近距离煤层上行开采裂隙场演化规律研究及应用.pdf

贵 州 大 学 2019 届硕士研究生学位论文 近距离煤层上行开采裂隙场演化 规律研究及应用 学科专业 采矿工程 研究方向 采矿工程 导 师 刘萍副教授 研 究 生 刘怀谦 中国﹒﹒贵州﹒﹒贵阳 2019 年 06 月 分 类 号 TD325 论文编号 2016022074 密 级 公开 万方数据 贵州大学硕士学位论文 目录 I 目录目录 摘要 ........................................................................................................................ 1 ABSTRACT ........................................................................................................... 3 绪论 ....................................................................................................... 6 1.1 研究背景及意义 ................................................................................ 6 1.2 国内外研究现状 ................................................................................ 7 1.2.1 近距离煤层上行开采研究现状 ................................................. 7 1.2.2 采动裂隙场演化理论及实践研究现状 ................................... 10 1.2.3 采动作用下巷道围岩控制理论与技术现状 ........................... 12 1.3 已有研究的不足 .................................................................................... 13 1.4 课题研究方法、内容与技术路线 .................................................. 14 1.4.1 研究方法 .................................................................................... 14 1.4.2 研究内容 ................................................................................... 14 1.4.3 技术路线 ................................................................................... 15 1.5 本章小结 .......................................................................................... 15 采动裂隙场演化与巷道围岩变形规律理论分析 ............................. 16 2.1 采动裂隙场变形破坏形式 .................................................................... 16 2.2 采动裂隙场划分类型 ............................................................................ 17 2.2.1 采动裂隙场的“三带”划分 ......................................................... 18 2.2.2 垮落带及导水裂隙带空间分布形态 ......................................... 18 2.2.3 采动裂隙场的“三区”划分 ......................................................... 20 2.3 巷道侧向应力分布及围岩裂隙变形规律研究 .................................... 21 2.4 本章小结 ................................................................................................ 22 上行开采裂隙场演化规律数值模拟研究 ......................................... 23 3.1 矿井概况 ................................................................................................ 23 3.1.1 井田位置 ..................................................................................... 23 3.1.2 工程概况 ..................................................................................... 23 3.1.3 煤岩体物理力学参数的确定 ..................................................... 26 3.2 采场覆岩运动的数值模拟研究 ............................................................ 26 3.3 基于有限差分法的岩层运动数值模拟研究 ........................................ 26 3.3.1 FLAC3D 有限差分模型的建立 ................................................ 26 万方数据 贵州大学硕士学位论文 目录 II 3.3.2 FLAC3D 数值模拟结果分析 .................................................... 