深部开采薄煤层坚硬顶板控制技术应用与研究.pdf

I I I f l l l l l l H i I I I I I I I I i IJ ir l l l l l l lr l l l l l l l l l f Y 3 2 5 5 5 0 5 硕士学位论文 题目深部开采薄煤层坚硬顶板控制技术应用与 研究 作者姓名 指导教师 学科专业 秦玄烨 侯玮教授 矿业工程 所在学院矿业与测绘工程学院 提交论文日期 年互月堕日 擎鼬 嘉}霭埘 一蓬一谢始．嘶霄洲 万方数据 分类号避 U D C 工程硕士学位论文 密级公珏 单位代码 l Q Q 2 鱼 深部开采薄煤层坚硬顶板控制技术应用与 研究 秦玄烨 侯玮教授 工学硕士 矿业工程 矿业与测绘工程学院 河北工程大学名师别业位位 级 单姓教立专单立●■，_■●J■I 者导学科在学 青 乎 请 予 作指申学所授 万方数据 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i ．n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g T h eS t u d ya n dA p p l i c a t i o no fC o n t r o l T e c h n o l o g y o fH a r dR o o fi nt h eD e e pM i n i n g T h i nC o a lS e a m C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i c D e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l t y S c h o o l ／D e p a r t m e n t Q i nX u a n y e P r o f ．H o u Ⅵ硕 M a s t e ro fE n g i n e e r i n g M i n i n gE n g i n e e r i n g S c h o o l o fM i n i n ga n dG e o m a t i c s H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g M a r c h ，2 0 1 7 万方数据 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑曼堡王堡盘堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。． 学位论文作者签字融4 签字日期沙f 1 年6 月气日 ‘d1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑些王壁盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盏墨垦墨猩盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签字冬之埠 签字醐弘c1 年易月L 1 日 a ’ l 导师签字 彳幼节 l I f吣 莎月厂 日 ， ， 万方数据 摘要 摘要 峰峰集团九龙矿15 4 4 5 工作面是薄煤层坚硬顶板工作面，其所面临的顶板管 理困难，煤炭开采比较复杂的问题是我国目前煤炭行业研究的重点。因此，对于 其矿压规律的研究，希望为后期类似条件的煤矿进行安全开采提供参考。 九龙矿2 群煤厚约5 ．9 米，赋存条件较好，是该矿的主采煤层。鉴于其瓦斯含 量严重超标，该矿计划将其下覆煤层4 群煤作为保护层率先开采，以期能够安全采 出上覆大煤。在利用理论分析法、相似材料模拟法、数值模拟法等研究手段的基 础上，对大采深工作面坚硬顶板的控制技术理论进行研究，构建出与薄煤层坚硬 顶板相适合的防护控顶理论体系和方法。 第一，通过理论分析法，对15 4 4 5 工作面作为保护层进行可行性验证，同 时对工作面上覆岩层的矿压规律进行理论研究。 第二，通过相似材料模拟法，对1 5 4 4 5 ．工作面顶板的矿压及运动规律进行 研究，实验得出其上覆岩层沉降变形特征以及岩层破断特征。 第三，通过F L A C 3 D 软件建立15 4 4 5 工作面数值模型，研究其开采工程中 上覆岩层的应力分布和集中情况，实为研究工作面回采过程中上部岩层受采动影 响的变化，并分析之应力集中区域和数值大小的变化规律，为后期顶板管理提供 参考。 第四，针对15 4 4 5 工作面顶板坚硬难垮落的特点，对其顶板实施预裂爆破 释放顶板压力，以达到顶板碎化、弱化的效果，使开采安全性提高，后期开采大 煤时，瓦斯释放效果更加显著。 关键词薄煤层；坚硬顶板；相似模拟；数值模拟；爆破弱化 万方数据 A b s t r a c t A b s t r a c t T h e15 4 4 5w o r k i n gf a c eo fJ i u l o n gc o a l ，as u b o r d i n a t i o no fF e n g f e n gG r o u p ，i sa t h i ns e a mh a r d r o o fm i n i n gw o r k i n gf a c e ．T h i sw o r k i n gf a c eh a sd i f f i c u l t i e si n m a n a g i n gt h er o o fa n dc o m p l e xc o n d i t i o n si nc o a lm i n i n g ．A n di ti st h ef o c u s o nt h e s t u d yo ft h ec o a li no u rc o u n t r y a tp r e s e n t ．T h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft h em i n i n gp r e s s u r e p r i n c i p l eo ft h et h i ns e a mc a np r o v i d ee f f e c t i v et e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h es a f ea n d e f f i c i e n tp r o d u c t i o n ． T h em a i nc o a ls e a mo fJ i u l o n gc o a lm i n ei st h ec o a ls e a m2 ，a n dt h et h i c k n e s si s a b o u t5 ．