大采高煤层注水对煤壁稳定性影响研究.pdf

论文题目大采高煤层注水对煤壁稳定性影响研究 专业矿业工程 硕 士 生沈汉星（签名） 指导教师邓广哲（校内）（签名） 汪荣华（校外）（签名） 摘要 安源煤矿大采高坚硬煤层工作面煤壁暴露面积大， 易发生煤壁片帮， 如何在确保煤 壁稳定的条件下合理的实施煤层注水技术成为一大难题。 本文针对这一难题， 对煤层注 水大采高工作面煤壁稳定性的影响进行研究， 对大采高综采工作面煤壁研究具有一定的 理论意义和实用价值。 首先，根据安源煤矿开采条件，分析大采高煤壁片帮破坏形式，研究采高、推进方 向、支架围岩关系等煤壁稳定性影响因素，运用压杆理论和 Mises 准则分析煤壁片帮的 原因及易片帮的位置， 为煤层注水孔位置的选择提供理论依据。 然后， 进行煤体含水率、 吸水率及其物理力学性质试验， 研究煤体物理力学参数与含水率的关系； 建立不同含水 率下煤样破坏的本构关系，分析了煤层注水对煤体的弱化作用和渗透作用。其次，研究 了煤层注水后片帮机理， 研究注水煤体的应力能转化与释放对煤壁稳定性的影响， 运用 FLAC3D模拟软件建立综采工作面模型，分析了不同含水率、不同孔距及不同注水压力 下工作面前方煤体的应力、 塑性区和压缩率的演变过程。 研究在不同情况下进行注水对 煤体稳定性的影响。 研究得出了大采高综采面煤层注水应重点软化煤层中下部， 得出了 合理煤层钻孔布置及注水工艺参数。 最后，将研究结果运用于安源煤矿 4211 综采工作面现场试验。结果证明，注水后 工作面煤壁稳定片帮，降低了煤层强度，同时注水后煤层裂隙增加提高了开采效率，块 煤率、回收率和产能，粉尘浓度大幅度降低，注水取得显著的效果。 关 键 词大采高；煤层注水；煤壁稳定性；FLAC3D模拟 研究类型应用研究 SubjectResearch on the Coal Wall Stability Influence in Larger Height Coal Seam by Water Injection Specialty Mining Engineering NameShan HanxingSignature InstructorDeng GuangzheSignature Wang RonghuaSignature ABSTRACT Anyuan coal mine large fully mechanized mining hard coal seam and coal wall exposed a large area, the implementation of coal seam water injection technology is easy to result coal wall spalling occur, how to ensure the implementation of stable conditions at the coal wall injection technology has become a major problem.Aiming at this problem,water infusion effect on the stability of large mining height.Propose a suitable large mining height coal injection technology. Firstly, analysis coal wall spalling failure modes of large mining height .Research on coal wall stability affect factors of mining height, the direction of promoting , supports and surrounding rock relationships. according to Anyuan Coal Seam geological data, analysis the weakening effect of water on the coal and working face rib spalling causes and easy spalling position though bar theory and Mises theory, for Choosing Seam Injection point to provide the theoretical basis.Then,test the moisture content, water absorption tests and physical and mechanical properties test of coal, analysis the relationship between coal and moisture content, failure criteria established under different moisture content of the coal, analyzes water bodies attenuation and infiltration in coal seam.Followed, analysis coal seam water injection anti spalling mechanism, research on seam infusion stress energy conversion and release into the role of coal wall stability.Set up a large fully mechanized mining face model by FLAC3Dsoftware to simulate stress field and displacement field and plastic zone when coal in the condition of water injection or not, under different moisture content, different hole pattern, different injection pressure.Study the impact of water on the stability of coal in different situations. Finally, from the study, large fully mechanized mining face water injection should focus on softening the lower seam, coal moisture control in the 6 to 8, injection pitch for 6m, injection pressure is 3 5MPa reasonable. According to the research results，4211 