富山矿承压水上开采底板破坏规律研究.pdf

全日制硕士学位论文 富山富山矿矿承压水上开采底板破坏规律研究承压水上开采底板破坏规律研究 申请人姓名 王刚 指导教师 赵忠明 教授 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 采动损害与保护 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二○一五年二○一五年六六月月 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD325 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 富山矿承压水上开采底板破坏规律研究 Research on failure laws of floor above confined aquifer in Fushan coal mine 申请人姓名申请人姓名 王刚王刚 学 位 类 别学 位 类 别 工工学学硕士硕士 专 业 名 称专 业 名 称 矿业工程矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 采动损害与保护采动损害与保护 导师导师 赵忠明赵忠明 职称职称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2015 年年 4 月月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2015 年年 6 月月 河南理工大学 万方数据 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文富山矿承压水上开采底板破坏规律 研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表 或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中 作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文的 规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩 印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 致致 谢谢 本论文是在导师赵忠明教授的精心指导下完成的，在三年的研究生学习生涯 中，老师在学习和生活方面都给于了我极大的关怀和帮助，在此谨向老师致以崇 高的敬意和衷心的感谢 感谢能源科学与工程学院的各位领导和老师，正是在你们谆谆教导和无私关 怀下，才使我的研究生学习得以充实和提高，是你们在我最后的学术殿堂上给我 了最优秀的教育 感谢能源科学与工程学院 2012 级的全体研究生同学，是你们让我体会到了一 个大家庭的温暖与友爱，让我度过了快乐而又难忘的三年时光，感谢施天威、董 威等在实验中给于我的帮助。 感谢一直关心和帮助我的父母和家人，你们的理解、支持和鼓励是推动我不 断前进的动力和精神支柱，在以后的学习和工作中，我会加倍努力，不辜负你们 的期望。 感谢永锦集团富山煤矿的领导为本论文所需资料搜集提供的巨大帮助。 感谢本文中所引用文献的各位作者，这是你们的大量研究成果为本论文的完 成提供了坚实的基础。 最后，衷心感谢白忙之中抽出时间审阅、评议本论文的各位专家、教授，由 于作者水平和时间有限，论文中难免有许多不足之处，还望各位专家、教授批评 指正，不胜感激 王刚 2015 年 4 月 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 煤炭资源是我国的主要能源，在今后一段时期内不可能被取代，但煤层底板 突水问题是一直制约着煤矿安全生产的主要因素之一。特别是，我国的浅部煤炭 资源已接近枯竭，开采下组煤和深部煤层是今后的必然选择，这样所面临的底板 受承压水威胁的问题将日益明显，所以对煤层底板在受采动影响和承压水作用下 的破坏规律进行研究更加具有实际意义。 论文以富山煤矿的水文地质资料为基础，确定了底板下方的寒武纪灰岩承压 含水层为威胁工作面发生突水的含水层；通过考虑煤层底板所受矿压特征及其承 压水压力作用， 建立底板受力计算模型， 根据弹性力学理论和莫尔库伦强度准则， 计算出底板内任一点的受力状态和底板破坏深度及范围；通过相似模拟实验，得 到了底板在工作面不同推进距离下的垂直应力分布、位移变化及其底板破坏特征， 得出底板最大破坏深度； 采用 FLAC3D模拟在工作面不同推进距离下沿倾向和走向 两种不同剖面煤层底板的垂直应力、垂直位移及其塑性区特征，得到底板最大破 坏深度；根据理论计算、相似模拟和数值模拟结果，结合富山煤矿 21051 工作面 具体地质条件，采取了对工作面底板进行注浆加固的措施，并利用物探手段进行 了验证。研究结论对类似条件下的矿井防治底板突水具有一定参考价值。 关键词关键词底板破坏；理论计算；相似模拟；数值模拟；注浆加固 万方数据 II 万方数据 III Abstract Coal is the major energy of china, it is impossible to be replaced in the coming period, but the floor water inrush is always one of the main factors restricting the safe production of the coal mine. In particular, the shallow coal resources of the coal in China have almost been exhausted, the lower coal group or deep coal seam is the inevitable choice for the future, the question that floor is threated by the confined water become increasingly apparent, so the research for the coal seam floor under the influence of mining and the confined water is more meaningful. Based on the hydrogeological data of Fushan coal mine, the paper determines that the cambrian limestone confined aquifer beneath the floor is the main aquifer threating the working face; considering coal seam floor suffered ground pressure and confined water pressure, based on elasticity theory and Mohr Coulomb strength criterion, it build force calculation model of the floor, and calculates stress state of any point within the bottom floor and the the floor damage depth and range; by similar simulation experiment, it got the floor’s vertical stress distribution, vertical displacement, failure features and maximal damage depth in the different advancing distance; using the FLAC3D software, it simulates the floor’s vertical stress, the vertical displacement and plastic zone feature, and get the maximum damage depth of floor; according to theoretical calculations, similar simulation and numerical simulation results, combined with specific geological conditions of the 21051 working face of Fushan coal mine, it takes the measures of grouting reinforcement to reinforce the floor of working face, and adopt geophysical instruments to validate the grouting effect. The research conclusion has certain reference value for the prevention and treatment of water inrush from floor under similar mine conditions. Key words Floor damage; theoretical calculation; similar simulation; numerical simulation; grouting reinforcement 万方数据 IV 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ............................................................................................................................... I Abstract ......................................................................................................................... III 目目 录录 ............................................................................................................................. V 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究的目的及意义 ............................