残煤综放回采巷道矿山压力显现规律研究.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 残煤综放回采巷道矿山压力显现规律研究 摘 要 近年来，山西省全面整顿和规范矿产资源开发秩序，对原众多小煤矿 进行重组整合，改变了长期形成的落后、粗放的生产方式，建成一批机械 化程度高、生产规模大的现代化矿井，但必须指出的是整合后的众多矿井 面临着原小煤矿采用低回收率的旧式采煤法开采后形成的复采残煤区，复 采区资源回收率不足 30，遗留下大量煤炭资源，其中不乏无烟煤、焦煤 等稀缺优质煤回收这部分煤炭资源，既可以促进资源的充分开发与合理利 用，实现资源高效开发利用要求，也是煤矿企业保持自身长期发展的要求。 本文以晋煤集团圣华煤业 3 号煤层 1301 残煤复采工作面作为工程背 景，在对圣华煤业复采区开采技术资料和残采工作面前期及回采过程中揭 露情况充分研究基础上，总结了残煤赋存结构。采用现场矿压观测、理论 分析、数值模拟对 1301 复采综放工作面回采过程中回采巷道围岩变形规律 及围岩控制技术进行研究，主要研究内容和结论如下 （1）通过现场实测，实体煤状态下煤柱塑性区为 6m，煤体在空巷附 近情况下煤柱塑性区增大到 10m12.9m。空巷的存在使顺槽顶底板和两帮 移近量及移近速率增加。工作面超前支承压力范围为 26m38m，为巷道超 前支护提供了合理的建议。 （2）采用相似模拟实验和数值模拟研究发现，当工作面和空巷煤柱达 到失稳宽度时，基本顶在超前空巷一定位置处发生断裂，形成基本顶超前 断裂现象。 （3）在基本顶超前断裂情况下，根据单体柱和回采巷道围岩相互作用 关系，得到回采巷道超前单体柱额定工作阻力为 250kN，棚间距为 0.33m 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 能有效控制回采巷道顶板变形量。 （4）采用 FLAC3D软件，模拟复采工作面工作面初次来压过程中回采 巷道超前单体柱工作阻力变化情况和回采巷道围岩变形情况，验证了单体 柱采用额定工作阻力为 250kN， 棚间距为 0.33m， 能满足回采巷道支护要求。 关键词综放；残采工作面；回采巷道；数值模拟；围岩控制 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III RESEARCH ON MINE PRESSURE MECHANISM OF GATEWAYOF THE RESIDUAL COAL TOP-COAL CAVING ABSTRACT In rencent years, Shanxi province fully rectified and standardized mineral resources development order, and reorganized and intergrated many small coal mines, and changed slow and extensive production model atted a long time ago, and built a number of high mechanization and large-scale production mines. But many integrated mine faced old mining residual coal area left by origin small coal that adopted low recovery old mining , and recycling rate less than 30, and a large number of coal resources were left, which could contain anthracite、coking coal and so on. That recovering these coal resources could promote the full development and rational utilization of resources and achieve resources efficient development and utilization demand, and could maintain coal industries long-term development. The paper based on secondary mining of Jinmei group Shenghua 3 coal seam 1301 working face old mining area, Shenghua old mining technical data and residual coal remining face early disclosureon the basis of thorough study, summed up the residual coal storage structure, application of the mine pressure monitoring, theory analysis and numerical simulation on the 1301 secondary 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV mining working face of old mining the residual coal pillar failure law of surrounding rock in tunnel and its control technology research,the main research contents and conclusions are as follows 1 Through the practical field monitoring, the plastic zone coal pillar in the entity coal is 6 m and the value is 10m to 12.9m near the alley. The empty roadway make the roof-to-floor convergence, the two-sided displacement and the rate of change increase,which provides reasonable suggestions to advance roadway supporting. （2） By using similar simulation experiment and numerical simulation， it is concluded that when the working face and alley coal pillar achieve instability width the basic roof fracture in advanced alley a certain location, the phenomenon the basic roof fracture in advance. 