8 5 ma n dh a sb e t t e ro c c u r r e n c ec o n d i t i o n s ，b u ti th a sh i g hg a sc o n t e n t ，S Of o r t h es a f ea n de f f i c i e n tr e c o v e r y , w em a k et h ec o a ls e a m4a st h ep r o t e c t i v el a y e rt o m i n e ．U s i n gt h em e t h o do f t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h em e t h o do fs i m i l a rs i m u l a t i o na n d t h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oa n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ec o n t r o lt e c h n o l o g y o ft h et i g h tr o o fi nt h ed e e pw o r k i n gf a c e ．A n dt h et e c h n o l o g yo fp r e v e n t i o na n d c o n t r o li sc o n s t r u c t e dt h a ti ss u i t a b l ef o rt h eh a r dr o o fo ft h ed e e pt h i ns e a m ． F i r s t l y , t h r o u g ht h em e t h o do ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h e15 4 4 5w o r k i n g f a c ea st h e p r o t e c t i v el a y e rC a nb ed o n e ．A tt h es a m et i m e ，t h em i n ep r e s s u r eo ft h eo v e r b u r d e n C a nb ea n a l y z e d ． S e c o n d l y , t h r o u g ht h em e t h o ds i m i l a rs i m u l a t i o n ，t h er e g u l a r i t yo fm i n ep r e s s u r e o fo v e r b u r d e ns t r a t u ma n dt h es t r a t am o v e m e n to f15 4 4 5w o r k i n gf a c eC a nb es t u d i e d ． A n dw ec a na l s ok n o wt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo v e r l y i n gs t r a t a s u b s i d e n c e d e f o r m a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i e so fr o c kb r e a k a g et h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ． T h i r d l y , u s i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do fF L A C 3 Dt o e s t a b l i s ht h e n u m e r i c a lm o d e lo ft h e15 4 4 5w o r k i n gs u r f a c e ，a n ds t u d yt h ed i s t r i b u t i o nr a n g ea n d t h ec o n c e n t r a t i o no fs t r e s si nm i n i n gp r o c e s s ．T h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oa n a l y z e t h ev a r i a t i o no ft h es t r e s sc o n c e n t r a t i o na r e aa n dt h en u m e r i c a lv a l u eo ft h eo v e r l y i n g s t r a t ai nm i n i n gp r o c e s s ． F i n a l l y , a c c o r d i n gt o “ t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed i f f i c u l tc a v i n gi nt h eh a r dr o o fo f 15 4 4 5w o r k i n gf a c e ，t h ep r o j e c tt e a mu s e st h ep r e s p l i t t i n gb l a s t i n gt om a k et h eh a r d r o o fm o r ef r a g m e n t e da n dw e a k e n e d ．T h i sp r o c e s sC a nm a k et h es e c u r i t yi m p r o v e d ．