采空区下近距离煤层巷道稳定性研究.pdf

万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘要要 近距离煤层在我国广泛分布，国内外学者对于近距离煤层的研究也逐渐增多， 主要研究的问题近距离煤层煤柱应力传递规律、覆岩移动规律、矿压规律及巷道 布置问题。近距离煤层开采同单一煤层回采存在一定的差别，下煤层回采之前， 工作面采场应力分布、巷道围岩等都受到了上煤层回采的影响，应力条件更为复 杂化，尤其是上煤层回采完毕后遗留下来的采空区保护煤柱，对于下煤层工作面 矿压显现、巷道布置、顶板管理、安全回采等具有极大的影响。因此研究采空区 下近距离煤层上煤层遗留煤柱应力在底板中传播规律、下煤层巷道围岩稳定性等 特征对于实现工作面安全回采意义重大。 本文以嘉乐泉煤矿 8 号煤采空区下近距离 9 号煤层轨道上山巷道稳定性为研 究对象，利用实验室仪器对轨道上山顶底板、煤体抗拉、抗压、弹性模量、摩擦 角、矿物含量、崩解性能等作出了测定，为后期数值模拟、支护参数设计等提供 了基础数据。通过理论计算对上煤层开采后对于下煤层的应力影响进行了分析， 对上煤层开采过程中对于下煤层破坏深度，破坏范围等进行了理论计算，从理论 角度掌握了轨道上山破坏的原因；通过数值模拟试验，研究上煤层回采及本煤层 回采过程中轨道上山围岩变形特征，找出工作面回采过程中主要影响巷道围岩稳 定性因素，为后期支护设计提供依据。针对理论分析及数值模拟的结果，有针对 性的对巷道进行补强支护，并通过现场监测分析支护设计的科学性。 本文综合运用各种研究手段，找出了影响 9 号煤层轨道上山围岩稳定性的主 要因素，由于轨道上山布置不合理，受到 8 号煤层遗留煤柱应力在底板中与 9 号 煤轨道上山围岩应力叠加，巷道围岩承受不对称的偏载应力作用是 9 号煤轨道上 山发生破坏的主要原因。根据巷道变形破坏原因提出了特殊的补强支护设计，通 过补强受影响最大处的围岩。通过现场监测进一步证明，补强支护设计科学、可 靠。可为类似情况下采空区下近距离煤层回采巷道布置提供科学的参考依据，也 为工程现场出现类似情况提供可靠的补强支护设计。 关键词采空区；近距离煤层；数值模拟；围岩稳定性 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractsAbstracts Close coal seam is widely distributed in our country, the study of the scholars at home and abroad for close distance coal seam is gradually increasing, the main research issues of close coal pillar stress transfer law, law of strata movement, mine pressure regularity and the roadway layout problem. Close distance coal seam mining with single coal seam mining there is a certain difference, the coal mining, mining stope of roadway surrounding rock stress distribution, and so on have been on the influence of coal seam mining, the stress condition is more complicated, especially after coal mining on the legacy of mined-out area protection coal pillar, the coal seam working face under the mine pressure appearance, roadway arrangement, roof management and safety mining has a great influence. Therefore, it is of great significance to study the propagation rule of residual coal pillar stress in the floor and the stability of surrounding rock in the roadway of the lower coal seam in the mined-out area to realize safe mining of working face. Based on jia LeQuan coal mine coal mined-out area under close 8, 9 coal seam roadway stability orbit up the mountain as the research object, using laboratory instrument to track on the top floor, the tensile and compressive strength, elastic modulus,frictionAngle,mineralcontent,disintegratingperancemadea determination, such as late for numerical simulation, and supporting parameters design provided the foundation data. Through the theoretical calculation of coal seam mining after analyzed the effects on stress of coal seam in, on coal seam mining process for damage depth of coal seam, the scope of damage and so on has carried on the theoretical calculation, from the Angle of the theory of mastery of the orbit of the reasons for damage of the mountain; Through numerical simulation experiment, the research on coal seam mining and the orbit up the mountain and deation 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III characteristics of surrounding rock during the process of coal