27 3.4 基于离散元法的岩层运动数值模拟研究 ............................................ 29 3.4.1 UDEC 离散元模型的建立 ......................................................... 29 3.4.2 重复采动下裂隙场移动演化规律 ............................................. 30 3.4.3 重复采动下裂隙场分布演化规律 ............................................. 32 3.4.4 重复采动下岩层位移规律研究 ................................................. 34 3.5 本章小结 ................................................................................................ 36 “三角封闭”结构及支护技术研究 ..................................................... 38 4.1 原支护条件下巷道实际变形 ................................................................ 38 4.1.1 20701 工作面基本概况 .............................................................. 38 4.1.2 原支护参数下巷道变形特征 ..................................................... 38 4.1.3 原支护参数下巷道变形实测结果 ............................................. 39 4.2“三角封闭”结构的力学分析 ................................................................. 42 4.3 基于离散元法的原支护参数巷道变形的数值模拟 ............................ 45 4.3.1 围岩巷道原支护方案参数 ......................................................... 45 4.3.2 原支护参数下巷道变形数值模拟 ............................................. 46 4.4 基于离散元的支护参数优化后巷道数值模拟 .................................... 47 4.4.1 支护优化方案 ............................................................................. 47 4.4.2 支护参数优化后巷道变形数值模拟 ......................................... 49 4.4.3 支护参数优化后围岩位移矢量及塑性区分布 ......................... 51 4.5 本章小结 ................................................................................................ 53 支护优化效果分析 ............................................................................. 55 5.1 支护优化后巷道位移对比分析 ........................................................... 55 5.2 支护优化后巷道变形实测分析 ........................................................... 57 5.3 本章小结 ................................................................................................ 58 结论与展望 ......................................................................................... 59 6.1 主要结论 ................................................................................................ 59 6.2 创新点 .................................................................................................... 60 6.3 展望 ........................................................................................................ 60 致谢 ...................................................................................................................... 61 参考文献 .............................................................................................................. 62 万方数据 贵州大学硕士学位论文 目录 III 附录攻读硕士期间研究成果 .......................................................................... 68 万方数据 贵州大学硕士学位论文 摘要 1 近距离煤层上行开采裂隙场演化规律研究及应用近距离煤层上行开采裂隙场演化规律研究及应用 摘要摘要 我国近距离煤层分布广泛， 资源储量丰富。 但是， 由于近距离煤层间距较小， 加之煤层工作面综合机械化程度增高促使推进速度加快， 不论是单一采动还是重 复采动，都会对围岩造成一定的破坏形成采动裂隙场，而这些采动裂隙不仅是地 下水、瓦斯气体运移的通道，并且对巷道围岩稳定性有极大的影响。尤其，贵州 省部分地区煤层数多，煤矿地质条件、煤层赋存及性质等更为复杂，采面及巷道 顶板事故、透水事故以及煤与瓦斯突出或瓦斯爆炸等灾害事故时有发生。 