Anyuan coal injection mechanized mining face guidance. Practice has proved that after the water injection working face efficiency, lump coal improved, recovery improved, productivity improved, greatly reduce dust concentrations, and achieving the desired effects and significantly economic benefits. KeywordsLarge mining height; Coal seam water infusion; Coal wall stability; FLAC3Dsimulation ThesisApplication Research 目录 I 目录 1 绪论..............................................................................................................................1 1.1 选题背景及意义..................................................................................................1 1.2 国内外研究现状..................................................................................................1 1.2.1 大采高煤壁片帮研究现状.......................................................................1 1.2.2 煤层注水研究现状...................................................................................3 1.2.3 水对煤体物理力学性质影响的研究现状...............................................6 1.3 研究目的、内容、方法和技术路线..................................................................7 1.3.1 研究目的...................................................................................................7 1.3.2 研究内容...................................................................................................7 1.3.3 研究方法...................................................................................................7 1.3.4 技术路线...................................................................................................8 2 安源煤矿大采高煤壁稳定性分析.................................................................................9 2.1 安源煤矿 4211 工作面概况................................................................................9 2.2 安源大采高工作面煤壁破坏形式分析..............................................................9 2.3 工作面煤壁稳定性影响因素分析....................................................................11 2.3.1 采高的影响.............................................................................................11 2.3.2 工作面推进方向的影响.........................................................................12 2.3.3 支架-围岩关系的影响........................................................................... 13 2.3.4 煤体物理力学性质的影响.....................................................................13 2.4 压杆理论分析煤壁稳定性................................................................................14 2.5Mises 准则分析煤壁稳定性..............................................................................16 2.6 本章小结............................................................................................................20 3 水对煤体力学性质影响分析.......................................................................................21 3.1 含水率对煤体力学性质的影响........................................................................21 3.2 煤体力学性质与含水率关系测试....................................................................23 3.3 煤层注水机理研究............................................................................................30 