mining, find out the main factors influencing the stability of roadway surrounding rock during the process of mining face, provide the basis for supporting design later. According to the results of theoretical analysis and numerical simulation, reinforced support for roadway is carried out in a targeted way, and the scientific nature of support design is analyzed through field monitoring. In this paper, the integrated use of various research s, finding out the influence of 9 coal seam track up the main factors of the stability of surrounding rock, by orbit up the mountain layout is unreasonable, in the bottom left no. 8 coal seam coal pillar stress and 9 coal orbit up the mountain and surrounding rock stress superposition, asymmetry of roadway surrounding rock under partial load stress is 9 coal rail up the main cause of damage occurred. According to the reasons of roadway deation and failure, a special reinforcement design is proposed. It is further proved by field monitoring that the design of reinforcing support is scientific and reliable. It can provide a scientific reference basis for the arrangement of mining roadway near the coal seam in the goaf under similar conditions, and also provide a reliable design of reinforcing support for similar situations in the engineering field. KeywordsClose distance coal seams;Goaf;Numerical simulation;Stability of roadways 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 IV 目目录录 1 绪论...........................................................................................................................1 1.1 概述.................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.................................................................................................2 1.2.1 近距离煤层开采方法研究现状...............................................................3 1.2.2 近距离煤层应力分布研究现状...............................................................4 1.2.3 近距离煤层巷道布置方式的研究现状...................................................5 1.3 近距离煤层开采技术存在的问题.....................................................................8 1.4 研究内容与方法.................................................................................................9 1.4.1 研究内容....................................................................................................9 1.4.2 研究方法.................................................................................................10 1.4.3 技术路线.................................................................................................10 1.4.4 创新点.....................................................................................................11 2 工程概况及 9 号煤层煤岩物理力学性质测定.........................................................12 2.1 矿井概况...........................................................................................................12 2.2 矿井地质...........................................................................................................12 2.3 矿井煤层赋存条件...........................................................................................13 