3 Under the circumstances the gateway basic roof fracture in advance, according to the single column and the gateway rock interaction relations, come to the conclusion that the advance single column rated working resistance is 250KN, the row spacing is 0.33m. 4 Using the FLAC 3D numerical simulation software to simulate the working resistance changes of the gateway single column advanced in secondary mining face and entity coal working face of the first weighting. The results show that the single column can meet the support requirements when single column rated working resistance is 250 KN and the row spacing is 0.33m. KEY WORDS top-coalcaving；the the residual mining working face; gateway; 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V the numerical simulation;surrounding rock control 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目录 第一章绪论...................................................................................................................................1 1.1 选题背景及意义................................................................................................................1 1.1.1 研究背景................................................................................................................1 1.1.2 研究意义................................................................................................................2 1.2 国内外研究现状...............................................................................................................2 1.2.1 复采研究现状........................................................................................................2 1.2.2 顶板上覆岩层活动规律.......................................................................................3 1.2.3 煤柱研究现状........................................................................................................6 1.2.4 巷道支护研究现状.................................................................................................7 1.2.5 存在的问题.............................................................................................................8 1.3 主要研究内容与研究方法.............................................................................................. 8 1.4 技术路线.............................................................................................................................9 第二章复采区残煤资源现状分析...........................................................................................11 2.1 矿井概况及煤层赋存条件............................................................................................11 2.1.1 交通位置及矿井规模.........................................................................................11 2.1.2 3 号煤层及其顶板力学性质及其参数的确定.................................................11 2.1.3 其他赋存条件......................................................................................................13 2.2 圣华煤业旧采区赋存现状............................................................................................14 2.2.1 