建筑物下多煤层条带开采技术研究.pdf

论文题目 建筑物下多煤层条带开采技术研究 作者姓名鄞咽踅 领域名称芷些王猩 指导教师拯丞查 画愀蜊酩垫蟹蛊 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间2 Q 曼 生窆旦 研究方向Z 出匡左皇蚩屋揎剑 职 职 称 熬拯 称 研究函 且且且 6 6 6 一 生生生 3 3 3 1_一一1__一11一 O O O 一兰 吣川删删㈣删删㈣㈣ Y 2 4 3 4 7 8 0 T E C H N I C A LS T U D Yo NM U l 月1 ．C O A LS E A MS T R I P M I N I N GU N D E RB U I L D I N G AD 缸s e r t a t i o ns u b m j t t e di nf u I 埘l m e n to ft h e 蹭q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E R0 FE N G I N E E R I N G l t o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d1 b c h n o l o g y G u oM i n g f h S u p e r V i s o r P r o f e s s o rY a n gY b n g j i e C o U e g eo fN a t u r a lR e s o u r c e sa n dE n V i l l o n m e n t a lE n g i n e e r i n g J u n e2 0 1 3 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名 日 A F F I R M A T I O N 郭眠福 期列弓、0 6 ．1 1 Id e c l a 聆t h a t t h i sd i s s e n a t i o n ，s u b m i t t e di nf u m U m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fM a s t e ro fP h i I o s o p h yi nS h a n d o n gU n i v e I ．s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o 斟， i sw h o n ym yo w nw o r k 岫l e s sr e f e 瑚c e do fa c l ‘n 删l e d g e T h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e ． s i 伊a t u 代6 伽 D a 似 加l 弓．o ．f | 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 我国三下压煤储量巨大，目前条带开采依然是三下压煤的主要开采方法。虽然在单 煤层条带开采技术方面的研究成果比较丰富，但在多煤层建筑物下条带开采技术方面仍 有待于深入研究。本文以里彦煤矿建筑物下1 6 、1 7 、1 8 煤层开采为研究背景，对多煤层 建筑物下条带开采技术进行了较系统的研究。 论文首先采用M T S 8 1 5 岩石伺服试验系统对里彦煤矿煤层及项底板岩层进行了力学 性质试验，为进行相关理论计算及数值模拟分析提供了可靠的基本力学参数。其次采用 前人应用概率积分法建立的条带开采地表移动预计参数的计算公式，结合里彦煤矿相关 岩移资料观测结果，遵循地表建筑物保护等级要求，采用理论和数值模拟计算方法，综 合分析得出里彦煤矿建筑物下多煤层条带开采的合理采出率为5 5 ％。然后采用煤柱设计 基本理论即煤柱强度理论和煤柱宽度理论等，从屈服强度、煤柱侧压应力、极限承载强 度、煤柱宽度几个方面进行理论计算分析，得出里彦煤矿建筑物下合理的煤层开采宽度、 煤柱留设宽度分别为5 5 m 、5 0 m ；再次应用F L A C 一3 D 数值模拟软件建立里彦煤矿不同采 留宽条带开采模拟方案进行了对比计算分析，表明采留、宽分别为5 5 m 、5 0 m 时，煤层开 采后既能有效的控制地表下沉及保护地表建筑物，又可以达到资源开采的最大化，与理 论计算结果相吻合。通过对里彦煤矿多煤层条带开采时不同煤柱的对齐方式的地表变形 情况进行了数值模拟研究，得出上、下煤柱对齐情况下的条带开采对地表建筑物破坏程 度 地表下沉量、水平移动量 最小。最后对多煤层条带开采提出合理的优化设计方案。 关键词多煤层；条带开采；移动变形；煤柱稳定性；数值模拟 山东科技大学硕士学位论文 捅要 A B S T R A C T T h e r ea r em a I l yc 0 2 L ls e 撇u n d e rr i v e r ，b u i l d i n ga I l d c i t i e s i nc 1 1 i n aa 1 1 ds t r i pm i l l i n gi s a l w a y sp l a y i n gak e yr o l ei nm i l l i I l g ．s t u d yo nm u l t i - c o a ls e 锄s t r i pm i n i n gu 1 1 d e rb u i l d i n g si s s t i l l d e v e l 叩e da l m o u 曲t l l et e c h n o l o g y r e s e a r c ho ns t r i pm i n i n go fs i n g l ec o a ls e a m s u b s i d e n c eh 弱b e e nm o r em a t I l r e ．