因此， 本文结合贵州省桐梓县某煤矿水文地质概况和 20701 回采工作面及其 回采巷道实际概况，通过采矿工程、岩石力学、数值仿真等多学科理论相结合， 采用现场实测、理论分析、数值模拟及工程应用相结合的方法进行煤层采动裂隙 场和围岩控制的研究基于前人的研究基础，结合矿井概况及煤岩层物理力学性 质，对目标矿井进行数值模拟，针对其裂隙场演化导致的巷道围岩破坏特征进行 分析，针对其破坏特征，对其巷道围岩控制提出合理性建议并应用于工程实践， 加强其巷道围岩稳定性，具体结论阐述如下 （1）近距离倾斜煤层工作面被开采完毕后，煤层工作面两侧均出现应力集 中区，但煤层工作面下部垂直应力远远大于煤层工作面上部，随着采煤工作面持 续推进，由于煤岩层的物理力学性质不同，上覆岩层开始出现弯曲下沉现象，直 至工作面推进距离超过出上覆岩层的极限强度，达到岩梁极限垮落步距时，上覆 岩层出现垮落，此时，垮落的覆岩失去其连续性，在采空区煤壁和实体煤柱侧的 上覆岩层分别受力形成悬臂梁结构，当回采工作面继续推进时上覆岩层垮落，在 实体煤柱侧和采空区形成类似三角形的空间结构--“三角封闭”结构。 （2）巷道断面检测数据一方面说明倾斜煤层上行开采半煤岩回采巷道受重 复采动影响，位于工作面下部的巷道在“三角封闭”结构中（回采巷道切顶位置） 沿煤层倾向呈现非对称大变形特征，且原支护方案参数下，巷道围岩变形剧烈表 现出 3 个特征巷道变形破坏持续时间长久，呈现阶段蠕变特征，回采巷道部分 区段开挖至今已经历多次翻修，并采取多种翻修支护方式，但效果并不明显；巷 道断面变形收缩剧烈且巷道表面围岩破碎、 易片落， 具体表现为顶板下沉、 底鼓、 两帮内挤等现象，并且多次挖底后仍鼓出明显；锚杆、锚索等结构元件失效如 锚杆、锚索拉伸破坏，托盘与锚杆体分离，钢丝网与托盘连接处出现剪切破坏等 万方数据 贵州大学硕士学位论文 摘要 2 现象。另一方面，在现有支护技术下围岩应力集中、巷道围岩变形剧烈且难以控 制，现急需一种有效的巷道围岩控制技术以保证正常工作面回采和接替。 （3）针对回采巷道支护优化方案进行数值模拟，对比分析了锚喷和超前注 浆锚喷复合支护效果， 超前注浆锚喷复合支护结构有效减小了巷道变形及位移 量，通过注浆将破碎围岩体进行加固提高自身承载能力，为锚杆提供可锚的稳定 基础，最终锚喷区和注浆区共同形成强承载拱，锚索区域形成弱承载拱，能有效 控制巷道围岩破坏变形。 关键词关键词近距离倾斜煤层；上行开采；裂隙场； “三角封闭”结构；巷道支护 万方数据 贵州大学硕士学位论文 摘要 3 Research on Evolution Rule of Fracture Field and Application in Close Distance and Inclined Coal Seam Mining ABSTRACT Close distance coal seams are widely distributed and rich in resources in China. However, due to the small spacing between the coal seams at close distances and the comprehensive mechanization of the coal seam working face, the propulsion speed is accelerated. Whether it is single mining or repeated mining, some damage will be caused to the surrounding rock to the mining fracture field. the fracture not only have an impact on the stability of roadway surrounding rock, but also a channel for groundwater and gas migration. In particular, the majority of coal seams in Guizhou Province, coal mine geological factors, coal seam occurrence and characteristics are more complex, roof accidents, water seepage accidents and gas outbursts or gas explosions and other disasters occur. Therefore, this paper combines the actual geological profile of a coal mine in Tongzi of Guizhou Province and the 20701 mining face, through the combination of mining engineering, rock mechanics, numerical simulation and other multidisciplinary theories, using field investigation, theoretical analysis, numerical simulation. The combined is used to study the fracture field of coal seam mining to analyze the failure mechanism of surrounding rock of the roadway. According to its failure mechanism, it puts forward reasonable suggestions for the surrounding rock control of the roadway and strengthens the stability of surrounding rock of the roadway. The details are as follows 1 After the mining face of the close distance and inclined coal seam is mined, the stress concentration zone appears on both sides of the coal seam working face, but the vertical stress in the lower part of the working face is much larger than the working