厚煤层横跨煤柱复采工作面矿压显现特征研究.pdf

万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 厚煤层横跨煤柱复采工作面矿压显现特征研究 摘 要 本文在现有岩石力学和采场围岩控制理论以及大量前人实验研究的基 础上，通过理论分析、相似模拟和工程类比等方法，对白沟煤矿三采区旧 采长壁普采人工放顶煤工作面所形成的旧采区的复采工作面采场围岩控制 做了如下研究 1、对复采工作面通过残采区时上覆岩层的垮落带、裂隙带和弯曲下沉 带进行了分析。得知覆岩的“纵三带”高度均有所增加，尤其是垮落带和 裂隙带的高度增量较为明显，并且裂隙带岩层受采动影响后稳定性变差， 从而导致其工作面矿压现象发生变化。 2、通过对煤柱应力特征的分析，得出煤柱在复采过程中要经历三个过 程，依次为①复采工作面前方支承压力和煤柱另一侧支承压力互不影响 阶段。②复采工作面前方支承压力和煤柱另一侧支承压力相互影响阶段。 ③煤柱两侧压力相互叠加并导致煤柱失稳阶段。尤其需要注意第三阶段， 煤柱失稳会严重的影响工作面的安全生产。 3、通过相似模拟实验并分析岩层的受力情况得出煤柱区的峰值压力 表现为煤柱两侧应力集中程度大于煤柱中部应力集中程度。残采区内超前 支承压力显现不明显，支承压力受煤柱结构性失稳影响较大，尤其是在煤 柱发生完全垮落时，其上覆岩层完全垮塌对采空区内产生的附加载荷较为 明显。煤柱区在复采前，其应力集中程度较明显，并且在复采工作面推进 过程中，煤壁前方有明显的超前支承压力的存在，但在液压支架完全推过 以后，其采空区内压力减小，甚至降低为零，产生这种现象的主要原因是 I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于煤柱上覆岩层在发生台阶垮落以后，煤柱两侧形成“倒梯形”结构， 该结构体的梁板结构两侧受到较大的支撑作用，从而对下方空区产生的载 荷减小。由相互作用力原理可知，在残采区和采空区对煤柱上方的梁板形 成支撑结构的同时，上方的梁板给工作面前方残采区以作用力，同时煤柱 垮塌导致上覆岩层整体垮塌，从而使得靠近煤柱一侧的残采区应力较煤柱 另一侧采空区应力大。 4、基于液压支架和围岩相互作用体系现有理论，分别分析了残采区和 煤柱区液压支架所承受的载荷。当位于煤柱区时，液压支架在出煤柱时所 承受的载荷最大，最大载荷达到液压支架初撑力的 9 倍，对复采工作面的 安全生产影响较大。 关键词关键词理论分析；相似模拟；复采工作面；支承压力；液压支架工 作阻力 II 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 THE RESEARCH ON STRATA BEHAVIOR CHARACTERISTICS OF THICK COAL SEAM ACROSS COAL PILLAR MINING FACE ABSTRACT This passage based on the existing rock mechanics and stope rock control theory and a large number of previous experimental studies, It analyzes the work of the longwall single layered artificial caving coal in the three mining areas of Baigou Coal Mine by theoretical analysis and similar simulation.The characteristics of mine pressure phenomenon in the mining face of the old mining area are analyzed as follows 1、through the recovery of the face through the residual mining area when the overlying strata of the collapse zone, fracture zone and bending subsidence zone analysis. It is understood that the height of the “longitudinal zone“ of the overburden is increased. Especially the height of the caving zone and the fissure zone is more obvious, and the stability of the fracture zone is affected by the influence of the mining, which leads to the enhancement of the ground pressure phenomenon and the decrease of other strata pressure. 2、It analysis of the stress characteristics of the coal pillar, it is understood that the coal pillar undergoes three processes in the process of re-mining, followed by ① supporting the pressure in front of the mining face and the other side of the pillar bearing pressure does not affect each other stage. ② support the pressure in front of the face and the other side of the pillar support the pressure of mutual influence stage.