S ot 1 1 i sp a p e rh a sm a d eas y s t e m a t i cr e s e a r c ho n 也et h e m u J t i - c o a Js e 锄s 讲pm i n i n gu I 】d e rb u i l d i n g sb a s e do nt l l e1 6 、17 、18c o a lm i l l j n go fL i y a l l c o a lm i n eu n d e r b u i l d i n g s ． C o a lm e c h a I l i c a le x p e r i m e n to nt h eL i y a nc o a lm i n ea n dr o o fa n df l o o rr o c kb yM T S 8l5 r o c kt e s t i n gs y s t e mc 姗et ot l l eb a S i cm e c h a n j c a lp a r a m e t e r sf 研t l l er e l e V a n tt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na 1 1 dn u m 商c a ls i 舢l 撕o na I l a l y s i s ．B u i l d i n gt h eb 商cp m c i p l e so fc a l c u l a t i n g s u 击c em o V e m e n tp a r a m e t e r so f 矧pm i n i n gb yu s i n gp r e v i o u sf o m l u J aW i t l lt h ed a 瞳ao fr o c k m o v e m e n to fL i y 乏mc o a lm i n eu l l d e rb u i l d i n gp r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h er a t i o n a lm a 【i m u m m “n gr a t eo ft h e o r e t i c a ld e d u c t i o na n dt l l ec o r r e s p o n d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o na J l a l y s i si s 5 5 ％。T h e ns t l l d yo n 也eb a S i ct h e o r yo fc o a lp i l l a rd e s 啦i n c l u d i n gt h ep i l l a rs t r e n g t I lt h e o r y a n dp i l l a rw i d Ⅱ1t h e o r yf b my i e l ds 由r e n 垂h 、t h ec o n f i n e ds t r e s so fc o a ls i d e s 、u l t i m a t ep i l l a r s t r e n g t l l 锄dp i l l a r 埘d t h ，锄dt 1 1 e nc o n c l u d et l l er e s u l t so fr a t i o n a Jm i n i n ga n dp i l l a rw i d t h u n d e rt 1 1 eb u i l d i n g so fL i y 锄c o a lm i n et ob e5 5 m 、5 0 mr e s p e c t i V e l y ；T h ec o m p a r i s o n n 啪e r i c a ls i m u l a t i o na 砌y s i so f 舭F L A C 3 Do n 恤e S t a b l i s h e dd i 鼠r e n tm i n i n gw i d 山a n d p i l l a rw i 拙n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w e do fL i y a nc o a lm i n ew h e nt l l em i n i n ga l l dp i l l a r w i d t l lw e r e5 5 m 、5 0 mr e s p e c t i V e l y ，t l l eb u i l d i n go ns u r f a c ec a nb ep r o t e c t e da J l ds u r f a c e s u b s i d 如c ec 觚b ee m c t i V e l yc o n 仃0 1 l e dt o g e t l l e rw i t hm a k i n g 伽lu S eo fr e s o l 】r c e sa 1 1 dt 1 1 i s V 嘶毋i n gt h et l l e o r e t i c a la I l a l y s i sr e s u l t s ； a tl 嬲tt h en 啪e r i c a ls i m u l a t i o no fs u r f a c e d e f o H r I a t i o no fd i 行e r e n tc o a lp i l l a rp o s i t i o no fL i y a nc o a lm i n ew h e nM u l t i - c o a ls e a mo f L i y a I lc o a lm i n eS h o w e dt h a tt h ee 虢c to fm ec o a lp i l l a rp o s i t i o na l i g n m e n tu pa I l dd o w nl e a d s t om i n i m 砌d 咖a g et ot l l es u r f - a c eb u i l d i n g s t 1 1 es u r f a c es u b s i d e n c ea n dm o V e m e n t ，a n dp u t f o n v a 们r e 嬲o n d b l eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni nm u l t i c o a ls e 锄s t r i pm i n j n g ． K e yW o r d s M u h i - c o a Is e 锄；S t r i pm i n i n g ；M o V e m e n ta J l dd e f o 肌a t i o n ；c o a lp i l l a rS t a b i l i t r ； N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ． 