峰值与工作面区域顶板应力的影响。 通过对断层附近矿压与顶板运移规律的相关结论的进一步分析，提出 了王庄煤矿8101 工作面通过断层的方案， 明确了通过断层的相关技术措施、 破碎带注浆加固的参数与施工工艺。 关键词断层；大采高；相似模拟；数值模拟；支架压力；顶板运移 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON INFLUENCES OF LAWS ON ROCK PRESSURE AND ROOF MOVEMENT MADE BY THE FAULT IN LAREGE MINING HEIGHT FULLY MECHANIZED FACE ABSTRACT The fault，a common geologic structure, which would destroy the continuity and integrity of the roof strata if it existed, led to support pressure rising and overlying rock moving severely when the working face went through it. However, it was more obvious that large mining height resulted in increasing falling height of the roof because of the increased mining height. If the fault existed, it would make face timbering harder and the probability of roof accidents more regular. Therefore, it was completely important to research and analyze neighboring pressure and the variation law of roof strata. In the paper, setting in geological conditions of Wangzhuang coal mine 8101 face, we did the similar material simulation experiment and built 3 normal faults, F1, F2 and F3 with an angle of 30 degrees on average and fault throw of 3.5 meters. Two normal faults, F1 and F3 were pushed from hanging wall to foot wall, while the normal fault F2 was pushed rightabout. F1 was a contrast to F2 and F3 validated the experiment. Large mining height was separately pushed from hanging wall and foot wall to study neighboring pressure and the variation law of roof strata. Thereinto, the variety of rock pressure was monitored by the holder of pressure senior, while the variety of roof strata was mainly showed by falling height, fissure development and fault slippage. In the similar material simulation, when working face was separately 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV pushed from hanging wall and foot wall, we researched and analyzed suppot dynamic pressure variation to observe that periodic weighting and roof falling had an influence on poppet pressure. To compare the support pressure dynamic changes between hanging wall and foot wall when the working face closed to the fault, analyzed the influence of support pressure change by the fault with different tendencies.What’s more, we made a discussion mainly on how extraction speed and support setting load affected poppet pressure and pressure developing vaule of support. According to the same geological conditions of Wangzhuang coal mine 8101 face ，Using FLAC 3D numerical software, we built relevant models to imitate large mining height going through the fault by hanging wall and foot wall respectively. We calculated roof stress in working face and the deflection of the roof, which checked related conclusion in the similar material simulation. We also calculated change laws on advanced support stress and stress distribution in front working face, stress field in the fault slip and stress field in the fault surface, which replenished in-situ stress distribution near the fault. Besides, when physical-mechanical properties of rock stratum, mechanical property of layer section, fault slippage, shared force edge of models remained the same, we built 5 models separately with high-angle fault of 0 degree, 45 degrees, 80 degrees, 90 degrees. We did the research that different co-hades had an affection on peak stress in the front of working face and roof stress in the mining working face. Basing on further analyzing relative conclusions of neighboring pressure and the variation law of roof strata, when wangzhuang coal mine 8101 face went through the fault, we put forward a program which defined some related technical measures, parameters and construction technology. KEY WORDS fault, large mining height, similar simulation, numerical simu -lation, support pressure, roof movement 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V 目录 第一章 绪论 ............................................................................................................................. 