西部浅埋厚煤层高强度开采覆岩导气裂缝的时空演化机理及控制研究.pdf

博士学位论文 西部浅埋厚煤层高强度开采覆岩导气裂缝 的时空演化机理及控制研究 Spatial-temporal Evolution Mechanism and Control Technology of Air Leakage Fissures in High-intensity Mining of Shallow Thick Coal Seam 作 者李建伟 导 师刘长友教授 中国矿业大学 二 0 一七年四月 国家自然科学基金资助项目51574220 江苏高校优势学科建设工程资助项目SZBF2011-6-B35 中国矿业大学重大项目培育专项基金资助项目2014ZDPY21 万方数据 中图分类号 TD8 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 博士学位论文 西部浅埋厚煤层高强度开采覆岩导气裂缝的 时空演化机理及控制研究 Spatial-temporal Evolution Mechanism and Control Technology of Air Leakage Fissures in High-intensity Mining of Shallow Thick Coal Seam 作 者 李建伟 导 师 刘长友 教授 申请学位 工学博士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 岩体力学与岩层控制 答辩委员会主席 屠世浩 评 阅 人 盲审五份 二○一七年四月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 致致 谢谢 光阴荏苒，转眼间即将结束在中国矿业大学七年的求学生涯。再回首，内心思 绪万千，感慨良多。在博士论文完成之际，我要向曾经给予我莫大帮助的老师、 同学、朋友及亲人表示我最衷心的感谢 首先要感谢我的恩师刘长友教授。师从七载，受益匪浅， “山高水长有时尽， 唯我师恩日月长” 。有幸跟随恩师完成研究生阶段的学习，是我一生中最宝贵的经 历和财富。恩师渊博的学识、严谨的治学态度和高尚的品德使我终生受益，同时 也是我一生学习的榜样和追求的目标。在论文完成过程中，从论文的选题、研究 方案的制定、研究内容的完成，直至论文的最终定稿，无不凝结着恩师的关怀、 指导和心血。在论文完成之际，谨向恩师致以最诚挚的敬意和最衷心的感谢研 究生学习期间，还得到了师母侯晓红教授无微不至的关怀和照顾，在此表示最衷 心的感谢 感谢矿业工程学院、 煤炭资源与安全开采国家重点实验室领导和老师们几年来 在学习和生活上给予的关心、鼓励和帮助 在论文的完成过程中，得到了课题组鲁岩副教授、吴锋锋副教授、杨培举副 教授、杨敬轩讲师的热情指导和帮助。同时，课题组张宁波博士、赵通博士、陈 宝宝博士、杜贝举博士、倪友健硕士、张建强硕士、武飞硕士、仇奎凯硕士、胡 腾飞硕士等师兄弟在论文完成过程中给予了许多有益建议与热情帮助。在此向他 们表示衷心的感谢 感谢内蒙古开滦投资有限公司赵杰董事长、于海秋总工程师、朱占虎处长， 串草圪旦煤矿雷剑波矿长、董石红总工程师、姚仲宝副矿长、李春永副总工程师、 张炎副总工程师、地测科艾顺岭科长、通防科任树俭科长及各位技术人员和工人 师傅在现场实测、数据收集中给予的大力支持和帮助 感谢父母和姐姐多年来一直对我学业上的支持以及生活上的温暖和关怀，正 是他们的支持使我充满勇气去迎接生活中的一个又一个困难和挑战 感谢爱人冯彩肖女士对我生活和学习的大力支持和帮助，她的理解、宽容和 尊重使我有更多的精力投入本论文的写作。感谢我可爱的女儿，她的笑声是我永 远乐观向上，不断进取的力量源泉 同时，向论文中所引用文献的各位作者致谢 限于水平，论文中难免有不当和不足之处，恳请各位专家、教授给予指正。 最后衷心感谢各位专家、教授在百忙之中评阅本文 李建伟 2017 年 4 月 万方数据 I 摘摘 要要 针对西部矿区浅埋深、薄基岩和厚煤层的赋存特点和煤层开采过程中覆岩断 裂裂缝贯通地表并导致地表漏风， 并由此引起工作面通风紊乱、 采空区 CO 浓度超 限、存在遗煤自燃隐患等影响安全生产的问题。本文以内蒙古串草圪旦煤矿地质 赋存及生产技术条件为背景，从覆岩结构运动与空气流动学的角度出发，综合采 用现场实测、相似材料模拟、数值计算、理论分析、现场工业性试验等研究方法， 对浅埋厚煤层高强度开采条件下覆岩失稳运动特征及断裂裂缝的动态分布与发展 变化规律、覆岩导气裂缝的产生机理及其时空演化规律、导气裂缝影响下采空区 流场及工作面漏风特征等进行了系统深入地研究，提出了基于覆岩导气裂缝控制 的浅埋厚煤层开采安全保障技术。研究成果对于西部矿区浅埋厚煤层高强度开采 岩层控制和安全生产具有重要的理论价值和现实意义。 基于串草圪旦煤矿浅埋厚煤层开采工程地质条件，实测得出了不同埋深、覆 盖层厚度条件下工作面地表采动裂缝时空分布规律、动态发育特征及其主控因素， 以及地表漏风强度、采空区气体浓度分布规律及其相关关系。分析归类了地表采 动裂缝的类型及其对工作面安全生产的影响。 建立了覆岩承载关键层深梁结构力学模型，得出了深梁结构承载关键层初次 破断和周期性破断的破断特征、失稳运动形式及其影响因素，以及覆岩贯通型地 裂缝的形成机理。分析了承载关键层层位、基岩厚度、松散覆盖层厚度、工作面 推进速度以及地表地形等对浅埋厚煤层开采覆岩破断失稳及断裂裂缝时空演化规 律的影响，得出了覆岩断裂裂缝的动态时空演化特征、类型和分布范围。 建立了浅埋厚煤层开采覆岩导气裂缝空气流动力学分析模型，分析了覆岩导 气裂缝的导气机理及导气特征，确定了覆岩导气裂缝的分布特征、导气条件，得 出了基于覆岩导气裂缝等效缝宽的浅埋厚煤层开采覆岩导气裂缝漏风流量 q 及平 均漏风流速的计算公式。通过现场实测分析和计算流体力学分析相结合，得出 了覆岩导气裂缝在工作面推进方向上的时空分布规律，建立了覆岩导气裂缝的演 化模型，为导气裂缝影响下采空区内漏风流场时空分布规律的分析奠定了理论基 础。 