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”1 1 ．1 课题的研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 研究的主要内容及方法路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 里彦煤矿多煤层条带开采可行性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”7 2 ．1 里彦煤矿地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘7 2 ．2 里彦煤矿开采技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 条带开采理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 里彦煤矿1 5 、1 6 、1 7 煤顶底板岩石力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．1 岩样制备及试验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．2 岩石力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 多煤层条带开采合理采出率的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”2 9 4 ．1多煤层条带开采地表移动变形规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．2 多煤层条带开采地表移动变形预计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3 里彦煤矿不同采出率数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 多煤层条带开采合理采留宽的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．1煤柱稳定性基础理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 煤柱稳定性影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 条带开采煤柱应力分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．4 多煤层条带开采采留宽的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 l 5 ．5 数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 多煤层条带开采煤柱对齐方式模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“7 2 些奎型垫奎兰堡主堂垡堡壅旦墨 6 ．1不同煤柱对齐方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．2 模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 6 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 7 结论及建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 7 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 7 ．2 建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 攻读硕士期间的主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 山东科技大学硕士学位论文 目录 C o n t e n t s 1I Ⅱt r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“1 1 ．1 M e 锄i n g So f S t u d yo nP r o j e c I _ ．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2R e s e a r c hS t a t u sa tH o m e 卸d A b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3R e s e a r c hC o n t e n t s 柚dT e c h n i q u e sL i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2T h e o r yo fs t u d yo nm u l t i ．