3.3.1 水在煤层中的渗透作用机理.................................................................30 3.3.2 水对煤体强度的弱化作用.....................................................................31 3.3.3 注水参数的确定.....................................................................................32 3.4 本章小结............................................................................................................33 4 安源煤矿煤层注水片帮机理分析...............................................................................34 4.1 注水煤体中应力能转化与释放分析................................................................34 目录 II II 4.1.1 煤体的弹性能形式及其转化.................................................................34 4.1.2 注水后煤体的弹性能释放形式.............................................................35 4.2 煤层注水的煤壁稳定性分析............................................................................37 4.3 安源煤层注水煤壁稳定性数值模拟................................................................38 4.3.1 安源煤矿采场覆岩关键层计算.............................................................39 4.3.2 数值模型建立.........................................................................................41 4.3.3 数值模拟结果分析.................................................................................43 4.4 本章小结............................................................................................................47 5 大采高煤层注水工艺参数模拟分析...........................................................................48 5.1 孔隙压力计算及注水压力对煤壁稳定性影响模拟........................................48 5.1.1 注水孔压力场的模拟.............................................................................48 5.1.2 注水压力对煤壁稳定性影响模拟.........................................................50 5.2 含水率煤壁稳定性影响模拟............................................................................56 5.3 注水孔间距对煤壁稳定影响模拟....................................................................61 5.4 本章小结............................................................................................................66 6 工程实例.......................................................................................................................68 6.1 试验工作面概况................................................................................................68 6.2 煤层注水方案设计............................................................................................68 6.3 实施效果分析....................................................................................................71 6.4 本章小结............................................................................................................73 7 结论与展望...................................................................................................................74 7.1 结论....................................................................................................................74 7.2 展望....................................................................................................................75 致谢..............................................................................................................................76 参考文献..........................................................................................................................77 附录..............................................................................................................................82 1 绪论 1 1 1 绪论 1.1 选题背景及意义 大采高开采技术自 2004 年首先在陕北矿区榆家梁煤矿运用并取得成功之后，这项 开采工艺已在中国得到广泛推广运用，并且获得了显著的成果[1]。