face of the coal seam; With the continuous propulsion of mining work, due to the different physical and mechanical parameters of each rock layer, the overburden began to appear to be bent and sinked until the advancing distance exceeded the ultimate strength of the overburden, the overlying strata were reached when the 万方数据 贵州大学硕士学位论文 摘要 4 ultimate gradient of the rock was reached. At the same time, the fallen overburden lost its continuity. The overburden rock on the side of the coal wall and the coal pillar in the gob was respectively forced to a cantilever beam structure, thus on the side of the coal pillar and the gob. a triangular-like spatial structure --“triangular closed“ structure. 2 On the one hand, the monitoring results of the roadway section indicate that the mining roadway of the semi-coal-rock mining in the inclined coal seam is affected by multiple factors, the roadway located in the lower part of the working face is severely deed in the “triangular closed” structure. Under the condition of the original support scheme, the deation of the surrounding rock violently reflects three characteristics the deation and destruction of the roadway lasts for a long time, the excavation of the section of the mining roadway has undergone many renovations and has adopted various renovation and support s, but the effect is not obvious; the deation of the top and bottom plates is serious and the surrounding rock on the roadway surface is broken, which is characterized by the sinking of the roof ,the bottom heave and the internal squeezing of the two gangs; A large number of failures occurred in the components the bolts and anchor cables were broken, the trays were separated from the anchor rods, the joints between the steel mesh and the tray were cut. On the other hand, under the existing mining technology conditions, the surrounding rock of the roadway is severely deed and difficult to control effectively. It is urgent to find an effective roadway surrounding rock control technology. 3 The numerical simulation of the optimization scheme of mining roadway support is carried out, the effect of anchor spray and advanced groutinganchor-spray composite support is compared and analyzed. advanced groutinganchor-spray composite support structure effectively reduces the deation and displacement of the roadway. The grouting is used to reinforce the crushed surrounding rock to improve its own carrying capacity, provide a stable foundation for the anchor, finally the anchor spray zone and grouting area s a strong bearing-arch together, the weak bearing-arch is ed by the anchor cable zone, which can effectively control the surrounding rock deation of the roadway. 万方数据 贵州大学硕士学位论文 摘要 5 Key words Close distance and inclined coal seam; Upward mining; Fracture field; “Triangular closed” structure; Roadway support 万方数据 贵州大学硕士学位论文 绪论 6 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 作为资源大国，中国的能源构成具有富煤、贫油、少气的特点，因此，经济 发展仍然主要依赖于煤炭资源， 煤炭资源能否安全有效开采在国民经济发展中具 有深远的影响。 