c o a ls e a ms t r i pm i n i n go fL i y a nC o a lm i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 G e o l 9 科o f L i y 锄C o a IM i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ’2 M i n i n gt e c t l I l o l o g yc o n d i t i o n so f L i y 锄C o a lM i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 T I l e 0 叫o fs t 印m i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．4 C h a p t e rS u m m a 叫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3R o c ka n dc O a lm e c h a n i c a Ie x p e r i m e n tO f1 5 、1 6 、1 7c o a Ia n dr o o fa n dF l o o ri nL i y a n C o a lM i n e ⋯⋯⋯⋯”⋯⋯⋯⋯⋯⋯”⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．1R o c kS 锄p l eP r e p a m t i o na n d7 I e s tE q u i p m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．2 R o c km e c h a n i c se x p e r i m e m s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．3 C h a p c e 『S u m m a q ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4R a t i o n a ln c o v e r yc o e m c i e n to fm u l t i c o a ls e a ms t r i pm i n i n g ．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 s t u d yo nS u r f - a c em o V e m e n ta n dd e f o n T l a t i O no f m u I t i - c o a ls e 踟s t r i pm i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 9 4 ．2S u r f k em o V e m e n ta n dd e f ．o m l a I i o no f m u l t i - c o a ls e a l ns t r i pm i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3N u m e r i c a ls i m u l a t i o no f L i y a nC o a lM i n eu n d e rd i 仃e r e n tr e c o v e r yc o e m c i e n t S ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5R a t i o n a lm i n i Ⅱgw i d t ha n dp i n a rw i d t ho fm u I t i c o a ls e a ms t r i pm i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．1B a S i ct h e o r ．e so f p j l l a rs t a b i l i t y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 A n a l y s i so np i l I a rs t a b i I 时f ．a c t o r s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3P j l l a rs t r e s sd i S t r i b u t i o n0 f s 仃i pm i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．4P i l l a rw i d t h 卸dm i n i n gw i d t ho f m u I t i c o a ls e a ms t r i pm i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯’6 1 5 ．5 S t u d yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 5 ．6 C h a p t e rs u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 6 P 珊盯a I i g n m e n tn u m e r i c a ls i m u I a t i O no fm u l t i - c o a ls e a ms t r i pm i n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘7 2 6 ．1S c h e m ed e s i g nO f d i 彘r e mP i l l a ra l i g n m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”7 2 6 ．