I n o r d e rt om i n et h ec o a ls e a m2t h a tC a nh a v eab e n e rp r o t e c t i o ne f f e c t ． K e y w o r d s t h i ns e a m ；h a r dr o o f ；s i m i l a rs i m u l a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；b l a s t w e a k e n i n g Ⅱ 万方数据 目录 目录 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 关于保护层开采理论的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．2 关于采煤工作面上覆岩层的结构与控制的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．3 覆岩结构稳定性的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 ．3 技术路线和研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．1 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 ．2 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 第2 章煤矿地质概况与保护层开采可行性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．1 矿井概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．1 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．2 工作面巷道布置与回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．1 采煤方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．2 ．2 回采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．2 ．3 巷道布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3 工作面基本条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．4 保护层开采理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 ．1 保护层的选择及可行性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．4 ．2 保护层工作面开采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．4 ．3 理论保护范围的划定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．4 ．4 工作面覆岩关键层的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 第3 章保护层工作面矿压规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 工作面顶板管理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．1 采场矿压参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．2 工作面支架的选择与布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．1 ．3 支架使用要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．1 ．4 底板管理要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．1 ．5 支架质量要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．2 野青顶板岩层结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．1 15 4 4 5 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 Ⅲ 万方数据 目录 3 ．2 ．2 野青顶板岩层结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．3 保护层工作面覆岩移动规律及矿压分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 ．1 采场上覆岩层“三带”划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．3 ．2 工作面覆岩离层矿压特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 ．3 保护层工作面上覆岩层破坏形式及矿压特性研究分析⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．4 保护层工作面覆岩矿压规律研究与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．1 “砌体梁”结构的矿压分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 ．2 保护层工作面矿压受关键层影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．3 保护层工作面裂隙带及垮落带研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 第4 章相似模拟实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1 相似材料模拟实验基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．