大采高综采技术已经 在我国陕北矿区广泛推广运用，综采面采高由 3.5m 增加到 5m、6m、7m 甚至达到更高 的 8m。 近些年国内学者对大采高工作面围岩控制的研究已取得丰硕成果， 并形成一套完整 的大采高的理论体系。 但是对坚硬煤层大采高综采面煤层注水的研究超前注水的研究相 对较少。煤层注水技术是瓦斯突出治理、冲击地压防治和降尘的重要技术措施，并且在 实际的工程中广泛使用取得显著成果[2-3]。 坚硬煤层大采高综采的特点是效率低、能耗大、成本高，采煤机反复截割煤壁，导 致工作面生产粉煤比例大，煤尘浓度高，作业环境恶劣等。因此实施煤层注水技术成为 了提高坚硬煤层大采高综采面生产效率的重要技术之一。 由于大采高采场煤壁暴露面积 大， 实施煤层注水如何保证工作面大面积暴露煤壁的稳定， 工作面不发生煤壁片帮冒顶 事故，这一问题严重制约了坚硬煤层大采高综采面煤层注水技术的发展。因此，合理有 效的实施煤层注水技术， 减少对工作面煤壁稳定性及正常回采工作的影响是坚硬煤层大 采高综采煤层注水所面临的技术难题。 安源煤矿坚硬煤层大采高综采面开采块率低、 效率低、 成本高等问题严重的制约着 的企业生产效益，尤其是当前煤炭形势正处于低迷时期，节约成本提高生产效率，是企 业长期高效发展的必由之路。 为了提高该矿 4211 综采工作面的块煤生产率和生产效率， 该矿根据相关研究经验， 在工作面实施煤层注水技术， 由于大采高综采面易发生片帮冒 顶事故，因此如何在大采高坚硬煤层中实施合理的煤层注水技术成为至关重要的问题。 因此，本文研究具有重要的实践理论意义及社会经济意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 大采高煤壁片帮研究现状 采场中所有的矿压特征都是由于顶板岩层的运动所致。 因而分析大采高综采工作面 覆岩运动特征有助于进一步的研究大采高工作面矿压显现规律[4-5]。围岩运动将直接影 响作用在煤壁上的顶板压力大小， 因此研究大采高覆岩运动规律及围岩控制理论， 对大 采高综采煤壁稳定性的研究有实际的意义[6-7]。 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 全世界主要产煤地区的厚煤层开采都是运用大采高开采的，澳大利亚、美国、南非 和捷克等主要煤炭出口的国家，最大采高 6.0m 以上，并获得了非常显著的成果[8-9]。对 大采高开采的覆岩运动规律的探讨，前苏联的学者有过相关的研究，研究表明岩层特 性及其结构决定初次来压、周期来压岩层断裂步距；煤层的厚度增大，顶板支点向其深 部转移，坚硬的岩层破断将导致来压强度增大及岩层下沉量增加；随采高增大，回采采 场的覆岩剧烈下沉， 顶板下沉量增大， 甚至发生冒顶事故； 顶板岩层垮落高度上升[10-11]。 然而， 大采高采场覆岩运移特点和结构特征产生了较大的变化， 单纯的运用传统的 方法研究及理论分析、已不能满足大采高采场的问题。对大采高综采采场而言，必须从 更大范围的研究顶板控制问题。 赵宏珠教授对国内大采高工作面液压支架的使用做出总结为的， 为大采高工作面的 支架选型提供了参考依据1增大采高对采场的来压步距的影响不突出，但其对覆岩 垮落从而产生的自由高度的影响较大；2采场支承压力会随的采高逐渐增大而逐渐上 升，应力增高去有向煤壁上方集中的倾向；3大采高采场的支架工作阻力大小的主要 是由于采高增大引起基本顶破断运动剧烈， 工作面覆岩断裂影响的范围增大， 但是靠改 变支架的阻力进而改变工作面支承压力的大小，从而不让覆岩断裂的效果不明显[12]。 中国煤矿采场围岩控制 一书中采用类比的方法计算得到大采高采场支架工作阻 力，是利用较小采高条件下的支架合理阻力，求取较大采高时的支架阻力[13]。 基于钱鸣高院士的“砌体梁”理论，郭宝华对大采高工作面覆岩进行研究得出如下 结论1大采高工作面顶板岩层是从下往上破断垮落然后填满整个采空区。这些岩层 的为 3 倍左右采高的厚度。2煤壁的承载致使岩层剧烈回转将滞后于采场煤壁，岩体 破断直至下部的岩层垮落完毕，该岩体回转完成[14]。 基于 “关键层” 理论， 靳钟铭教授对大采高工作面覆岩运动规律进行了探究， 得出 1采场覆岩运动受关键层的特征控制，采高不同时“三带”范围主要由关键层决定。 采高不大于 3.0m，垮落带高度符合经验公式的近似分式函数关系，采高大于 3.0m 的其 垮落带高度比相同煤层分层开采时大。2断裂带高度受关键层特征控制，采场覆岩中 的坚硬岩层主导一部分采高的断裂带高度。3大采高一般指开采高度在 3.5m 以上，故 而大采高工作面矿压和覆岩运移规律，与普通采高比较有一些不同的地方[15]。弓培林 基于关键层理论定量计算了大采高采场冒落、断裂带高度。认为这“两带”的高度与关 键层岩层特性有关[16]。 基于损伤力学郝海金分析了覆岩破断位置及其平衡结构。 分析得出直接顶的特征将 影响大采高综采平衡岩块结构的变形，并对支架产生显著的影响[17]。郝海金分析大采 高采场上覆岩层运动规律得出 大采高采场老顶破断位置位于工作面的前上方， 大采高 覆岩的平衡结构有比分层开采时层位更高，但结构相似[18]。郝海金采用概率分析研究 对大采高煤壁片帮的原因， 建立了滑面的力学计算模型， 分析大采高采场煤壁稳定的影 1 绪论 3 3 响因素，提出影响煤壁片帮几率的因素[19]。王贵虎采用实测法对大采高采场的矿压规 律进行分析研究表明大采高开采矿山压力显现比普通采高开采强烈，片帮、冒顶更 为频繁，支架冲击载荷频繁，围岩应力的作用范围更大，采场周期来更加剧烈[20]。 工作面预防措施片帮的常规方法[21] （1）合理设计工作面及其开采方案合理设计开采顺序，避免孤岛形工作面；工 作面应避开上覆煤层遗留煤柱集中压力； 工作面推进方向应保证煤层节理与煤壁有一定 倾角；尽量采用俯斜开采；（2）优化采煤工艺，加快工作面的推进速度；（3）异常情 况下控制采高，煤层厚时可采取分层开采、台阶式采煤等方法；（4）改进支护装置、 装配护帮板，提高移架速度、及时科学支护，确保支架的初撑力与实际工作阻力；（5） 保持煤壁平直，加强矿压观测，顶板整体性好时强制放顶。 