2R e s u J t sa n a l y s i sn u m e r i c a Is i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 6 1 3 C h a p t e rS u m m a q ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 6 7C o n c l u s i o n sa n ds u g e s t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 7 ．1I Ⅵa i nc o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 7 ．2 S u g e s t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 7 山东科技大学硕士学位论文 目录 T h a n k s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 M a i ⅡF r u i t sd u r i n gS t u d y i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 R e f e №n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯n8 1 山东科技大学硕士学位论文绪论 1绪论 1 ．1 课题的研究意义 煤炭占世界一次性能源消耗的7 0 ％，是我们日常生活主要的能源之一，随着日常生 活需求不断增大，煤炭资源开采所引起的地表沉陷及其环境灾害问题日益突出l l 】。我国 三下压煤储量较大，其中，建筑物下煤层群赋存的压煤量所占的比重更大，而这方面的 部分问题依然很突出，有待进一步研究。条带开采是把要开采的煤层划分成比较正规的 条带进行开采，采一条，留一条，利用保留的煤柱支撑上覆岩层，从而减少覆岩沉陷， 控制地表的移动和变形，达到保护地表建筑物的部分开采方法。虽然条带开采有一定的 缺点，根据我国具体的国情，大部分煤矿地表村庄分布较多，采用搬迁方式支付费用较 多，综合考虑条带开采方式不失为一种既能够减少地表沉降，又可以采出一部分煤炭资 源的良好采煤法，这种方式被多数矿区普遍用于解决建筑物下压煤的现状，得到了很好 的实践检验。条带开采从房柱式开采中产生，我国第一个采用条带开采的矿区为1 9 6 7 年 抚顺胜利煤矿，而后这种方式被峰峰矿区、阜新矿区、鹤壁矿区以及蛟河矿区、徐州矿 区等多个煤矿应用开采，并取得了可观的社会经济效益【2 】。条带开采的研究工作分为岩 石力学和开采沉陷学两大工程领域。其中岩石力学领域包括煤岩的强度、煤柱稳定性、 煤柱应力研究等；开采沉陷学领域包括地表沉陷机理、地表移动和变形计算以及开采方 案的设计等方面。条带开采研究主要有3 个方面，依次为现场观测实践、力学性质试验以 及数值模拟分析研究。根据力学性质试验和数值模拟分析结果，结合观测数据分析，总 结归纳多煤层条带开采方面的规律特点。我国煤层埋藏条件复杂多样，常常存在多个煤 层赋存的情况，国内外学者大多从事单一煤层条带开采研究，取得了很多成果，但在多 煤层条带开采方面的问题研究涉及面较少【3 5 】。 单一煤层开采相对容易，无需挑选。可是，在建筑群压煤开采条带设计时，往往会 因建筑物保护等级的限制，只能从多层煤中采出一层或几层，控制岩层及地表沉陷成为 建筑物下采煤的关键问题之一，也是矿山开采沉陷学的主要研究方向之一【6 1 。相对其他 煤层开采方法，条带开采能够有效地控制采场上覆岩层和地表移动，保护地面建 构 筑物，有利于安全生产，减少生产成本，在现有的技术水平和经济环境下，对于我国解 决村庄、重要建筑 构 物等不宜搬迁建筑下压煤开采仍为一种有效的技术途径。近年 些查翌茎查兰堡主兰垡笙苎堕堡 来，随着我国经济和煤炭企业的快速发展，煤炭资源也逐渐由简单开采条件转入复杂开 采条件，许多矿井面临储量减少、煤层埋藏条件复杂等问题，多煤层开采情况的深入研 究已经成为国内外学者亟需进行的工作【7 】。本课题以里彦煤矿1 5 、1 6 、1 7 煤开采为背景， 进行煤岩力学试验，为不同采出率、采留宽的理论计算及数值模拟提供准确的力学参数； 采用F L A C 一3 D 数值模拟软件对里彦煤矿不同采出率及采留宽理论计算结果建立相应的 模拟方案，并进行模拟分析研究；最后对不同煤柱对齐方式引起的地表沉陷关系进行对 比模拟分析，确定多煤层条带开采的优化设计方案，为三下多煤层条带开采技术提供研 究方法，因此本课题的研究具有重要理论和实际意义。 1 ．2 国内外研究现状 煤炭工业是我国的基础产业，其健康、稳定、持续地发展关系到国家能源安全的重 大问题，也是我国国民经济健康发展的基础。我国煤炭资源十分丰富，但随着部分老矿 井可采煤量的枯竭，开采建 构 筑物下压煤已是势在必行。近几十年来，随着大量煤 炭资源的采出，因开采而导致的环境问题日益突出，破坏了矿区生态环境和人类赖以生 存的地表建 构 筑物和设施。 国内外许多煤炭科技工作者对条带开采技术进行了大量深入的研究，取得了许多较 为丰富的研究成果。国外如欧洲的主要采煤国家波兰、前苏联、英国等在上世纪5 0 年代 就开始应用条带法开采建筑物下，尤其是村镇、城市下压煤，己经取得了较为丰富的实 践经验。我国自上世纪6 0 年代开始应用条带开采方法回采三下 建筑物下、铁路下、水 体下 压煤，先后在全国1 0 多个省的多个工作面应用了条带开采方式，取得了比较不错 的研究成果。但是，无论国外还是国内，有关对多煤层条带开采的地表沉陷机理与控制、 上覆岩层沉降以及地表移动变形、采留宽优化设计等方面均缺乏更深入的研究【4 】。 1 ．1 ．1 在岩层与地表移动机理、运动规律方面的研究现状 多年来，采矿和矿山测量工作者分别从不同的角度采用不同的方法对岩层移动与地 表沉陷规律进行了研究。美国、波兰、澳大利亚、德国、前苏联、加拿大等矿业发达国 家对开采沉陷学的理论和实践也都进行了比较深入的研究工作。