2 试验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．2 ．1 相似常数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．2 ．2 相似材料的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．3 模型制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 ．1 加压系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 ．2 工作面开采后上覆岩层移动变形研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．4 相似模拟实验过程及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．4 ．1 相似模拟实验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．4 ．2 开采时工作面上覆岩层沉降分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 第5 章保护层工作面开采过程数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l 5 ．1 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 l 5 ．1 ．1 模型范围的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5 ．1 ．2 模型参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．2 数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 数值模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 ．1 保护层工作面开采前7 0 m 模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ．3 ．2 保护层工作面开采7 0 m 后模拟结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．3 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 Ⅳ 万方数据 目录 第6 章15 4 4 5 工作面矿压显现规律现场实测与研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6 ．1 矿压监测过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．1 ．1 监测目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．1 ．2 采煤工作面矿压监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 6 ．1 ．3 超前支承压力监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 6 ．2 监测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．2 ．1 支架工作阻力显现规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 6 ．2 ．2 煤体超前支承压力实测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 6 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 第7 章薄煤层开采工业性实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．1 切顶卸压技术简述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．2 切顶卸压技术现场实施方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 7 ．3 切顶卸压技术要点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 7 ．4 本章小结与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 第8 章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 8 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 8 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 个人简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 0 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 0 V 万方数据 目录 Ⅵ 万方数据 第1 章绪论 1 ．1 研究背景及意义 第1 章绪论 煤炭作为世界上的基础能源之一，在2 0 1 2 年煤炭在全球一次性能源消费比 例创下历史新高，达到3 0 ％，我国的此项消费更是达到了7 0 ％上下。在中国漫 长的历史发展过程中，始终是煤炭最主要的消费国、生产国和进口国，但是人均 煤炭资源占有量仅为世界平均水平的四成左右l lJ 。 我国国土面积广阔，煤炭储量也非常大，但其赋存方式却多种多样，这就导 致了我国采煤方法的多种多样。安全问题一直是困扰我国煤炭行业多年的顽疾， 在坚硬顶板开采条件下，顶板事故在对煤矿安全造成影响的“五毒”灾害里的发 生比例逐年攀升，工亡人数占井下工亡人数的比值接近四成【2 】。我国煤矿赋存的 煤层具有坚硬顶板的有3 3 ．