建立了基于导气裂缝控制的工作面安全生产保障条件，提出了保障工作面安 全生产的技术途径。包括减缓覆岩导气裂缝内漏风流速的填平封堵技术，防止采 空区覆岩导气裂缝漏风的工作面增压通风技术，预防采空区遗煤自燃的浅埋厚煤 层开采采空区注浆、注氮技术及保证工作面一定推进速度等。 该论文有图 138 幅，表 20 个，参考文献 229 篇。 关键词关键词浅埋厚煤层；高强度开采；覆岩失稳运动；导气裂缝；时空演化规律； 安全开采保障技术 万方数据 II Abstract Mining area in Western China generally has geological characteristics of shallow burial depth, thin bedrock and thick coal seam. Overburden fracture fissures concatenate surface fissures during intensive mining activities. The ground surface destruction caused by shallow seam mining activities may lead to severe air leakages, thus disturbing underground ventilation and increasing the concentration of carbon monoxide and the risk of spontaneous combustion. Surface air leakage fissures ed in shallow coal seam mining have serious impact on safety mining. This paper proposes a novel approach to study strata structure movement and air fluid movement in overburden fissures based on the geological occurrence and production technology conditions of the Chuancao Gedan Coal Mine in Inner Mongolia. This approach combines field tests, similar material simulation, numerical simulation, theoretical analysis and site industrial test. The content of this article has carried on the system research for overlying strata movement and dynamic development and distribution of fracture fissures, ation mechanism and spatial-temporal evolution of air leakage fissures, and air leakage characteristics of mining face and air flow field in goaf under influence of air leakage fissures. Ultimately, security mining technology based on control of air leakage fissures is found in intensive mining activities of shallow thick seam mining This study serves as a good theoretical and practical reference for strata control and safety mining of high-intensity mining in shallow coal seam of Western mining area. Based on the geologic conditions of the shallow coal seam in the Chuancao Gedan Coal Mine, spatial-temporal distribution and dynamic development characteristics of surface fissures and their main controlling factors are measured. The intensity of surface air leakage and goaf gas concentration distribution and their correlation are also studied. The types of surface mining-induced fissures and their influence on safety mining of different geological occurrence conditions are analyzed and classified. Mechanics analysis model of deep beam structure is established to study failure characteristics, movement s and influencing factors of loading key strata