2.4 开采技术条件...................................................................................................13 2.5 煤及其顶底板岩石物理力学特性...................................................................18 2.5.1 巷道顶底板岩石单轴抗压试验.............................................................18 2.5.2巷道顶底板岩石抗拉试验...................................................................20 2.5.3 岩石其它物理力学参数.........................................................................22 2.6 9 号煤顶底板岩样的矿物组成与崩解特性.....................................................24 2.6.1 矿物组成.................................................................................................24 2.6.2 崩解特性.................................................................................................25 2.7 本章小结...........................................................................................................27 3 上煤层开采底板应力分布规律研究.........................................................................28 3.1 上煤层开采水平应力在底板中传递规律.......................................................28 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 V 3.2 上煤层开采垂直应力在底板中传递规律.......................................................30 3.3 上煤层开采对底板破坏形式分析...................................................................32 3.3.1 上煤层开采底板破坏理论分析.............................................................32 3.3.2 嘉乐泉 8 号煤底板破坏特征.................................................................36 3.4 本章小结...........................................................................................................37 4 嘉乐泉 9 号煤层轨道上山稳定性数值模拟研究.....................................................38 4.1 数值软件简介...................................................................................................38 4.2 计算模型的建立...............................................................................................38 4.2.1 模型的建立.............................................................................................39 4.2.2 模拟过程.................................................................................................40 4.3 模拟结果分析...................................................................................................41 4.3.1 巷道围岩应力分布特征.........................................................................41 4.3.2 9101 工作面推进过程中 9 号煤轨道上山稳定性分析.........................42 4.4 本章小结...........................................................................................................49 5 巷道支护设计及稳定性监测.....................................................................................50 5.1 开采技术条件...................................................................................................50 5.2 轨道上山的加固...............................................................................................51 5.3 巷道围岩变形量方案及结果分析...................................................................53 5.3.1 巷道围岩变形量监测方案.....................................................................53 5.3.2 巷道围岩变形量结果分析.....................................................................54 