③ the pressure on both sides of the coal III 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 pillars superimposed on each other and lead to coal pillar instability stage. In particular, attention should be paid to the third stage, coal pillar instability will seriously affect the safety of the face. 3、It show that the peak pressure in the coal pillar area is the largest, and the stress concentration on both sides of the coal pillar is greater than that in the middle of the coal pillar. The bearing pressure in the residual mining area is not obvious, and the bearing pressure is greatly affected by the structural instability of the coal pillar. Especially when the coal pillar is completely collapsed, the overburden layer completely collapses to the additional load generated in the goaf More obvious. The pressure concentration of the coal pillar area before the recovery is obvious, and there is obvious advance bearing pressure in the front of the coal wall during the advancement of the mining face, but after the hydraulic support is completely pushed, the goaf The pressure is reduced or even reduced to zero, the main reason for this phenomenon is due to the coal pillar overlying strata after the occurrence of steps after the collapse of the pillars on both sides of the ation of “inverted trapezoidal“ structure, the structure of the beam structure of two The side is subjected to a greater supporting effect, so that the load generated by the lower empty area is reduced. By the principle of interaction, we can see that in the residual mining area and the goaf area, the support structure of the beam above the coal pillar is ed, and the upper beam plate is forced to the residual area in front of the working face, and the coal pillar collapses The rock ation as a whole collapses, so IV 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 that the stress on the left side of the coal pillar is larger than that on the left side of the pillar. 4、Through the analysis of the existing theoretical analysis of the hydraulic support and the surrounding rock interaction system, the load of the hydraulic support in the residual mining area and the load of the hydraulic support in the coal pillar area are analyzed respectively. When the pillar is located in the coal pillar area, the hydraulic support in the pillars bear the maximum load, the maximum load increment may reach the hydraulic support average load of 9-10 times the impact on the safety of the mining face a greater impact. Key Words theoretical analysis; similar simulation; recycling face; support pressure ; hydraulic support work resistance. V 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 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 课题的提出 ....................................................................................................................... 1 1.2 关于残煤复采研究现状及存在的问题 ........................................................................... 2 1.2.1 残煤复采研究现状 .................................................................................................... 2 1.2.2 普采所形成的残采区研究不足 ................................................................................ 4 1.3 本文的主要研究内容 ....................................................................................................... 5 第二章第二章 井田概况及残煤复采方式分析井田概况及残煤复采方式分析 .................................................................................. 