旧采区煤层赋存现状..........................................................................................14 2.2.2 旧采区采煤方法...................................................................................................15 2.3 旧采区残煤赋存结构分析............................................................................................16 2.4 1301 复采工作面概况.....................................................................................................16 2.4.1 工作面概况...........................................................................................................16 2.4.2 掘进中空巷揭露情况..........................................................................................17 2.4.3 回采中空巷揭露情况..........................................................................................18 第三章回采巷道矿压观测........................................................................................................21 3.1 矿压观测内容及观测方案............................................................................................21 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 3.2 矿压观测结果及分析.....................................................................................................23 3.2.1 煤柱应力监测结果及分析.................................................................................23 3.2.2 顺槽围岩变形量监测及分析.............................................................................25 3.3 本章小结..........................................................................................................................30 第四章回采过程中巷道稳定性分析.......................................................................................31 4.1 煤柱塑性区及应力分析..................................................................................................31 4.1.1 单一空巷塑性区...................................................................................................31 4.1.2 工作面前方塑性区.............................................................................................. 33 4.1.3 煤柱应力分布.......................................................................................................37 4.2 工作面过空巷顶板破断规律研究.................................................................................40 4.2.1 实验条件与设备..................................................................................................40 4.2.2 工作面过空巷顶板特殊破断特征....................................................................41 4.2.3 超前断裂机理分析.............................................................................................43 4.3 基本顶超前断裂对顺槽的影响及支护阻力的计算..................................................45 4.3.1 基本顶超前断裂对顺槽支护的影响................................................................45 4.3.2 基本顶来压步距计算.........................................................................................46 4.3.3 顺槽超前单体柱支护阻力的确定....................................................................48 4.4 本章小结..........................................................................................................................52 第五章复采过程中顺槽支护-围岩稳定性数值模拟............................................................53 5.1 