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................... 2 1.2.1 底板突水机理研究现状 ................................................................................ 2 1.2.2 底板突水模拟研究及监测手段研究 ............................................................ 6 1.3 本文研究的主要内容及其技术路线 ................................................................... 7 1.3.1 主要研究内容 ................................................................................................ 7 1.3.2 技术路线 ........................................................................................................ 7 2 矿井概况及工作面水文地质条件矿井概况及工作面水文地质条件 .............................................................................. 9 2.1 矿区自然地理概况 ............................................................................................... 9 2.1.1 井田位置及范围 ............................................................................................ 9 2.1.2 井田自然地理概况 ........................................................................................ 9 2.2 矿区地质概况 ..................................................................................................... 10 2.2.1 煤层 .............................................................................................................. 10 2.2.2 地层 .............................................................................................................. 10 2.2.3 构造特征 ...................................................................................................... 10 2.2.4 水文地质 ...................................................................................................... 11 2.3 工作面水文地质条件 ......................................................................................... 11 2.3.1 工作面概况 .................................................................................................. 11 2.3.2 工作面水文地质条件 .................................................................................. 12 2.4 小结 ..................................................................................................................... 15 3 煤层底板破坏机理分析煤层底板破坏机理分析 ............................................................................................ 17 3.1 岩石破坏准则 ..................................................................................................... 17 3.1.1 岩石破坏类型 .............................................................................................. 17 3.1.2 岩石破坏准则 .............................................................................................. 18 万方数据 VI 3.1.3 底板破坏所采用的岩石破坏准则 ............................................................... 19 3.2 半无限体平面弹性理论 ...................................................................................... 20 3.3 采场底板围岩力学模型建立及其计算 .............................................................. 21 3.3.1 采场底板力学模型的建立 ........................................................................... 21 3.3.2 采场底板岩层中应力计算 ........................................................................... 23 3.4 煤层底板应力分布规律 ...................................................................................... 26 3.5 煤层底板变形破坏深度的确定 .......................................................................... 28 3.6 本章小节 .............................................................................................................. 30 4 承压水上开采底板破坏规律的相似材料模拟实验研究承压水上开采底板破坏规律的相似材料模拟实验研究......................................... 31 4.1 相似材料模拟实验简介 ...................................................................................... 31 4.2 相似模拟实验的原理 .......................................................................................... 31 4.3 相似模拟实验模型的设计 .................................................................................. 32 4.3.1 模拟目的 ....................................................................................................... 32 4.3.2 相似材料的选取 ........................................................................................... 32 4.3.3 相似比例的确定 ........................................................................................... 32 4.3.4 相似材料用量计算 ....................................................................................... 33 4.3.5 实验模型台的构建 ....................................................................................... 35 4.3.6 实验模型的制作及其加载 ........................................................................... 35 4.3.7 应力测点与位移测点的布置 ....................................................................... 37 4.3.8 模型观测及其记录 ....................................................................................... 38 4.4 相似模拟实验结果及其分析 .............................................................................. 39 4.4.1 底板应力变化规律 ....................................................................................... 