5.4 轨道上山松动圈测定.......................................................................................59 5.5 围岩结构观察及分析.......................................................................................60 5.6 本章小结...........................................................................................................63 结论.........................................................................................................................64 参考文献.........................................................................................................................66 研究成果.........................................................................................................................70 致谢.........................................................................................................................71 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 1 绪绪论论 1.1 概概述述 在我国煤炭储量巨大，煤炭一直作为我国能源支柱，为国家经济发展做出了巨大 贡献，尤其是改革开放以后，煤炭能源支柱的地位更加显著。然而煤炭储量虽多，但 是赋存条件极其复杂，不同区域煤炭赋存不同，造成了煤炭开采成本差异巨大[1-3]。 如何在复杂条件下最低成本的将煤炭回采，提高煤炭回采的整体效率，是我国煤炭企 业及煤炭技术人员长期研究的重要问题。 在我国各大矿区可采煤层较多，近年来随着开采强度的增加，各大矿区煤炭开采 逐渐向深部转移，近距离煤层开采技术便成为了煤炭技术人员研究的重要课题[4-7]。 究其原因不外乎以下几点（1）近距离煤层在我国分布广泛，如神东矿区、汾西矿 区、大同等矿区都存在着近距离煤层联合开采的技术问题。这些大型矿区，大部分可 采煤层均在 5 层以上， 有些矿区甚至可达到 15 层， 这些煤层当中层间距 1-30m 不等， 所以近距离煤层回采技术研究已经迫在眉睫。（2）随着开采强度的不断加大，一些 埋藏较浅，赋存条件简单的煤层基本回采完毕，因此一些开采难度较大，赋存条件复 杂的复杂煤层例如近距离煤层逐渐进入了煤炭人的眼帘。（3）国家大力倡导提高煤 炭资源回收率，避免煤炭资源的浪费，严厉打击只采优质煤炭而丢弃埋藏条件复杂的 煤炭资源，这些复杂条件下煤炭开采技术变得极为重要。 在近距离煤层回采过程中，由于煤层间距较小，两煤层回采过程中受到的相互影 响较大，尤其是下煤层开采过程中，由于上部煤层开采过程中，对周围岩体产生了破 坏，尤其对底板的破坏会直接影响到下煤层的安全回采。上部煤层回采打破了煤层间 原有的应力平衡，使得应力发生重新分布[8-10]。上煤层回采结束后，都不同程度的遗 留下了保护煤柱，煤柱应力沿底板向深部传播，由于煤层间距较小，直接影响到下煤 层安全回采。因此要实现近距离煤层安全回采，掌握煤层周围应力分布，上煤层遗留 煤柱应力分布规律变得至关重要。尤其对于下煤层回采巷道再用何种方式布置，直接 影响到巷道稳定性。因此， 回采巷道的布置方式是近距离煤层安全回采的一个重要难 题，如何科学合理的布置下煤层回采巷道，才能有效将上煤层应力影响降到最低，保 证近距离煤层安全回采[11-12]。 本文以嘉乐泉煤矿采空区下近距离煤巷道稳定性研究为背景， 对其近距离 9 号皮 带、轨道上山稳定性进行了研究。嘉乐泉煤矿，主要开采 8 号、9 号煤层，煤层平均 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 埋深 180m，其中 8 号煤层厚度 3.7m5.28m，平均 4.5m，倾角 6。9 号煤位于 8 号煤 层之下 3.42～6.25m， 平均 4.65m， 煤层厚度 1.7～2.8m， 设计采高 2.5m， 煤层倾角 4。 煤层直接顶为炭质泥岩、细粒砂质泥岩，基本顶为砂质泥岩，粗砂质泥岩，直接底为 砂质泥岩、泥岩。目前 8 号煤层已经回采完毕，9 号煤层回采过程中发现，轨道上山 顶板存在一定程度的下沉，且片帮严重。巷道及工作面布置如图 1.1 所示。为解决这 一问题，本文通过理论分析、 数值模拟结合现场实测的方法对采空区下近距离煤层巷 道稳定性进行系统性研究。为相似条件下近距离煤层巷道布置提供参考依据。 图 1.1巷道及工作面布置图 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 到目前为止，国内外学者对于近距离煤层的定义没有形成统一的鉴定，各国学者 对于近距离煤层从各个角度进行了定义，其中大部分结合自己的研究方向进行了解 释，不能得到学者的广泛认同。在我国认可程度最高的属煤炭安全规程中对于近 距离煤层的定义“煤层间距较小，开采相互影响程度较大的煤层”。在较多公开出 版的文献中，学者较多的使用的都是这一定义，本文在研究中采用的是煤炭安全规 程的定义。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 1.2.11.2.1 近距离煤层开采方法研究现状近距离煤层开采方法研究现状 在近距离煤层开采过程中，因为层间距不同，选用的开采方法也不尽相同。对于 层间距较大者，可采用下行顺序开采，即先采上层在依次采下层，也可采用两煤层同 时开采。但对于层间距较小的煤层，由于两煤层距离太近，采用同时开采会将采场变 得更加复杂，因此一般选用下行顺序开采。采用此种回采方式，因上部煤层提前回采 完毕，导致应力重新分布，使得下煤层采场条件进一步复杂化。一是上部煤层过程中 一部分顶板已经提前垮落，当下煤层回采时顶板会发生二次垮落，使得工作面矿压显 现变形异常；二是上煤层回采结束后所遗留的保护煤柱产生的应力向底板深部传递， 与下煤层采场应力、巷道围岩应力相互叠加形成新的应力场，往往因为上煤层在回采 过程采场应力的影响，已经使得部分底板产生了一定程度的破坏，使得下煤层回采条 件异常复杂[13]。 在我国大多数矿区，近距离煤层采用下行顺序开采或者上下煤层同时开采，回采 巷道布置方式也多采用集中布巷或分层布巷的方式[14]。 