initial and periodic breaking. The ation mechanism of overburden mining-induced fissures through ground surface is also studied. The influencing factors on spatial-temporal evolution of overburden fracture fissure in shallow thick seam mining are analyzed. And the influencing factors are loading key strata location, bedrock thickness, loose cover layer thickness, mining face advancing speed and surface topography. Dynamic 万方数据 III spatial-temporal evolution characteristics, types and distribution of overburden fracture fissures are determined. The air flow dynamics model of overburden air leakage fissures in shallow coal seam mining is established. The air transmission mechanism and air transmission characteristics of overburden air leakage fissures are analyzed. Ultimately, The distribution characteristics and air permeation conditions of overburden air leakage fissures are discussed. The calculation ula of the air leakage flow volume q and the average air leakage speed of overburden air leakage fissures based on equivalent fissures width are obtained. Through the combination of field measurement and computational fluid dynamics analysis, the spatial-temporal distribution of overburden air leakage fissures in the mining face advancing direction is obtained. The evolution model of overburden air leakage fissures is established, which lay a theoretical foundation for predicting the spatial-temporal distribution of air flow field in goaf under the influence of air leakage fissures. Security mining technology based on control of air leakage fissures and safety technical way in Shallow Thick Seam Mining are determined and put forward. Including air leakage fissures plugging and ground surface recovery, preventing airflow of air leakage fissures by pressure ventilation, preventing spontaneous combustion by grouting and nitrogen injection in goaf, preventing spontaneous combustion by guaranteeing a certain advancing speed. Dissertation includes 138 figures, 20 tables and 229 refers. Keywords shallow thick seam; high-intensity mining; breaking and movement of overlying strata; air leakage fissures; spatial-temporal evolution mechanism; security mining technology 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要I 目目 录录IV 图清单图清单 VIII 表清单表清单 XVIII 变量注释表变量注释表XX 1 绪论绪论1 1.1 研究背景与意义1 1.2 相关研究文献综述 2 1.3 研究内容与技术路线 8 2 浅埋厚煤层开采地表采动裂缝动态发育特征及其对生产的影响浅埋厚煤层开采地表采动裂缝动态发育特征及其对生产的影响 11 2.1 浅埋厚煤层开采地裂缝发育形态及尺度特征 11 2.2 浅埋厚煤层开采地质赋存条件及地裂缝分布规律15 2.3 浅埋厚煤层开采地裂缝动态发育规律 19 2.4 浅埋厚煤层工作面漏风特征及采空区气体浓度分布规律24 2.5 