模型的建立......................................................................................................................53 5.2 模拟结果及分析.............................................................................................................55 5.3 本章小结..........................................................................................................................60 第六章结论与展望.....................................................................................................................61 6.1 结论..................................................................................................................................61 6.2 展望..................................................................................................................................61 参考文献..........................................................................................................................................63 致谢..................................................................................................................................................67 攻读硕士学位期间发表的学术论文...........................................................................................69 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 选题背景及意义 1.1.1 研究背景 在我国经济发展消耗的一次性能源，煤炭所占比例 70以上，到 2020 年我国煤炭 消耗的比例也在 60以上，我国资源部分呈现“多煤少油贫气”的状态，未来几十年我 国能源消耗基本以煤炭为主[1-3]。 煤炭行业在我国经济发展过程中短时间内仍然起到中要 作用。 由于上世纪矿井基本小煤矿居多，其开采技术和对开采设备的投入水平有限，大部 分采用旧式房柱式、巷放式开采为主，甚至以掘代采的残柱式开采方法，形成煤炭资源 乱挖烂采，采易弃难等不规则粗放式开采现象，其回收率在 1030之间，大部分煤 炭资源遗留在采空区中，造成了煤炭资源的大量浪费。据不完全统计，从建国以来我国 产煤总量约 450 亿吨，煤炭浪费总量超过 1300 亿吨。这些大量遗留在采空区中、尚未 充分开采的煤炭资源称为这“残煤”。 山西省是我国重要煤炭基地，为了全面整顿煤炭资源不规则开采现象，以“资源整 合、优化结构、关小上大”的发展思路，对山西省内小煤矿进行能源重组计划。资源整 合矿井其开采技术和装备水平的提高，为残煤复采创造了有利条件。 “残煤复采”是指 利用先进的开采技术和机械化开采装备对遗留在采空区的煤炭资源二次开采回收。残煤 复采提高了煤炭资源的利用率， 延长了矿井生产年限， 为煤矿行业创造可观的经济收入。 尤其针对资源相较少的焦煤、无烟煤等优质煤炭进行二次回收，为国家经济发展提供必 要的能源，也也符合国家可持续发展方针。但在进行残煤复采的过程中会遇到先前煤矿 采空区遗留的空巷问题， 由于小煤窑的无序开采， 会形成大量纵横交错的采空区、 空巷。 当空巷在采动的影响下，空巷围岩应力会急剧增大，进而会引起工作面及回采巷道压力 随之增大，情况严重的情况下，工作面可能冒顶、回采巷道形成大的变形，严重影响矿 井安全生产。 本文工程背景为山西省泽州县圣华煤业，此煤矿为山西省兼并重组后保留矿井，主 采井田范围内的 3 号优质无烟煤。 2005 年以前， 圣华煤业一直采用以掘代采的旧巷柱式 或仓房式采煤方法，回收率不足 30％，严重浪费了 3 号优质无烟煤，井田范围内的煤炭 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 资源的完整性遭到了破坏。3 号优质无烟煤为优质动力煤和工业用煤，有着较高的经济 价值和用途。井田范围内除了村庄、工业广场等保护煤柱为实体煤，大部分均为残煤破 坏区域。 对圣华煤业3号煤层旧采残煤区进行残煤复采可以延长此煤矿的矿井服务年限， 同时可以进行大量煤炭资源的回收，使得具有一定的工业价值意义。本工作面进行残煤 复采采用综采放顶煤技术，为保证复采过程中生产安全进行现场检测，同时研究残煤复 采区空巷对工作面和回采巷道的影响。 1.1.2 研究意义 圣华煤矿位于晋城泽州县境内，是重组整合后的单独保留矿井。重组后该矿在原来 的旧采区内重新开拓了巷道，在由于该矿原来一直采用房柱式和巷柱式等较为落后的采 煤方法，圣华煤矿旧采区煤体的赋存状态与实体煤相比已大不相同，旧采区的煤体变得 不再连续，以空巷、煤体两种状态交替出现，对复采工作面回采巷道矿山压力显现规律 来压一定的难度。所以研究回采巷道矿山压力显现规律并根据规律提出相应的顺槽支护 措施，满足复采工作面回采巷道正常安全生产使用有重要意义。 现阶段国内有关残煤复采的文献越来越多， 可以说明国内专家和学者对这一课题的 重视。从国家科技支撑计划对残煤复采项目的立项，可以看出国家对旧采区残留煤炭资 源的二次回采的重视，本文以圣华煤业 1301 综放工作面回采巷道的矿山压力显现规律 为研究对象， 对其他整合矿井复采工作面回采巷道矿山压力显现规律及控制技术具有一 定的借鉴意义。 1.2 国内外研究现状 从国内外研究现状可以看出，对于动压巷道和复采工作面顶板控制技术较多，对于 复采工作面回采巷道矿山压力显现规律较少。通过大量查询相关文献与资料，与残煤复 采工作面回采巷道矿山压力显现规律及控制技术有关的研究主要有以下方面。 1.2.1 复采研究现状 （1）柏建彪[4]以空巷稳定性和支护技术为研究对象，通过分析空巷围岩活动规律， 建立关键块的铰接力学模型，分析了空巷支护阻力和工作面支护阻力和顶板转动失稳的 关系，同时采用高水材料注浆充填巷道两帮破碎煤体，加强空巷的稳定性，同时分析了 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 空巷顶板稳定性和高水材料凝结成固体的力学特征，合理优化了高水材料的参数。 （2） 杜科科[5]以哈拉沟煤矿 02209 工作面为研究背景， 运用数值模拟和理论上等方 法过对空巷问题进行了一定程度的研究，其主要结论如下 1）为了减少回采过程对顶板的破坏，通过改变回采工艺的参数，主要通过减少 采高至空巷高度和调斜逐渐部分回采煤柱，改变来压步距，以减少顶板的下沉量。 2）空巷前 30m 不受采动影响，空巷和工作面煤柱为 3m 窄小煤柱时为采动影响 剧烈阶段。同时提出“等压”技术，在工作面和空巷一定距离时，主动停止回采，等待 空巷造成的应力集中释放，通过现场实测和开尔文流变模型得到，等压小煤柱宽度一般 为 34m，在等压结束后再次进行回采，其通过空巷的过程中受采动影响消弱。同时得 到空巷无支护条件下，基本顶断裂线在煤体前方 14m，在主动支护条件下，工作面一 般不会冒顶灾害事故。 （3）任建峰[6]以斜沟煤矿 8 号煤层大采高工作面为工作背景，使用对 ANSYS 模拟 软件工作面需要过空巷时矿山压力进行模拟， 得到工作面距离空巷 16m 时， 工作面受采 动影响逐渐增大，煤柱的塑性宽度为 6m8m，煤柱应力向另一侧转移，空顶面积增大， 巷道严重变形，以两帮变形最为严重，空巷两侧的应力分布和围岩变形均呈现非对称分 布，工作面可能发生冒顶和片帮，在回采工程中应加强空巷支护。 （4）邓保平[7]博士汾西新柳煤矿残煤破坏区 0902 复采工作面为研究对象，建立过 空巷时直接顶力学模型，确定空巷支护强度，使用数值分析了过空巷时复采区应力场的 分布情况，通过相似模拟试验，揭示了上覆岩层的运移规律，最终提出了过空巷时围岩 控制技术。 （5）英国门克顿霍尔煤矿[8]对关闭多年的老矿井再次进行开采，取得的效益较为 显著；Hawkins J.W[9]针对报废矿井提出新的开采措施；保列斯瓦夫煤矿通过采用独头工 作面的壁式系统开采方法回收煤柱，获得了显著效益[10]；Smith，M.W[11]通过对矿井的 指定区域进行复采， 有效的减小了排水量， 从而解决报废矿井酸性水的排出的问题。 Veil， John A.等[12]定对复采概念进行重新定义， 阐明了如何将煤炭资源回收率最大化以及怎样 改善矿井复采后的环境状况等问题。 1.2.2 顶板上覆岩层活动规律 由于工作面及回采巷道受到采动影响，其上覆顶板会发生弯曲下沉、破断等现象， 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 专家及学者通过现场测试和理论研究提出不同的假说解释矿山压力现象，其主要成果 [13-18]如下。 （1）压力拱假说 W.Hack 和 Gi.llitzer1928 年提出“压力拱”假说，此假说认为在回采过程中，受岩 层自然平衡作用的影响会在工作面上方岩层中形成“压力拱” ，其中，前拱脚位于煤壁 中，后拱脚位于采空区垮落充填体中，前后拱脚均为应力升高区，工作面附近位于应力 降低区，前后拱脚随着工作面推进而前移。 （2）悬臂梁假说 德国科学家 K.Stoke 认为将支架上方的岩层可以看成悬臂梁，梁的前端在前方岩层 中，梁的后端悬伸，随着工作面的推进，梁会发生弯曲、下沉，并受到冒落岩石的支撑 作用， 当梁悬伸到一定的长度， 将会发生周期性的破断， 进而引发工作面出现周期来压。 此假说解释了工作面顶板下沉量小，支架载荷小，出现周期来压现象。 （3）铰接岩块假说 前苏联学者库兹聂佐夫在在 1950 年提出“铰接岩块”假说，该假说认为采空区上 覆岩层破坏区域分为两带，即垮落带和规则移动带。垮落带又可划分为上部垮落带和下 部垮落带，上部垮落带岩石呈现规则排列，下部垮落带岩石呈现不规则排列。规则移动 带断裂岩块之间相互铰接，岩块之间水平方向上存在挤压作用，形成三铰拱式平衡，在 工作面推进之后规则下沉。该假说详细说明了支架与围岩的作用关系，根据顶板变形情 况的不同支架分为两种不同的工作状态。当规则移动带下沉量较小时，支架承受的重量 为直接顶折断时岩层重量，支架处于“给定载荷状态” ，随着岩块下沉量的增大，支架 承受载荷也增大，直到岩块达到平衡为止，此时支架处于“给定变形状态” 。 （4）预成裂隙假说 二十世纪五十年代初比利时专家 A.拉巴斯预成裂隙假说，该假说由应力的变化情 况，将工作面周围划分为采动影响区、应力降低区及应力增高区，且三个区域随着工 作面推进而不断前移。受采动支承压力的作用，上覆岩层产生一定裂隙，裂隙分为两种 形式 和正压应力方向相同的称为张开裂隙， 和正压应力成一定角度称为剪切裂隙。 这 些裂隙使上覆岩层出现类似塑性体的变形状态，从而将岩块看做“假塑性体” ， “假塑性 体”处于相互挤压状态下可能出现类似梁的平衡。 “假塑性体”受自重和上部载荷的情 况下发生弯曲，当下位岩层下沉量大于上部岩层下沉量，则岩层间发生离层。该假说认 为支架具有充足的初撑力和工作阻力，使岩层间相互挤压，产生防止岩层间滑移和离层 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 的摩擦力。 图1-1 预成裂隙假说 Figure 1-1 Preed crack hypothesis （5） “砌体梁”结构理论 二十世纪七十年代末八十年代初， 我国学者在对工作面上覆岩层运动规律进行大量 的现场检测和实际调查的基础上，并对预成裂隙与铰接岩块两种假说进行总结的情况 下，提出了“砌体梁”结构理论。该理论以工作面上覆坚硬岩层为骨架，并以这些坚硬 岩层对上覆岩层进行分组。随着工作面推进，采空区上方岩层断裂并呈现一定规则排列 的岩块，岩块间在水平推力作用下，呈现铰接关系。该假说并根据采空区上部岩层垮落 形态和排列从下至上依次为垮落带、裂隙带、弯曲下沉带，由前方煤体至采空区依次分 为煤壁支承区、 离层区、 矸石压实区三个区。 该假说分析了基本顶断裂时对岩块的作用， 对断裂岩块之间的咬合方式及平衡条件作了详细解释，提出了“砌体梁”结构的关键块 理论，并建立了砌体梁关键块体的“S-R”理论 。 （6） “传递岩梁”假说 我国学者宋振骐院士等提出的“传递岩梁假说” ，该假说通过大量现场实测和基本 顶传递力的研究情况下，提出基本顶是对工作面矿压显现有明显影响作用的“岩梁组” 构成，破坏岩块的相互咬合作用下，始终存在能够向煤壁前方和冒落矸石上传递的作用 力，在这种传递作用力的影响下，工作面支架只承担部分岩梁运动的作用力，控制岩梁 要达到的要求决定了支架承担作用力的大小。该假说还提出，支架对岩梁运动的抵抗程 度决定了基本顶岩梁对支架作用力的大小， 工作面支架不仅存在 “给定变形” 工作状态， 还可能存在“限定变形”工作状态。 （7）弹性薄板矿压理论 该理论是由贾喜荣教授根据长期的实验和研究提出的一种切实可行的矿压预测理 论“弹性薄板矿压理论” 。由于煤系地层均为层状结构，在煤层开采时可以把煤层看做 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 夹在岩层之间的煤层状体，煤层和上覆岩层的运移过程可类似于组合薄板的工作动态变 化。该理论认为基本顶岩层为连续