1 1.1 问题的提出 ................................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ........................................................................................................ 1 1.2.1 断层对矿压分布与顶板稳定性影响的研究 ............................................... 2 1.2.2 断层对煤层开采灾害的研究 ........................................................................ 4 1.2.3 回采工作面过断层技术研究 ....................................................................... 5 1.3 存在和需要解决的问题 ............................................................................................ 6 1.4 本文主要研究内容 .................................................................................................... 6 1.5 论文技术路线 ............................................................................................................ 7 第二章 大采高综采工作面过断层相似材料模拟研究 ......................................................... 9 2.1 引言 ............................................................................................................................ 9 2.2 相似模型原理 ............................................................................................................ 9 2.3 原型地质条件 .......................................................................................................... 10 2.4 模型设计 .................................................................................................................. 11 2.4.1 相似比 .......................................................................................................... 11 2.4.2 相似材料 ...................................................................................................... 11 2.4.3 模型制作 ...................................................................................................... 13 2.5 试验装置 .................................................................................................................. 13 2.6 试验过程与分析 ...................................................................................................... 15 2.6.1 工作面由上盘向 F1 断层推进 .................................................................... 15 2.6.2 工作面由下盘向 F2 断层推进 ................................................................... 20 2.6.2 工作面由上盘向 F3 断层推进 ................................................................... 24 2.7 本章小结 .................................................................................................................. 26 第三章 相似材料模拟试验支架压力分析 ........................................................................... 29 3.1 工作面由上盘向 F1 断层推进 ............................................................................... 29 3.2 工作面由下盘向 F2 断层推进 ............................................................................... 34 3.3 本章小结 .................................................................................................................. 37 第四章 大采高综采工作面过断层数值模拟研究 ............................................................... 