大采高工作面采高大，增大了采场覆岩运动的自由空间以及上覆岩层梁结构的弯 距，且增大了覆岩冒落、裂隙带的高度，易发生“片帮-冒顶-片帮”的恶性循环[22]。国 内外的采矿学者非常重视由于采高增大引起的覆岩运移及矿山压力规律的差异， 因煤矿 复杂的地质条件的影响，中国大采高采场支架事故发生率平均高达 6～20，远高于 普通采高综采。 牛艳奇分析研究大采高采场发生片帮的机理， 得出采高、 内摩擦角等是煤壁发生片 帮的影响主要因素，提出增大支架初撑力、护帮力和工作阻力，增加护帮长度等 6 种措 施防止大采高采场煤壁发生片帮[23]。 胡国伟运用 FLAC3D软件模拟了大采高工作面推进 过程中煤体内部塑性破坏规律和应力场分布特征， 研究了大采高工作面围岩应力显现特 征，得出大工作面围岩应力的显现规律[24]。尹志坡分析煤矿地质条件、采场覆岩运移 活动规律，支架工作状态等方面，得出大采高采场发生煤壁片帮的相关影响因素[25]。 夏永学等采用 FLAC3D模拟分析影响大采高工作面煤壁稳定性的因素， 认为当工作 面的倾斜长度小于某一范围时，煤壁的冒顶高度及片帮深度与工作面的长度成正比关 系； 当倾斜长度大于某一范围时， 煤壁最大的冒顶高度和片帮深度不再随工作面长度的 变化而变化。工作面加快推进速度，片帮冒顶发生的概率减小。俯斜开采能减小冒顶、 片帮发生概率，仰斜开采则容易发生片帮冒顶[26]。 1.2.2 煤层注水研究现状 煤体注水技术的原理 将水体通过高压泵经由钻孔注入煤层中， 对煤体内部的节理 裂隙产生冲刷、 扩张及水体对煤体的物理润湿和化学反应作用， 使煤体内原有节理孔隙 扩展，产生新的节理裂隙，达到破坏煤体的完整性，从而降低其强度，起到煤体软化的 效果。注水技术起初用于石油、天然气的开采，由于效果显著因此发展迅速，而后注水 技术推广至煤炭及其它的工程领域，并取得可观的经济效益。 在国外有关记载的文献中，煤层注水主要应用于工作面降尘。德国早在 19 世纪 90 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 年代使用煤层注水降尘技术， 从此该项技术引起了各主要采煤国家研究学者的重视。 到 了 1950 年以后煤层注水已在世界主要采煤国家推广使用。 20 世纪 50 年代波兰开始采用煤层注水，到 60 年代已有四分之三的采煤工作面运 用了煤层注水技术[27]。英国 1961 年开始使用深孔高压注水，注水之后采场的粉尘浓度 显著降低[28-29]。为了使煤层注水技术能满足各类煤层地质条件，前苏联学者研制出能自 动调节注水参数的注水压力泵。 费尔赫斯特、休伯特等[30-31]研究分析了煤层注水产生的煤体裂隙张合应力场的关 系。其后海姆森、夏德格等对煤层注水应力测量原理作了进一步的分析和探讨研究，把 煤层注水的研究模型简化为在两水平应力作用下的有圆孔的平板问题， 采用弹性力学解 答，对煤层注水进行分析[32-33]。 Daneshy 采用固液耦合理论，分析了节理方向与主应力斜交及重合的情况，节理方 向与主应力两者重合时分析的结果与传统的煤层注水理论一样，当两者夹角为 30时， 煤体将发生两种破碎方式当摩擦力小于水压扩展力时，仅单个裂隙产生破坏；当摩擦 力大于水压扩张力时，则发生多节理破坏[34]。 中国 1956 年开始进行了煤层注水降尘试验。到 1990 年已有 40以上的回采工作 面运用煤层注水技术降尘。经过几十年的发展煤层注水技术已广泛应用于冲击地压防 治、煤尘防治、消除煤与瓦斯突出、治理煤壁片帮冒顶及提高综放工作面的顶煤冒放性 等。 1997 年邓广哲教授将坚硬煤层注水弱化技术用于提高顶煤冒放性，并从 1998～ 2002 年分别在陈家山煤矿、下石节煤矿及玉华煤矿等放顶煤工作面进行了试验，并取 得成功。2003～2005 年分析了特厚煤层放顶煤条带开采的煤层注水参数设计，并成功 运用于现场工程实践。2006 邓广哲教授针对坚硬的煤层中出现的顶煤难以放出的情况 采用煤层高压注水的实验， 分析了围岩地应力控制方法， 提出了煤层注水软化效果的判 别条件。2009 年邓广哲教授对小红沟煤矿进行煤层注水软化试验，采用注水平台走向 长钻孔布置的高压注水方式进行顶煤软化，大大提高了顶煤的回收率[35-36]。 邓广哲， 黄炳香等运用格里菲斯理论， 对地应力场中岩体孔隙水压导致裂缝扩展过 程进行了分析， 认为岩体孔壁中的裂纹孔在隙压力作用下的其扩张经历 3 个过程， 首选 是孔壁破裂、其次是二次扩张、再次扩张破裂，分析研究了含内压裂纹的扩展压力与原 岩应力及顶板岩层的力学性质关系[37]。 黄炳香结合水力压裂和水力切缝各自的特点， 提出采用预先进行水力切缝的煤岩层 定向水力压裂技术， 利用各个注水钻孔之间的相互作用以及各个钻孔水压润湿半径重叠 的作用， 通过改变注液方式和采用多个钻孔同时注水的联合方法操控煤岩体中扩展裂缝 的方向[38]。Chugh、康红普等做了大量的岩体抗压强度的测试，得出岩石的容重、含水 率大小、初始状态、物理力学性质及其受力情况等都将影响水改变岩体强度的效果[39]。 1 绪论 5 5 闫少宏等提出控制顶板运动的新方法， 认为利用人工切槽进行注水将顶板定向分层， 从 而降低采场围岩基本顶的矿压强度，并且推导出岩层裂隙扩展的条件[40]。 康天合从理论上分析了水在煤体孔隙、 裂隙中的渗透作用， 以及研究了水对煤体强 度的弱化作用； 得出了煤层压力注水降低煤体弹性模量和煤体含水率大小对其抗压强度 削弱；提出了超前采煤工作面注水的距离、注水量、含水率、作用半径、注水时间、孔 间距、注水压力以及注水孔布置方式等工程参数的确定方法，并应用于潞安王庄矿，取 得了显著的成果[41]。李宗翔采用数值模拟求解了二维、三维的煤层注水非定常渗流函 数，并结合具体的工程实例，分析工艺参数中煤层注水孔距、时间、压力与软化半径的 动态关系，得出合理选取的煤层注水参数的方法[42]。 煤层注水经过多年的发展，已成为较成熟的技术，被广泛应用于预防煤尘的产生、 防治冲击地压、 防治煤与瓦斯突出和提高顶煤冒放性等方面， 但是工艺参数依然是依靠 经验、通过工程类比进行选择确定，存在很大的随意性和盲目性。 其中，煤层注水防片帮的研究也有很多成果 煤层注水即在开采之前利用钻孔向煤层注入压力水， 使水均匀地渗入煤体， 增加煤 体中的含水率。 采用加固煤壁防止煤壁片帮的方法中， 煤层注水与打锚杆和注浆加固措 施相比，具有所需费用低、操作简单方便、便于管理等优点，并且工程实践表明，其适 合煤质松软、压力大的中厚煤层，是防治片帮冒顶的经济有效方法。 王怀珍研究了煤层静压注水防止煤巷片帮冒顶，设计注水压力 35MPa，顶孔孔深 5m，帮孔 4.5m，单孔注水时间 25min，通过 6 个月的实验研究，空帮、空顶现象减少， 片帮和冒顶事故降低，巷道掘进速度平均由 180m/月提高到 240m/月，并且减少处理冒 顶、打抬棚等的材料消耗，取得了良好的经济技术及社会效益[43]。 涡北煤矿主采煤层 8 煤煤质松软，煤