本章小结30 3 浅埋厚煤层开采覆岩破断失稳对地裂缝形成的影响机理浅埋厚煤层开采覆岩破断失稳对地裂缝形成的影响机理31 3.1 浅埋厚煤层开采承载关键层赋存特征及其分类 31 3.2 浅埋厚煤层开采覆岩破断失稳特征及断裂裂缝分布34 3.3 深梁结构承载关键层破断特征及其极限跨厚比 49 3.4 覆岩承载关键层稳定性及贯通型地裂缝形成机理62 3.5 本章小结66 4 浅埋厚煤层开采覆岩浅埋厚煤层开采覆岩移动变形与移动变形与断裂裂缝时空演化规律断裂裂缝时空演化规律67 4.1 浅埋厚煤层开采覆岩断裂裂缝产生机理及其时空演化规律67 4.2 浅埋厚煤层开采覆岩断裂裂缝时空演化的影响因素74 4.3 本章小结88 5 浅埋厚煤层开采覆岩导气裂缝形成机理及时空演化规律浅埋厚煤层开采覆岩导气裂缝形成机理及时空演化规律89 5.1 浅埋厚煤层开采覆岩导气裂缝形成条件及其影响因素89 5.2 浅埋厚煤层开采覆岩导气裂缝导气机理及导气特征91 5.3 浅埋厚煤层开采覆岩导气裂缝时空分布规律 98 5.4 本章小结105 6 基于覆岩导气裂缝控制的浅埋厚煤层安全开采保障技术基于覆岩导气裂缝控制的浅埋厚煤层安全开采保障技术106 万方数据 V 6.1 导气裂缝影响下采空区漏风流场与自燃“三带”分布106 6.2 浅埋厚煤层开采地表导气裂缝封堵与地表恢复 114 6.3 工作面增压通风防止采空区覆岩导气裂缝漏风 121 6.4 工作面采空区注浆、注氮预防遗煤自燃 126 6.5 保证工作面推进速度预防采空区遗煤自燃 134 6.6 本章小结135 7 主要结论及展望主要结论及展望137 7.1 主要结论137 7.2 创新点138 7.3 论文展望139 参考文献参考文献140 作者简历作者简历153 学位论文原创性声明学位论文原创性声明155 学位论文数据集学位论文数据集156 万方数据 VI Contents AbstractII Contents VI List of Figures VIII List of Tables XVIII List of VariablesXX 1 Introduction 1 1.1 Reseach Background and Significance1 1.2 Related Literature Review2 1.3 Main Research Contents and Technical Route 8 2 Dynamic Growth Characteristics and Impact on Production of Surface Mining-induced Fissures in Shallow Thick Seam Mining 11 2.1 Morphological Development and Dimensional Characteristics of Surface Mining-induced Fissures in Shallow Thick Seam Mining 11 2.2 Geological Ccnditions and Surface Fissure Distribution in Shallow Thick Seam Mining15 2.3 Dynamic Development Law of Surface Fissure in Shallow Thick Seam Mining19 2.4 Air Leakage Characteristics and Concentration Distribution of Goaf Gases in Shallow Thick Seam Mining Face24 2.5 Chapter Summary 30 3 Influence Mechanism of Fracture Characteristics of Overlying Strata on Surface Fissures in Shallow Thick Seam Mining31 3.1 Occurrence Characteristics and Classification of Loading Key Strata in Shallow Thick Seam Mining31 3.2 Fracture Characteristics and Fracture Fissures Distribution of Overlying Strata in Shallow Thick Seam Mining 34 3.3 Broken Feature and Limited Span-thickness Ratio of Deep Beam Structure of Loading Key Strata 49 3.4 Stability of Loading Key Strata and ation Mechanism of Through-type Surface Fissure 62 3.5 Chapter Summary 66 4 Overlying Strata Movement Deation and Temporal-spatial Variation of Overburden Fracture Fissures in Shallow Thick Seam Mining67 4.1 ation Mechanism and Spatial-temporal Evolution of Overburden Fracture Fissures in Shallow Thick Seam Mining 67 4.2 Influencing Factors on Spatial-temporal Evolution of Overburden Fracture Fissure in Shallow Thick Seam Mining74 4.3 Chapter Summary