39 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 4.1 引言 ......................................................................................................................... 39 4.2 三维数值计算模型 ................................................................................................. 40 4.2.1 岩层力学参数与边界条件 .......................................................................... 40 4.2.2 数值模型的建立 .......................................................................................... 41 4.2.3 模拟方案 ...................................................................................................... 42 4.3 断层对回采工作面应力分布的影响 ...................................................................... 43 4.3.1 工作面由上盘向断层推进时的应力分布 .................................................. 43 4.3.2 工作面由下盘向断层推进时的应力分布 .................................................. 46 4.3.3 工作面过断层后顶板运移与塑性区分析 .................................................. 48 4.4 断层对工作面区域顶板应力与顶板运移的影响 .................................................. 50 4.4.1 工作面由上盘向断层推进时的顶板应力与运移 ...................................... 50 4.4.2 工作面由下盘向断层推进时的顶板应力与运移 ...................................... 52 4.5 回采对断层面应力场与滑移量的影响 .................................................................. 54 4.5.1 工作面由上盘向断层推进时断层面应力场与断层滑移量 ...................... 55 4.5.2 工作面由下盘向断层推进时断层面应力场与断层滑移量 ...................... 57 4.6 断层倾角对应力分布的影响 .................................................................................. 60 4.6.1 工作面由上盘向断层推进时的应力分布 .................................................. 60 4.6.2 工作面由下盘向断层推进时的应力分布 .................................................. 62 4.7 本章小结 .................................................................................................................. 64 第五章 8101 工作面过断层技术措施 .................................................................................. 67 5.1 王庄矿 8101 工作面概况 ........................................................................................ 67 5.2 工作面过 F289 断层方案 ........................................................................................ 68 5.2.1 支架起坡点确定 .......................................................................................... 68 5.2.2 采高控制 ...................................................................................................... 69 5.3 断层破碎带的控制 .................................................................................................. 69 5.3.1 破碎带注浆加固 .......................................................................................... 69 5.3.2 注浆参数确定 .............................................................................................. 70 5.3.3 注浆加固施工工艺 ...................................................................................... 71 5.4 过断层期间回采工艺措施 ..................................................................................... 72 5.5 本章小结 .................................................................................................................. 73 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 第六章 结论与展望 ............................................................................................................... 75 6.1 主要结论 .................................................................................................................. 75 6.2 研究展望 .................................................................................................................. 76 参考文献 ................................................................................................................................. 