3 0 年代时，前苏联已经 有学者对此进行了相关研究，主要从地面观测和地下观测两个方面获得相关资料数据， 通过分析数据，改进岩层移动控制以及完善采煤工艺方式；根据获得的开采之后的岩层 位移数据，得出了关于支护各类顶板的阻力以及顶板下沉量的计算方法，在此基础上， 又对采动过后的地表岩层移动特征，受影响和破坏的程度范围进行了相关研究。 2 山东科技大学硕士学位论文绪论 有关条带开采方式的实测资料表明在地表移动变形规律方面，条带开采方式类似与 全采，而在地表移动机理以及岩层移动机理方面，普遍认为条带开采方式与长壁式全部 垮落法开采方式截然不同。条带开采方式中关于地表移动机理和岩层移动机理方面的假 说主要有四种，依次为岩梁假说、波浪消失假说和煤柱的压缩与压入假说以及托板理论 假说【7 8 】。 在单一煤层条带开采岩层移动机理及规律方面，国内学者获取实测数据主要通过地 表移动观测站观测，根据矿区地表沉陷规律结合概率积分法进行理论分析，确定了预计 参数的计算方法，然后预计地表移动变形，这样就明确了条带开采地表沉陷的主要因素、 试验后煤岩层的强度以及各种覆岩结构对上覆岩层和地表移动产生的影响。王金庄、吴 立新等通过对现场实测资料及岩层移动过程的研究，提出了覆岩托板控制理论【5 】。邹友 峰等提出了条带开采沉陷预计的三维层状介质理论【9 1 。张华兴等通过对宽条带开采移动 与变形的计算分析对宽条带开采的基本问题进行了探讨【1 0 】。郝玉龙等运用F L A C 程序作 为一种先进的数值模拟方法在条带开采地表移动变形预计中首次应用【1 1 】。 1 ．1 ．2 在条带开采煤柱稳定性方面的研究现状 煤柱稳定性成为影响条带开采成败的关键。我国学者在国外学者研究的基础上，根 据传统理论对煤柱稳定性进行了较多的研究，取得了一定成果，明确了多种煤柱载荷计 算方法，建立煤柱强度计算的经验公式等。关于多种煤柱载荷计算，国内学者还没有研 究出新的理论方法，英国A ．H ．W i l S o n 的两区约束理论【5 】依旧为主要依据，评价煤柱稳定 性主要通过煤柱的安全系数来判别，根据煤柱的极限强度和实际载荷应力确定煤柱的安 全系数。谢和平1 1 2 J 根据煤柱稳定性理论和分析方法认为条带煤柱在破坏过程中的失稳关 系是一种典型的非线性曲线。郭文兵等㈣通过光弹试验分析了煤柱稳定性主要影响因 素，总结了不同煤层倾角影响条带煤柱稳定性和采场应力大小分布的规律；崔希民纠1 4 】 利用从属面积方法计算出倾斜煤层条件下煤柱应力的相关公式，从中分析煤柱强度、煤 柱稳定性与剪应力大小的关系；高玮【1 5 】利用极限平衡法探讨了不同煤层倾角与煤柱稳定 性的关系；王旭春等【1 6 1 对A ．H ．威尔逊煤柱应力计算公式【1 7 】进行了改进，得到一种更符 合实际的计算方法。此外，国外提出了煤柱设计理论、有效区域理论、压力拱理论、核 区强度不等理论等，但在我国很少采用【”】。 1 ．1 ．3 在多煤层条带开采方面的研究现状 在多煤层条带重复采动方面，峰峰矿【1 9 1 根据近距离煤层群的特点利用观测的数据分 3 山东科技大掌硕士学位论文绪论 析了煤柱稳定性和地表移动之间的关系。吴立新等‘驯通过试验研究了多次条带开采下上 煤层煤柱应力大小变化和煤柱稳定性方面的对应关系。胡炳南【2 1 1 研究了多层煤条带开 采，提出了几个原则采动最小影响原则、煤层群层间距对齐原则、煤柱对齐原则以及 计算条带参数的“小变形”原则。张俊英【2 2 副1 根据相似材料模拟试验结果以及数值方案 模拟分析了煤层群条带开采地表移动变形规律，通过研究岩层之间位移沉降规律以及层 间距与条采尺寸、采出率之间的关系，总结了煤层群条带开采留设煤柱的方法。聂卫平 等1 2 5 1 研究了不同方式 相似材料试验与现场观测 对比分析多次条带开采冒落地表移动 规律的变化。滕永海【2 6 1 分析了煤层群条带开采情况下的地表移动变形。李凤明【2 7 】探究了 多种地质条件下重复采动过程中覆岩破坏后的不同地表移动变形参数的变化规律。但综 合我国现有文献及工程实践，多煤层条带开采问题的研究还相对不足。 该课题根据大量的试验数据和观测结果，在理论计算及数值模拟分析的基础上合理 优化确定多煤层条带开采方案，为建筑物下多煤层条带开采技术提供研究方法。 1 ．3 研究的主要内容及方法路线 论文在分析研究大量关于“三下”采煤的文献资料基础上，借鉴前人关于建筑下条 带开采方面的理论和方法，通过煤岩力学试验为里彦煤矿理论分析及数值模拟研究提供 了准确的力学参数；采用F L A C ．3 D 数值模拟软件针对理论分析结果建立相应模拟方案 进行模拟印证，并对煤柱位置关系加以模拟研究，综合研究结果，优化选择里彦煤矿合 理的开采方案，归纳总结建筑物下多煤层条带开采的技术方法。 1 ．3 ．1 主要研究内容 1 煤岩的力学性质试验 选取里彦煤矿1 5 、1 6 、1 7 煤层及其顶底板，利用M T S 8 1 5 岩石伺服试验系统对其 进行单轴试验和三轴试验，为后期进行里彦煤矿条带开采不同采留宽理论分析提供依据 以及相应数值模拟提供准确的力学参数。 2 里彦煤矿合理采出率方面的研究 文章采用理论研究及数值模拟手段综合分析多煤层条带开采不同采出率对地表移动 变形的影响。通过对地表移动变形规律和地表移动变形的预计研究得出合理采出率的理 论计算结果；然后建立相应数值模拟方案，对不同采出率引起的垂直方向位移特征、水 平方向位移特征、塑性区变化特征及地表沉陷变化关系进行一一分析，最后结合理论计 算结果综合确定里彦煤矿煤层开采最佳采出效果对应的采出率。 4 坐查型垫查堂堡主堂垡堡塞 堡笙 3 多煤层条带开采合理采留宽方面的分析 本章依旧采用理论分析和数值模拟手段综合研究里彦煤矿开采煤层合理采留宽的确 定。里彦煤矿开采煤层属于近距离煤层，在近距离煤层条带开采时，留设煤柱的稳定性， 直接影响到地表的沉陷变形，分析影响条带煤柱稳定性的因素。研究煤柱稳定性基本理 论，探讨煤柱强度理论和煤柱宽度理论，采用条带开采煤柱采宽和留宽相应计算公式， 结合里彦煤矿实际条带开采地质条件，分析得出相应的采宽和留宽，然后建立对应的模 拟方案加以验证分析，通过对比分析不同采留宽引起的上覆岩层内部位移变化特征、塑 性区变化特征和地表沉陷关系综合确定里彦煤矿煤层开采合理的采宽和留宽。 5 多煤