3 ％，在我国各大矿区 一半以上 均有分布，关于坚 硬顶板的控制理论及矿压显现规律的探究，对煤矿安全生产有极其重要的指导作 用。 所谓坚硬顶板，指在煤层或者厚度薄的直接顶上部直接存在的岩层，多为 砺岩、石灰岩等，这些类型的岩石强度高、裂隙少，单轴抗压强度可达8 0 M p a 甚至更高，因此，这类岩层做顶板的工作面开采后，势必导致采空区出现大面积 悬顶现射3 1 。这种现象通常会给采场及矿井带来不可估量的破坏，常常伴随着冲 击矿压或者矿震。坚硬顶板厚度大都四米以上，其单轴抗压强度范围是4 0 一 8 0 M P a 的范围内，正是坚硬顶板“重、厚”之特征，当由重力产生的拉应力比 项板上方抗拉强度稍大时，会产生拉伸破坏，其引发的地质灾害更是巨大之安全 隐患。一般情况下，坚硬顶板的初次垮落要在工作面开采5 0 米以后才可能出现， 有的甚至更远出现。本文研究是薄煤层上方的坚硬顶板，如果顶板大范围的垮落， 采场破坏无法估量，甚至整个矿井也要遭受严重的破坏[ 4 1 。此外，强烈动载伴随 着岩层断裂而产生，足以毁坏采场中工作的支架，导致顶板断裂造成冒顶。巷道 里瞬间形成巨大的冲击力，对于矿用设备及人员安全都会产生极大的威胁。就高 突矿井来说，更有可能造成瓦斯瞬间涌出，造成更重大的瓦斯事故。 顶板事故是有规可循的，预防此类事故最有效的措施就是对顶板控制的实 现，首先要对顶板力学性质及其形变、失稳等规律有清晰的了解，掌握这些规律 后，为了保证生产安全，就需要采取措施，防治顶板事故。所以，以实践为本， 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 结合矿压理论的分析，才能保证安全生产【5 】。 本论文背景来自于峰峰集团九龙矿，2 撑 大煤 和4 撑 野青 煤层是目前 阶段该矿的主采煤层。其中，地质勘探资料显示，2 撑煤是高突矿井，而防止瓦斯 区域性突出最安全高效的方法就是开采保护层。为了解决瓦斯突出难题，提高采 出率，计划把4 撑煤层作为保护煤层率先回采。但是，在1 5 4 4 5 工作面回采过程中， 由于直接顶缺失，基本顶是坚硬难冒落的野青灰岩，导致矿压显现剧烈【6 】。本文 对九龙矿4 群煤层15 4 4 5 综采工作面野青灰岩坚硬顶板矿山压力显现规律进行了 研究，获析野青坚硬顶板的破断与垮落特征、工作面支架阻力分布规律和频率分 布特性，并对顶板切顶卸压前后工作面顶板的周期来压进行监测与分析；采用相 似模拟方法，对1 5 4 4 5 工作面回采进行模拟，得到了顶板的垮落特征和位移曲线； 采用F L A C 3 D 对于不同推进距离时工作面顶板垂直应力分布情况进行数值模拟， 并提出了坚硬顶板切顶卸压的预裂爆破参数【7 】。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 关于保护层开采理论的研究现状 近几十年来的各国研究资料均可以表明，被保护煤层之应力变形状态、瓦斯 运动随着保护层工作面的开采均会发生显著的改变【8 】。学界认为，卸压作用在 保护层开采的所有作用中是最关键的，卸压作用能够引起其它相关作用 例如瓦 斯排放 。在保护层工作面前方1 0 到2 0 米左右卸压作用就有所体现，说明保护 层开采引起的各种作用中，卸压作用体现的最早。卸压效果受到两煤层距离以及 两煤层间岩层的性质的影响，如果相距较远，或者两者之间存在坚硬岩层，卸压 效果不显著。虽然也可降低突出危险性，如果不配合其他措施，瓦斯自然排放非 常困难【9 1 。 中东欧学者认为，将瓦斯突出煤层卸压是保护层开采最基本的作用。此作用 会使得瓦斯通过裂隙发育的煤岩层释放，煤岩透气性增强，瓦斯压力和含量减小。 因为前述过程是非可逆向性的，所以瓦斯突出的危险随着煤层瓦斯含量及压力的 减小而减小【1 0 】。 保护层开采有以下三点作用 1 煤层顶板的地应力减小，弹性势能释放。 2 被保护煤层随着保护层的开采逐渐出现膨胀，裂隙变多，使该层瓦斯 可经过这些裂隙移动到保护层工作面的采空区，使之瓦斯突出危险系数变小，安 全性升高。 3 煤体强度随着被保护煤层瓦斯放出而变大，因此，保护层开采不仅提 2 万方数据 第1 章绪论 升了煤层防止突出的能力，还降低了造成瓦斯突出的动力因素‘1 1 】。 1 ．2 ．2 关于采煤工作面上覆岩层的结构与控制的研究现状 从长壁采煤法在煤炭开采应用之日起，地质和矿业工作者对工作面顶板控制 的问题时刻保持着关注。采场矿压发生变化之根本原因在于煤层开挖进而导致覆 岩运动变化【l2 1 。工作面上覆岩层的位移变化是有规可循的，覆岩性质和位置关 系，都会引起岩层移动规律的体现。研究人员利用试验以及现场得到的实际数据， 提出了关于顶板运动的矿山压力理论，提出了许多合理化的推测。随着煤矿开采 深度越来越深，关于矿山压力的研究近年来热度逐渐上升，也另一方面促进了计 算机相似模拟研究的发剧1 3 】。 二十世纪5 0 一7 0 年代末，关于采场顶板结构的学说百家争鸣，其中关于矿 山压力导致上覆岩层移动规律的推论更是其中的关键，这包括铰接岩梁学说、 压力拱学说等【1 2 1 。与此同时，对老顶的研究也提升了热度，根据大量研究数据 资料以及前辈的假说，科研人员提出了老顶存在位置的假说，即“类拱”、“拱 梁“ 、“梁式”三个岩层构造是老顶存在之主要位置【9 J 。 岩层控制理论通过多年的钻研探讨，业已成长为一门新兴独立的学科。专家 学者将关键层定义为覆岩活动中有控制作用的一层或者多层坚硬岩层。关键层理 论的要点是每个岩层因为矿物含量、成岩先后和条件的差别，使得含煤岩层中 各岩层性质、厚薄程度等方面表现出很多不同。这些岩层中，为了对覆岩产生的 压力进行支撑，比较坚硬的岩层会形成梁状等结构，顶板破断后，工作面矿压显 现同样会受到“砌体梁”等结构之作用。这些对矿压显现起作用覆岩中的一或多 层，叫做“关键层”。这个理论对于采场上覆岩层移动规律能够更好地进行解释， 更对后世关于岩层运动方面指明了方向【l 引。 1 ．2 ．3 覆岩结构稳定性的研究现状 对于工作面支护和保护层开挖效果的分析的根据主要是采场覆岩结构。顶板 断裂发生在工作面进行回采后，我们需要思考的问题是顶板断裂后，覆岩会大 规模垮落还是形成新的平衡状态。对采场覆岩结构进行研究时，我们必须对静力’ 平衡及材料强度和岩块接触点变形进行相关研究。考虑到上述因素，专家提出了 下列几种假说来对覆岩结构稳定性进行解释【l 5 J 1 砌体梁结构的“S _ R ”稳定理论【l 6 J 根据砌体梁学说，考虑到工作面回采的影响，此结构会在上覆岩层中形成， 这个结构中，离层区相近的“关键块”是此理论的核心。