但是随着近年来煤炭开采装备 不断更新，开采技术不断提高，单一工作面回采基本能够矿井产量要求，所以近距离 煤层上下煤层同时开采逐渐被淘汰。但是对于一些老旧矿区，考虑到开采设备及上下 煤层压茬等问题会采用上下煤层同时开采技术。另外，在一些矿区，对于极近距离煤 层开采有时采用综合放顶煤技术进行回采， 但是该开采方法在极近距离煤层开采中应 用受到很大限制，上下煤层层间岩石对于顶煤冒放性影响较大，有些区域岩层较厚严 重影响工作面煤质，从而降低煤矿经济效益，因此对于极近距离煤层回采，放顶煤技 术不能得到推广。 在我国对于近距离煤层开采方法的研究也取得了一定的成果 崔道品教授[15]等以葛店煤矿 31062、31063 两近距离煤层回采为研究背景，通过 数值模拟、现场实测等技术手段确定了该矿近距离煤层群开采的技术方案，通过理论 分析及其它矿区经验借鉴，制定了近距离煤层同采的合理错距，缓和了矿井接续紧张 的问题。 太原理工大学郭帅[16]等以山西华苑煤业 9、10极近距离煤层回采为背景，通过 多种技术手段，确定上下两煤层同时开采的合理错距，运用理论分析加数值模拟的方 法，得出了近距离煤层同采工作面回采过程中采场应力分布特征，为两煤层实现安全 回采提供了技术支持。 康健教授等[18]运用数值模拟对近距离煤层同采不同错距时， 采场应力分布及相互 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 传递规律进行研究，得出了上下两煤层同时开采时应力场特征，由此计算出来合理的 工作面错距，并在现场得到应用，效果良好。 现场工程技术人员经过长期的实践，也得出了一些应用成果，但是也发现了一些 不足。例如乌达煤矿在近距离煤层回采过程中采用上下煤层同时开采，由于上煤层厚 度较大，导致下煤层压力巨大，在原有基础上增加了安全回采的难度；东北万正煤矿 在极近距离煤层回采过程中采用放顶煤技术，造成工作面煤质下降严重，给企业带来 了极大的损失。 1.2.21.2.2 近距离煤层应力分布研究现状近距离煤层应力分布研究现状 根据岩土力学理论，集中力P作用在半无限体的任意一点，对下发任意一点 M 产生影响，如图 1.2 所示。由弹性力学可以得出，作用点 O 的受力分析，可以得出水 平应力。 对于平面任一点 M 将产生应力影响。如图 1.2 所示。由弹性力学可知，半平面 体在受力边界上会受到发现集中应力，可以得出水平面上的应力 z ，如式 1.1 所示。 2 2 5 2 1 1 2 3 z P z r z                  （式 1.1） P R r O z β （a） 图 1.2集中应力对无限平面内任意一点 M 的影响 朱术云教授 [19]等采用弹性力学分析了在煤层底板中任意位置在工作面回采过程 中的应力分布及应力与煤层埋深之间的变化关系，在某一特定深度下，特定点水平应 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 力和垂直应力的分布特征， 并按照这一特征分析出了任一点最大主应力的方向会随工 作面回采，逐渐由垂直方向变为水平方向。 林峰教授 [20]以淮北芦岭煤矿近距离煤层群回采为背景，通过相似模拟试验，分析 了工作面回采过程中底板应力分布特征， 得出了工作面超前支承压力随工作面推进影 响范围为 0-55m 左右。 孟祥瑞教授 [21]等通过运用莫尔-库伦准则建立数值模拟模型，研究了工作面超前 支承应力随工作面回采的变化规律，并通过理论分析、力学原理分析了在工作面回采 过程中底板破坏特征，及发生破坏的主要力学原因。 张华磊 [22]等采用力学分析及数值模拟分析了近距离煤层上煤层开采过程中底板 应力分布特征，研究结果表明采动后在底板岩层中形成的支承应力要大于原岩应力， 且随埋深的增加应力峰值距煤壁越远， 采空区下顶板岩层中的支承应力要小于原岩应 力。 1.2.31.2.3 近距离煤层巷道布置方式的研究现状近距离煤层巷道布置方式的研究现状 回采巷道的布置往往对工作面安全回采、回采成本等问题影响巨大，在近距离煤 层回采过程中， 下煤层巷道布置必须考虑上煤层开采后的遗留煤柱及上煤层采动应力 对下部煤层巷道的影响， 遗留煤柱应力在上煤层底板中的应力传播直接影响到下煤层 巷道的围岩稳定性； 上煤层采动过程中应力在底板中传播特征同样影响到下煤层回采 巷道的稳定性 [23-25]。然而应力传播影响范围又会受到煤层间距，同采工作面错距，工 作面采高等方面的影响。 目前在近距离煤层下煤层巷道布置设计中， 工程技术人员更多的集中于讨论上煤 层遗留煤柱应力对巷道的影响，对于上煤层采动应力考虑甚少。遗留煤柱应力在底板 中的分布特征受到煤柱大小、岩性等影响，不同大小的煤柱、不同的岩性对于煤层底 板应力分布均会出现不同的变化规律。根据矿压理论，采场围岩应力分布将直接影响 回采巷道的稳定性， 遇到上煤层遗留煤柱时应将下煤层回采巷道布置在煤柱边缘应力 降低区。但是根据现场布置情况来看，即使将下煤层回采巷道布置在降低区内，在回 采过程中巷道变形量仍然很大。工程实践证明，在上煤层回采过程中，采场围岩应力 平衡被打破， 进行了重新分布， 应力重新分布后会在采场周围煤岩体上形成应力集中， 集中的应力逐渐向底板深处传播，使得底板应力重新分布，并呈现出非均匀状态，而 回采巷道支护一般是均匀分布的，使得巷道受力出现了不均匀的状态，导致生产过程 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - 中巷道失稳，变形量增加。 在煤炭回采过程中，回采巷道的对于工作实现正常回采作用是不可替代的，回采 过程中通风、行人、运料等工作都是靠回采巷道来完成的，故对于近距离煤层回采巷 道稳定性受到了国内外学者的高度重视，目前公认的布置方式有 3 种[26]重叠式、外 错式及内错式布置。如图 1.3（a）（c）所示。三种布置方式在现场适用条件不同， 重叠式布置是将上下两煤层工作面设计长度相等，回采巷道在处置方向上重叠布置， 采用这一方法巷道稳定性差，维护困难，但布置方式简单、易于掌握；内错式布置要 求下煤层工作面回采巷道布置在上煤层遗留煤柱应力降低区，采用此种布置方式，会 使得下煤层工作面长度变短，工作面长度受限，煤层回采效率降低，但是由于巷道布 置在遗留煤柱边缘的应力降低区内， 巷道变形量小， 巷道掘进、 支护、 维护较为容易。 外错式布置与内错式布置相反，要求下部煤层工作面长度长，使得煤层回采效率得以 提升，资源回收率得以提高，但由于巷道布置在高应力区内，回采过程中巷道变形量 大、维护困难。 上部煤层 下部煤层 上部煤层回采巷道 上部煤层采空区 下部煤层回采巷道 （a） 重叠式布置 上部煤层 下部煤层 上部煤层回采巷道 上部煤层采空区 下部煤层回采巷道 （b） 外错式布置 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 7 - 上部煤层 下部煤层 下部煤层回采巷道 上部煤层回采巷道 上部煤层采空区 （c） 内错式布置 图 1.3 巷道布置方式图 对于以上三种巷道的布置形式， 国内外学者更多的是集中于其中一种布置方式围 岩应力分布、支护方式等，对于三种布置向结合的设计、研究相对较少。 李化敏教授 [27]等通过相似模拟的研究方