7 2.1 原煤层赋存状态及旧式开采方式 ................................................................................... 7 2.1.1 旧采采煤方法及工作面布置情况 ........................................................................... 7 2.1.2 煤岩体的物理力学特征 ........................................................................................... 8 2.2 旧采区煤岩赋存现状分析 ............................................................................................ 10 2.3 复采方式分析 ................................................................................................................. 11 2.4 本章小结 ......................................................................................................................... 14 第三章第三章 复采工作面上覆岩层运移规律及力复采工作面上覆岩层运移规律及力学分析学分析 .......................................................... 15 3.1 残采区“纵三带”变化及其矿压显现特点分析 ........................................................ 15 3.1.1 残煤复采对“纵三带”分布的影响 ..................................................................... 15 3.1.2 “纵三带”与煤壁前方支承压力关系分析 ......................................................... 17 3.2 煤柱区复采工作面应力特征分析 ................................................................................ 19 3.2.1 煤柱应力分布特征分析 ......................................................................................... 19 3.2.2 复采过程中煤柱前方支承压力分布特征分析 ..................................................... 22 3.3 基于支架与围岩相互作用关系的支架工作阻力确定 ................................................ 25 3.4 本章小结 ........................................................................................................................ 29 第四章第四章 相似模拟实验研究相似模拟实验研究 .................................................................................................. 31 4.1 实验内容及目的 ............................................................................................................. 31 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 4.2 相似比尺的确定及模型的制作 .................................................................................... 31 4.2.1 试验装备 .................................................................................................................. 31 4.2.2 试验模型制作过程 ................................................................................................. 31 4.3 相似模拟实验设备及方案 ............................................................................................ 35 4.3.1 实验台简介 .............................................................................................................. 35 4.3.3 模型的变形测试方案 .............................................................................................. 37 4.3.4 煤岩体应力测试系统及测试方案 .......................................................................... 38 4.3.5 回采系统 .................................................................................................................. 40 4.4 本章小结 ........................................................................................................................ 