采场顶板稳定性、矿压 显现、支架受力会因为关键块的平衡性的改变而发生改变。在砌体梁假说基础上， 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 钱鸣高教授就关键块平衡条件，提出“S - R ”条件，即砌体梁关键块滑落、 岩块变形失稳条件。 2 浅埋煤层老顶结构模型的提出【1 7 】 经过学者研究，有关埋深较小煤层之老顶周期来压的“短砌体梁’’以及“台 阶岩梁”模型被提了出来，这个模型对于顶板结构稳定性分析做出详细解释，同 样也说明工作面来压和顶板台阶下沉的原因。 埋深较浅的煤层中，块度对于“短砌体梁”和“台阶岩梁“ 结构的水平力影 响呈现正比例关系。实验证明，为了使顶板结构滑落失稳能够得到有效控制，需 要对顶板施加一定的支护力。一般情况下，“短砌体梁“ 所需支护力比“台阶岩 梁”要小。 3 基于有限变形力学理论的岩层结构稳定性理论【1 8 】 本理论能够说明大采深放顶煤开采会引起顶板纵向移动空间变大，顶板形成 的稳定性结构上移。依据层面挤压变形特点，能够推导出顶板结构稳定的判别式， 通过这个判别式可以计算出顶板结构面的挤压力的大小，也可说明放顶煤开采 时，项板稳定结构的上移问题。 1 ．3 技术路线和研究内容 1 ．3 ．1 技术路线 4 万方数据 第1 章绪论 1 ．3 ．2 研究内容 图1 ．1 技术路线图 F i g ．1 - 1T h et e c h n o l o g yr o a d m a p 1 研究九龙矿矿井地质条件，煤岩地质结构特征，水文地质类型，野青 灰岩顶板性质特征等。 2 15 4 4 5 工作面作为保护层开采的理论分析 根据埋深较浅的2 大煤地质环境，解析其保护层选择、开采的可行性，对保 护层开采工艺和卸压影响区域等问题进行理论计算。 3 15 4 4 5 工作面矿压显现规律分析 通过相似模拟实验，解释说明薄煤层工作面推进过程中顶板初次及周期来压 步距及规律，根据实验模型判断出工作面上覆岩层的沉降位移规律，并通过相似 模拟实验，可以判断开采保护煤层对被保护煤层的影响及其他相关影响。 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 4 采用数值模拟的方法建立1 5 4 4 5 工作面的数值模型，对周期来压过程和 回采过程中上覆岩层变化引起的应力集中区域和变化规律进行研究，为后期顶板 管理提供依据。 5 薄煤层开采工业性实验及效益性分析。对顶板进行预裂爆破，使之能够 充分的碎化、弱化，以期，在开采大煤时取得良好的保护效果。 6 万方数据 第2 章煤矿地质概况与保护层开采可行性分析 第2 章煤矿地质概况与保护层开采可行性分析 2 ．1 矿井概况 峰峰集团九龙矿的位置是在邯郸市峰峰矿区东北方向五公里左右磁县境内， 矿井设计年生产能力是1 ．2 M t ，预计服务年限5 2 年。九龙矿于1 9 9 1 年投产，1 9 9 5 年达到设计产量，此后经通风、机电、运输、提升等系统改造，年生产能力达到 1 ．5 M t ，2 0 1 6 年底经核定生产能力提升至1 ．7 6 M t 。 九龙矿开拓方式是立井分水平开拓，将井田划分成标高为．6 0 0 米和．8 5 0 米 的两个水平。矿上有一对主副井，南北风井，四个井口。井下采用两翼对角式通 风，矿井呈南北两翼采区式布置，区段内采用后退式回采。 2 ．1 ．1 工作面概况 1 5 4 4 5 工作面地面位于矿自备铁路保护煤柱以西，邯峰公路斜穿工作面外 部，地面主要为农田，该工作面埋深较大，为8 5 0 m 。井下位置为南部为北五 采区皮带暗斜井，西部为北五采区下部进风巷，北部为北五采区皮带下山，东部 为F 3 6 断层以及待掘的1 5 4 4 7 面【1 9 】。该工作面回采对地表建筑物无影响。该面 地质构造较单一，工作面上下顺槽掘进中揭露断层较小，对回采影响很小，开采 范围和赋存状况如表2 1 。 表2 ．11 5 4 4 5 工作面开采范围及赋存状况 T a b l e 2 lT h em i n i n gs c o p ea n dm o d eo f o c c u r r e n c eo f t h e1 5 4 4 5w o r k i n gf a c e 项目单位最大最小平均 地面标高 底板标高 埋藏深度 走向长度 倾斜长度 煤层倾角 煤层厚度 容重 工业储量 1 3 0 ．7 1 0 4 8 0 1 5 0 1 5 。 2 ．1 1 1 4 ．7 7 0 抛 糊 渤 撇 m H 。 ㈣ 嘞 ％ 叭 俭 3 ● H m m m m m 旷 m 时 肭 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 可采储量 回采率 万吨 ％ 1 3 9 9 4 4 9 7 1 5 4 4 5 工作面上顺槽掘进中揭露断层较小，下顺槽靠近F 1 0 断层，顶板比较 破碎，F 1 0 断层的落差在1 9 米左右，该断层在三条暗斜井都己经揭露，并延伸 至工作面下顺槽逐渐变大。F 3 5 断层在采面切眼揭露，揭露时落差为H 4 ．0 L 7 0 0 ， 并沿工作面下顺槽延伸逐渐变大。F 0 1 断层在采面切眼揭露，揭露时落差为H 0 ．3 L 7 0 0 。各断层特征如表2 2 。 表2 - 2 断层特征表 乃6 l e 2 ．2T h e 乃6 l eo fF a u l tC h a r a c t e r i s t i c s 15 4 4 5 工作面直接顶缺失，老顶为坚硬难冒落的野青灰岩，这在开采过程中 对采空区放项有一定影响。工作面围岩特征如表2 ．3 所示。 表2 - 3 围岩特征表 T a b l e 2 3T h eT a b l eo fS u r r o u n d i n gR o c kC h a r a c t e r i s t i c s 九龙矿因毗邻东武仕水库，所以1 5 4 4 5 工作面的水文地质条件较为复杂，其 主要充水水源为4 撑煤层顶板野青灰岩水，多表现为滴、漏水现象，根据已掘巷道 和相邻野青工作面水文地质情况分析，该面开采期间预计正常涌水量是6 0m 3 ／h ， 在遭遇断层或者在工作面初采初放时，涌水量可能会瞬时增大到9 0m 3 ／h 。 万方数据 第2 章煤矿地质概况与保护层开采可行性分析 2 ．2 工作面巷道布置与回采工艺 2 ．2 ．1 采煤方法 根据地质条件，单一走向长壁后退式采煤法适合于1 5 4 4 5 工作面的开采，一 次采全高，上摸顶，下摸底，利用