39 4.4.2 底板垂直位移变化特征 ............................................................................... 42 4.4.3 底板变形破坏过程及其分布 ....................................................................... 45 4.5 本章小节 .............................................................................................................. 48 5 采场底板应力分布及其破坏特征的数值模拟采场底板应力分布及其破坏特征的数值模拟 ......................................................... 51 5.1 概述 ...................................................................................................................... 51 5.2 数值计算模型的建立 .......................................................................................... 51 5.2.1 模型构建的基本原则 ................................................................................... 52 5.2.2 网格的建立 ................................................................................................... 52 5.2.3 边界初始条件的设置 ................................................................................... 53 万方数据 VII 5.2.4 岩石参数的选取 .......................................................................................... 53 5.2.5 模拟方案的确定 .......................................................................................... 54 5.3 数值模拟结果及其分析 ..................................................................................... 55 5.3.1 不同推进距离下沿工作面倾向方向的变化特征 ...................................... 55 5.3.2 不同推进距离下沿工作面走向剖面的变化特征 ...................................... 62 5.4 本章小结 ............................................................................................................. 69 6 工作面突水防治措施工作面突水防治措施 ................................................................................................ 71 6.1 工作面物探结果分析 ......................................................................................... 71 6.1.1 物探的原理及其目的 .................................................................................. 71 6.1.2 工作面底板物探结果 .................................................................................. 71 6.2 底板加固深度的计算 ......................................................................................... 73 6.3 工作面底板注浆堵水改造设计 ......................................................................... 74 6.3.1 注浆堵水方案总体设计原则 ...................................................................... 74 6.3.2 钻孔和钻场的布置 ...................................................................................... 75 6.3.3 工作面底板注浆工艺的确定 ...................................................................... 75 6.4 底板注浆工程量 ................................................................................................. 78 6.5 底板注浆效果比较 ............................................................................................. 78 6.6 本章小结 ............................................................................................................. 79 7 结论与展望结论与展望 ................................................................................................................ 81 7.1 主要结论 ............................................................................................................. 81 7.2 存在问题与展望 ................................................................................................. 82 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 83 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 87 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................ 89 万方数据 VIII 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究的目的及意义 在未来半个世纪内，煤炭资源仍将占据我国能源消费总量的 50以上，这也 就意味着在国民经济快速发展的同时，煤炭行业仍将发挥着不可取代的作用[1-2]。 但是，近年来矿山压力集中程度由于矿井采深的增加、开采规模的不断增大和机 械化程度的提高而逐渐明显，对底板隔水层的扰动和破坏程度也逐步增大[3]。当煤 层位于承压水上开采时，在高承压水和剧烈的矿山集中压力影响下，煤层底板的 破坏的深度和破坏影响范围都将增大，从而减小了底板有效隔水层厚度[4-5]。即使 当煤层底板岩层中没有断层等地质构造存在时，隔水层厚度破坏较大，底板发生 突水的可能性性仍在不断增加。如今许多矿井都已在深部开采或者正在向深部进 行转移，因此矿井都会面临底板承压水突水这样的问题，如果对此问题不加以足 够重视，矿井发生突水事故的可能性将逐步增大[6]。 据统计，从 1970 年以来，全国共发生煤层底板突水事故 2200 多起，造成淹 井事故的有 240 多起，人员伤亡达 1500 多人、经济损失 150 多亿。因此，对承压 水上煤层如何实现安全回采，一直是我国科技学者重点研究的问题之一[7]。 底板岩溶承压水不同程度地威胁到我国 60的煤矿，特别是华北地区的矿井 受到的影响最大，使得对其中 40的煤炭资源不能够开采，煤层受底板承压水威 胁的面积和严重程度是世界范围内其它产煤国所不能够超越的。近几十年来，主 要采用两种技术手段开采底板受高承压水威胁的煤层，一是深降强排，二是带压 开采。深降强排虽然满足了承压水上煤层可以安全回采这一要求，但其它方面的 问题接踵而至1需要对前期的疏水工程进行投资，疏水过程中耗电量大，使得 整个矿井开采成本增加；2强排会造成地下水位下降，对地面生态环境造成极大 破坏； 3当承压含水层水量丰富， 水源补给充足时， 通过强排难以起到预期效果， 因此较少采用[8]。而带压开采在矿井整个开采过程中成本低，对当地生态环境破坏 较轻，是世界范围内最广泛采用的开采受承压水威胁煤层的方法。但当矿井水文 地质条件较复杂以及含水层水压力较大时，若采用带压开采方法，那么矿井发生 突水的几率成倍增加。因此，为了保证安全回采受承压水威胁的煤层，对开采过 程中煤层底板的破坏规律进行研究，进而找到预防底板突水的方法有一定的现实 意义。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 河南省永锦集团富山煤矿煤层底板下含水层主要为寒武系上统风山组灰岩岩 溶裂隙承压含水层， 该含水层水压大、 水量丰富， 底板最薄处距二1煤层底约42.0m， 该含水层为底板的间接含水层，矿井属于承压水上开采。本文采用理论分析、相 似模拟实验、FLAC3D数值模拟研究采场周围的应力分布、底板破坏规律等，从而 为富山矿防治底板突水提供了一种技术手段。 1.2 国内外研究现状 矿井底板突水形成的因素与突水机理非常复杂，国内外学者对此开展了大量 的研究，并得出了一些有益