41 第五章第五章 模型开挖与实验结果分析模型开挖与实验结果分析 ....................................................................................... 43 5.1 旧采区残存现状 ............................................................................................................ 43 5.1.1 模型开挖及残采区的形成 ...................................................................................... 43 5.1.2 残煤复采地质情况相似模拟研究 ......................................................................... 44 5.2 上覆岩层移动变形规律 ................................................................................................ 45 5.2.1 垮落步距及覆岩“纵三带”变化情况 .................................................................. 46 5.2.2 上覆岩层移动变形情况分析 ................................................................................. 48 5.3 复采采场支承压力演变关系 ........................................................................................ 54 5.4 液压支架工作阻力变化情况 ........................................................................................ 60 5.5 本章小结 ........................................................................................................................ 61 第六章第六章 结论与不足结论与不足 ............................................................................................................. 63 6.1 结论 ................................................................................................................................ 63 6.2 存在的不足 .................................................................................................................... 64 参考文献参考文献 .................................................................................................................................. 65 致致 谢谢 ...................................................................................................................................... 71 攻读硕士学位期间发表的学术论文攻读硕士学位期间发表的学术论文 ..................................................................................... 72 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1.1 课题的提出课题的提出 我国是煤炭生产大国也是煤炭消费大国。在我国的能源结构中，煤炭资源占有主要 的地位。 我国煤炭资源总储量相对较大， 但是我国人口众多， 人均煤炭资源占有量极少， 而我国又贫油少气， 虽然南海蕴含着大量的油气资源， 但是由于受到技术条件等的影响， 该部分资源有待进一步的开发。就目前而言，煤炭资源仍然在我国占有主导地位。随着 煤炭资源的不断采出，浅部煤炭资源逐渐减少，更多的矿井选择深部开采[1-7]。而深部 开采受地质条件影响较大，且吨煤成本相对较高[6-9]。然而我国上世纪九十年代以前， 由于生产设备落后，采煤方法主要采用巷柱式或者是刀柱式采煤方法，该采煤方法对煤 炭资源造成了极大的浪费，尤其是厚煤层的巷柱式开采，其采区回采率往往不超过 30[6-11]。在我国目前现有的采煤技术及设备条件下，该部分资源是完全可以开采出来 的。综上所述，随着我国浅部煤炭资源的逐渐减少，对于旧采区残留煤炭资源的复采变 得越来越迫切。 对部分有条件的矿井实施残煤复采，一方面能够有效地延长矿井的服务年限，使得 矿区周围的人民及依靠矿区发展的企业得到较长的转型期，促进矿区的长期繁荣发展。 另一方面，多数矿井旧采区的残留煤炭资源为优质的主焦煤或者是无烟煤等，如圣华煤 业的旧采区残存的煤炭资源就是我国享有“兰花炭”美誉的无烟煤，对这部分资源的回 收，具有较大的经济价值和资源效益。所以，对旧采区煤炭资源的回收既有利于矿区的 长期繁荣发展，又能够回收宝贵的煤炭资源。有利于我国煤炭行业长期健康的发展。 20 世纪中期，随着机械化的发展，我国的采煤方法曾一度以普采采煤方法为主。 但是由于普采单体液压支柱的伸缩量及高度有限，采高一般不超过 3m，尤其对于厚煤 层，常常需要采用分层开采的方法采煤[1-2]，然而对于部分矿井，处于自身经济角度的 考虑，通常将厚煤层中部分煤质相对较差或者含有夹矸较多的分层遗弃。而对于大部分 采用分层开采且顶底板条件较差的矿井，通常会遗弃部分的顶煤或部分的底煤，对煤炭 资源造成了极大地浪费。随着煤炭资源的日益减少及区域经济发展的需要，对这部分资 源的回收迫在眉睫。 1 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 对旧采开采区域煤炭资源的回收不但能够使得资源得以充分利用， 而且对实现我国 煤炭资源的健康可持续发展、促进地方经济的持续繁荣都具有重要的意义。