77 致谢 ......................................................................................................................................... 81 攻读硕士学位期间发表的论文 ............................................................................................. 83 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 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 问题的提出 新中国成立以来，素有“黑金子”之称的煤炭资源始终作为我国的主体能源，其消 费比一直保持在 65以上，对我国经济发展和社会进步起了重要的支撑作用，虽然近些 年来新能源发展趋势迅速，但在相当长一段时间内还无法触动煤炭这一主体能源的地 位。长期以来，对于中厚煤层的开采，我国一直使用分层式开采，但是该方法投入高， 效率低，开采周期长，且煤炭浪费较多，近年来大采高综采技术作为一种高产高效的采 煤方法被引进国内，代替了原来的分层式开采方法，较大提高了煤层的采高，从根本上 解决了这些问题，提高了我国煤炭在全世界的竞争力度。 在煤层的开采中往往会遇到许多的地质构造，这些地质构造会破坏煤层的连续性， 不仅对开采造成较大的困难，而且对工作面的安全生产产生较大的隐患。其中断层作为 一种常见的地质构造，是由于地壳中岩体结构或者岩层在受到地质作用力的情况下发生 破裂，并且沿着破裂面产生显著的相对位移后所形成的。断层的存在破坏了顶板的连续 性，同时断层带内岩石较破碎，滑动面上存在断层泥，导致采煤工作面靠近断层处的顶 板裂隙发育、破碎，支架压力升高，上覆岩层运动也更剧烈，而当工作面为大采高工作 面时，由于采高的增加，导致顶板的冒落高度增加，这一现象会更加明显，断层的这些 特性会导致顶板的支护变得困难，同时会提高顶板事故的发生概率，若工作面在通过断 层时处理不当还会引起冲击地压、 地表沉陷、 煤与瓦斯突出以及突水等矿井灾害的发生。 因此，对断层周围矿压与顶板运移规律进行研究有着很重要的意义。 本文以王庄煤矿 8101 大采高综采工作面的开采为背景，依据该矿井地质条件，结 合开采区域内煤层赋存与断层构造情况，研究大采高综采工作面分别从上盘和下盘向断 层推进时所引起的矿压及顶板岩层变化规律，在此基础上提出工作面通过断层的方案、 施工工艺以及对断层破碎带加固的相关措施，在安全生产的状态下提高煤炭的开采效 率。该研究成果将为大采高综采工作面过断层提供较强的理论指导，可以保证矿井的安 全生产的同时，增加煤炭的开采率，从而提高企业的竞争力。 1.2 国内外研究现状 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 断层的存在对煤层的安全高效开采存在较大的影响，为了能够进行科学合理的开 采，国内外许多学者对该方面进行了深入的科学研究。 1.2.1 断层对矿压分布与顶板稳定性影响的研究 孟召平等以正断层附近的煤岩裂隙与孔隙为对象，对其进行了数值模拟分析和力学 性能试验，得出断层对矿压分布和煤的物理力学性质的影响研究表明越靠近断层煤体 破碎程度与裂隙发育程度越高，煤岩的力学强度也随之变低，而裂隙的力学性质也会随 着工作面接近断层而产生张扭、压扭、张性的变化；随着工作面距离断层的距离减小， 工作面前方煤体所受的支承压力明显增加，而支承压力峰值位于工作面煤壁前方与断层 面之间的煤柱中，而煤的抗压强度则是该煤柱承压作用的极限 ［1-4］ 。 李志华等以砌体梁 ［5-6］的相关理论为基础，根据回采工作面推进方向与断层倾向的 关系，将工作面由下盘和上盘向断层推进时的情况进行分析，如图 1-1 所示 θ θ N F R T o T R o B A θF o T R N A B o R T （a）模型 1 （b）模型 2 图 1-1 岩块力学模型 Figure 1-1 Mechanical model of rock mass 在模型 1 中，回采工作面由下盘向断层推进，断层面的应场分布情况为正应力 N Tcosθ-Rsinθ，剪应力 F RcosθTsinθ，断层要处于平衡状态必须满足于 Ntanφ≥F，带 入计算可得tan（φ-θ）≥R/T； 在模型 2 中，回采工作面由上盘向断层推进，断层面的应场分布情况为正应力 NRsinθTcosθ，剪应力 F Rcosθ-Tsinθ，断层要处于平衡状态必须满足于 Ntanφ≥F，同 样带入 Ntanφ≥F，计算可得tan（θφ）≥R/T； 式中T 为水平压力；R 为剪切力；φ 为岩块之间的摩擦角；θ 为断裂角。 随着工作面向断层方向的推移，工作面前方煤壁与断层面之间形成的煤柱宽度也会 变小，导致岩块 B 的剪切力 R 会不断增加，如果忽略水平方向压力 T 的变化。在模型 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 中， 随着工作面由下盘向断层推移， 可以看出断层面正应力会减小， 而剪应力则会增加， 导致剪应力与正应力的比值增加，断层受采动的影响比较大，岩块 B 很容易出现滑移失 稳，从而导致断层的活化；而在模型 2 中，随着工作面由上盘向断层推移，断层面的正 应力增加，顶板会形成砌体梁式平衡结构而保持稳定状态，断层不易出现活化 ［7-11］ 。从 另一个角度出发，角度 θ 和 φ 为固定值，而 tan（θφ）的值要大于 tan（φ-θ）的值，而 工作面由下盘接近断层时，岩块 B 的剪切力 R 的值要高于由上盘接近断层时的状况， 在不考虑水平压力 T 变化的情况下，R/T 的值也较大，导致易出现 tan（φ-θ）＜R/T， 此时断层会出现滑移失稳现象， 因此工作面由下盘向断层接近时工作面的矿压显现会更 加明显，断层容易出现活化。 彭苏萍等利用数值模拟对断层附加的矿山压力分布进行研究，试验表明在采动的影 响下，尤其是工作面由下盘靠近断层时，断层出现了活化，断层影响范围内顶板处岩层 比较破碎，顶板冒落带高度增加；当工作面距离断层 22.5m30m 时，工作面前方煤壁 到断层面之间煤体的支承压力会大幅度增大，而随着工作面不断接近断层，前方煤体内 的支承压力的峰值会不断向工作面前方转移；当工作面通过断层后，顶板中的压力会迅 速减小，且顶板中的压力值要小于无断层存在时的情况 ［12-13］ 。 甄亚彬等采用 UDEC 软件对断层位置处的顶板破坏进行分析， 研究表明断层附近采 场的顶板的塑性屈服区明显大于无断层存在时的状况，且断层的倾斜角度越大，采场顶 板位移则会越小，顶板越稳定 ［14-16］ ；宋卫东、勾攀峰等采用数值模拟软件，模拟计算不 同倾角以及不同长度的断层破碎带对巷道围岩的作用，对模拟中的位移、应力、塑性区 进行分析，研究表明 10 断层带位移变化最大，断层破碎带距离巷道的距离越近，围岩 的稳定性就越差 ［17-18］ 。 国外在 19 世纪后期，陆续出现了各种矿压假说，利用力学知识来解释各种矿压现 象，后来人们开始以弹性力学理论为基础，使用连续介质理论对矿山岩石力学问题进行 分析，20 世纪 60 年代以后，顶板假说被陆续提出，其中包括压力拱假说、悬臂梁假说、 欲成裂隙假说和铰接岩块假说 ［19］ 。进入 21 世界，国外对断层的研究仍在继续，Islam 等 采用边界单元法，以摩尔库伦准则为基础，对断层的活化现象进行了深入研究，结果表 明断层带的岩体性质对断层附近的应力重分布以及巷道围岩的变形有着较大的影响 ［20-22］ ；Naoi M 等利用一种声波的反馈技术记录断层的为裂隙，以此分析断层的应力状 态 ［23-24］ 。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 1.2.2 断层对煤层开采灾害的研究 （1）断层对冲击地压的影响研究 冲击地压作为矿山开采中的一种煤岩动力现象， 俗称矿震， 是煤矿的重大灾害之一， 而断层的