但是实现这 类残煤复采安全高效生产的影响因素有很多，包括煤层松散破碎引起的片帮、顶板破碎 引起的冒顶、矿山压力显现的不规律性和过残留煤柱时液压支架受力复杂等，这些因素 在一定程度上制约了残煤复采的发展。到目前为止，残煤复采多数研究了房柱法开采所 形成的残采区的开采方法及其矿压显现规律。 但是对于普采采煤法所形成的残采区域研 究较少，对于这部分内容的研究，对建立系统完善的残煤复采体系至关重要。 1.2 关于残煤关于残煤复采复采研究现状及存在的问题研究现状及存在的问题 1.2.1 残煤复采残煤复采研究现状研究现状 1、采场上覆岩层结构模型及运移规律研究 （1）在采煤工作面推进过程中采场围岩涉及到岩体的力学性质及其原岩应力场等 复杂的力学情况，因而人们对各种矿山压力情况提出了各种不同的假说。最早的矿山理 论主要有“压力拱”假说和“悬臂梁”假说[2-5]，其中， “压力拱”假说认为在回采工作 面上方，岩层在采动影响以后，在自然作用下形成了拱形结构，其中，拱角一侧位于采 空区垮落的矸石上方，而另一侧则位于工作面前方的煤壁内。该拱形结构支承上覆岩层 重力，而工作面支架则支承“压力拱”内部的岩块重量。 “悬臂梁”假说认为工作面上 方岩块形成了一端位于工作面煤壁前方而另一端为悬露状态的悬臂梁结构。 该结构随着 工作面的不断推进， 裸露长度过长时发生结构性破坏， 从而产生了顶板的周期来压[2-10]。 该理论能够较好的解释工作面的周期来压现象、 工作面超前支承压力现象以及工作面靠 近煤壁处顶板变形量小等现象。 但是却不能解释上覆岩层活动规律， 具有一定的局限性。 在进入 20 世纪 50 年代以后， 随着人们对采矿活动的认识以及采用长壁工作面回采 时矿压现象的了解，提出了“铰接岩块”假说和“预成裂隙”假说[2-10]。其中， “铰接 岩块”假说分析了上覆岩层垮落以后的分带情况，并通过岩层的分带解释了支架围岩相 互作用过程， 分析了支架围岩相互作用过程中的 “给定载荷状态” 和 “给定变形状态” ， 初步分析了上覆岩层的垮落结构，但是没有深入的分析铰接岩块之间的力学关系。而同 一时期的“预成裂隙”假说则解释了破断岩块之间的相互作用关系，其认为在采动影响 作用下，回采工作面上覆岩层发生破坏形成了假塑性梁结构，该结构的裂隙在挤压状态 2 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 下能够以梁结构的形式存在，而随着工作面的推进而发生假塑性弯曲，在上下岩层下沉 量不一致时，就有可能形成离层现象。同时也分析了工作面水平方向上所形成的“横三 区” 。 我国学者在上世纪七八十年代在总结前人成果的基础上， 并通过顶梁的现场经验及 研究，提出了“砌体梁”结构模型，并重新定义了“横三区”和“纵三带” 。其中，将 上覆岩层按照破坏情况从上到下依次划分为裂隙不发育的弯曲下沉带、裂隙发育但是 排列整齐的裂隙带和冒落以不规则状态排列的垮落带。 在水平方向上沿着工作面的推进 方向从采空区到工作面前方煤壁依次划分为位于采空区的重新压实区、位于工作面上 方的离层区和位于工作面煤壁前方的煤壁支承区。在对岩层分区划带的基础上，分析了 岩层垮落以后岩梁因为摩擦、咬合等作用形成的“砌体梁”结构。在解释上覆岩层形成 的矿压现象时引入了关键层与关键块理论，将工作面采动影响下，上覆岩层中坚硬的顶 板岩层称之为关键层[10-18]。关键层下方的容易破碎的软岩在分析时作为载荷处理，我国 的钱鸣高等[5-9]在此基础上对砌体梁结构进行了受力分析，进而提出了覆岩的关键块理 论。在此基础上提出了覆岩的关键块的“S-R”理论以及关键层理论，完善并发展了“砌 体梁”理论。 2、残煤复采研究现状 我国上世纪七八十年代以前小窑的旧采方式主要以巷柱式开采为主， 部分小煤矿私 挖乱采，对我国的煤炭资源造成了极大地浪费。巷柱式开采方式通常是以掘代采，在掘 进过程中通过扩帮等形式采煤，该方法采出率极低，甚至达不到 30，该采煤方法所形 成的残采区域在复采过程中主要考虑空巷的积水积气问题、 空巷围岩的稳定性研究以及 煤柱的稳定性研究等等。 具有代表性的有弓培林等对圣华煤业残煤复采工作面过空巷的 研究。 而上世纪中后期，随着我国采掘机械的发展，普采采煤方法在我国兴起，普采采煤 方法由于受到其采高及顶板条件的影响，对采空区的处理方式主要有完全垮落法、刀柱 式和充填采煤方法等[19-20]。对于厚煤层，受到采高的制约，通常采用分层开采的方式， 由于部分煤矿挑肥拣瘦， 对部分经济价值相对较低的分层直接弃采等造成了煤炭资源的 极大浪费。随着我国煤炭资源的日益减少及部分优质煤炭资源的枯竭，对旧采所形成的 残采区域进行复采变得越来越迫切，但是我国的专家学者在这方面的研究不够充分。 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3、煤柱稳定性研究现状分析 翟新献等[21 ，32]建立了残采区域的煤柱力学模型，将旧采区的煤柱受理问题简化为 平面应力问题。 分析采动影响作用下煤柱两侧塑性区域的宽度变化及及影响其宽度的主 要因素[16 、20]。 宋保胜[22]主要通过现场实测等方法对莒山煤矿采用刀柱式所形成的残采区域进行 了研究，研究表明，在煤柱宽度较小时，煤柱内部多数区域处于强度破坏阶段，煤柱片 帮现象严重，且煤柱内部以剪切破坏为主。当煤柱宽度较大时，煤柱两侧虽然发生塑性 变形破坏，但是其核区依旧能够保持支承能力。通过现场实测发现，刀柱在小于 5m 时 煤柱会发生破坏，而煤柱的宽度大于 8m 时，能够保持完整。 冯国瑞[23-25]对煤柱的稳定性进行了分析研究， 指出了煤柱的强度与煤柱的宽度之间 的关系， 同时也引用了波兰学者的理论认为煤柱的宽高比在大于 2 时能够保持较好的稳 定性。并对不同条件下煤柱的合理宽度进行了分析研究。 张百胜[26]在博士论文中对充分采动和非充分采动情况下煤柱的荷载情况进行了详 细的理论分析研究。并指出了在极近距离煤层开采条件下，煤层上方为散体-块体结构 时，煤壁前方难以形成较高支承压力，同时简要指出了直接顶上方的载荷和垮落带之间 的关系。 张小强[27-30]通过二维平面模拟及三维立体相似模拟实验研究， 分析了覆岩运移规律 及煤柱之间的关系，指出当工作面与空巷之间的煤柱发生失稳破坏时，岩层空巷及空巷 前方的弹塑性状态的煤体开始发生移动变形，且随着空巷宽度的增大，其变形量越大。 并运用关键块理论对煤柱的稳定性进行了深入分析。 1.2.2 普采普采所所形成的残采区形成的残采区研究不足研究不足 尽管国内外的专家学者在残煤复采方面做了大量的研究[31-48]， 但是对于由于普采工 作面所形成的旧采区研究较少，所建立的复采工作面更是寥寥无几，影响旧采区的影响 因素较多，主要可以分为以下几方面 （1）顶板控制困难。旧采区域采用长壁工作面回采时，长壁工作面长度通常在 70m-150m，工作面上覆岩层发生了大面积的垮落，垮落顶板破碎不易支护，在复采工 作面推进过程中极易发生冒顶事故。 （2）工作面片帮可能性增大。复采工作面前方煤壁上部通常为垮落的顶煤，煤壁 4 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 下部通常是之前采煤