据国务院办公厅颁发的 能源发展战略行动计划 （2014-2020 年） 中，明确规定至 2020 年，我国煤炭资源消耗总量要控制在 42 亿吨以下，煤炭消 耗占能源消费总量的 56.5；在中国可持续能源发展战略研究报告中，众多 学者和工程技术人员认为， 至本世纪中叶煤炭在一次性能源生产和消费中所占比 仍高于 50。 由此总结， 煤炭能源在未来一段时间内仍将是我国经济发展中主要 能源的来源之一。 虽然，我国近距离煤层分布范围广，资源储量丰富。但是，由于近距离煤层 之间间距较小，加之煤层工作面综合机械化程度增高加快推进速度，不论是单一 采动还是重复采动，都会对围岩造成一定的破坏而形成采动裂隙场，而这些采动 裂隙的分布及裂隙所涉及岩体运动形态不仅是地下水、瓦斯气体运移的通道，并 且对巷道围岩稳定性有极大的影响。尤其，贵州省部分地区煤层数多，煤矿地质 条件、煤层赋存及性质等更为复杂，顶板事故、透水事故以及煤与瓦斯突出或瓦 斯爆炸等灾害事故时有发生。 据不完全统计， 贵州省煤矿 2005 年-2014 年发生灾 害事故共 2534 起，其中，顶板事故 1338 起，死亡人数 1575 人；瓦斯事故 344 起，死亡人数 1166 人；运输事故 421 起，死亡人数 449 人，如图 1.1 所示矿山 安全事故威胁巨大，同时还对国民经济发展和社会秩序稳定造成了负面影响。 综上所述，本文拟从贵州省某矿为工程背景，对近距离煤层上行开采深入研 究，分析开采过程中围岩应力、卸压区域范围、裂隙演化特征、裂隙所涉及岩体 运动形态及塑性分布区，提出剧烈变形的回采巷道优化支护方案，从而减少回采 巷道冒顶、片帮等顶板事故，且对节约巷道支护成本具有重要意义。 万方数据 贵州大学硕士学位论文 绪论 7 （a） （b） 图 1.1 2005-2014 贵州省事故类型及死亡人数占比 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 随着中东地区煤炭资源日益枯竭， 许多大型煤炭集团和企业向煤炭资源丰富 的西南地区进军[1-2]，而西南地区煤层赋存的特殊性（煤层层数多涉及开采顺序 的选择）及地形、地势复杂多变（多山地丘陵，涉及采动裂隙演化及分布） ，开 采煤层围岩破坏特征、 演化规律和随之而来的回采巷道的支护问题是众多学者和 专家研究的热点， 如何依据围岩破坏特征和采动裂隙场演化规律具有针对性的进 行围岩控制和回采巷道有效支护成为西南地区煤炭开采研究的重要任务。 1.2.1 近距离煤层上行开采研究现状近距离煤层上行开采研究现状 在海外煤炭生产领域中，主要煤炭生产国对煤层（群）上行开采进行了大量 现场及实验室研究。20 世纪初期，波兰学者捷赫维茨认为煤层间距大于下部 万方数据 贵州大学硕士学位论文 绪论 8 煤层采高或厚度 12 倍时， 即 H 等于 12M， 煤层上行开采可行； 克鲁宾斯提出 层间距与下部煤层采高或厚度成一次函数关系，认为当采高 M 小于 1.5m 时，层 间距应满足 H 等于 2M； 采高 M 小于 1.5m 时， 层间距 H 等于 8M。 胡德克提出 层间距与采高为正比关系，与破碎后矸石压缩率及岩石碎胀性系数成反比。马克 叶夫斯基认为下部煤层采高的平方和煤层间距为一次函数关系，煤层间距与岩 石碎胀性系数成反比。 前苏联实施煤层上行开采实例之一的库兹巴斯矿区， 采用煤层上行开采方法， 并取得成功，而且得到了丰富的实践经验及成果[3]。 在煤层上行开采方面，美国学者综合了考虑了更加齐全的指标。1951 年， 美国的 Heasley[4]对上下煤层的相互作用进行观察，提出了影响煤层上行开采的 影响因子。Stemple[5]对美国东部煤田，调查整理了大量煤层上行开采的实例，发 现下位煤层开采对上位煤层形成开采扰动， 而且提出上下煤层开采合理的间隔时 间对上行开采具有重要意义。Dunham 等[6]在研究煤层上行开采时，分析了各指 标因子对煤层上行开采的影响，提出计算巷道变形破坏程度权威性公式。 1983 年，Webster[7]对上行开采的影响因素进行分析，最终得出煤层损害系 数公式为 DF1239Y-18.83X 式中DF上部煤层损害系数；X下部煤层回采率；Y煤层间隔与下部 煤层埋深比值。 Jun[8]提出了 CMRR 判别法分析上行开采的可行性。 我国工程技术人员和学者对上行开采进行了大量调研和研究， 一些矿区成功 进行了试采，并获得了丰富的实践经验和研究成果。 钱鸣高院士等[9]通过工程实践和理论分析等方法相结合， 从支架-围岩结构进 行分析，将采动岩体分为“三区” 、 “三带” ，并通过围岩平衡理论进行上行开采 机理分析， 将围岩平衡法为煤层上行开采的准则。 刘天泉院士[10]根据国内外大量 上行开采实例，得出上行开采 4 条主要经验，并提出上行开采的基本条件与遵守 原则。汪理全等[11-13]对煤层群开采实施垮落采煤，并运用多种判别方法（数理统 计分析法、 “三带”判别法等）对煤矿上行开采研究，分析上行开采顶板岩层的 变化，论述上行开采的可行性条件。宋振骐等[14]基于相似材料模拟实验、数值分 析和工程应用的基础，分析了缓倾斜煤层群上行开采影响指标，并提出采掘工作 面应根据支承压力分布规律和顶板岩层运动特征进行合理布置。 朱鲁等[15]运用钻 孔分段注水测漏装置， 对杨庄煤矿下部煤层所形成的裂隙带发育状况进行实地测 万方数据 贵州大学硕士学位论文 绪论 9 量，对数据进行分析，得出煤层上行开采的可行性评判指标。并认为其稳定性取 决于底板关键层的稳定性。 蒋金泉等[16-17]基于采动系数， 将上行开采划分为不同 区域不可采区、基本层间距、准上行开采及正常上行开采 4 个区间。 近年来，国内有大量学者在以前的研究基础上对上行开采进一步研究，成果 如下 马立强等[18-19]在分析近距离煤层群上行开采影响因子时， 运用区别于传统煤 层群上行开采的分析判别方法，将理论分析、数值模拟、相似材料模拟试验以及 工业性试验相结合的方法， 对开采时上位煤层顶板的岩层运动形态和上行开采的 关系进行了详细分析。 石永奎[20]运用 RFPA 数值模拟软件对深井近距离煤层上行开采上部煤层回 采巷道应力状态进行分析，结合现场实测顶板裂隙带高度，分析了回采巷道的稳 定性，结果表明上行开采时上位回采巷道卸压效果显著。 冯国瑞等[21-25]分析了现有上行开采可行性判定方法的不足， 对上行开采可行 性分析的理论及方法进行了创新，提出以岩层控制上行开采可行性的关键，运用 矢量分析法或具体控制层判别方法来充分考虑煤层层位开采顺序关系的相互作 用。 张百胜[26]针对太原东山煤矿 12 号煤层进行了上行开采工程实例研究，运用 采动影响系数法和数理统计公式， 最终得出上行开采合理层间错距及支承压力分 布规律。 韩军等[27-28]针对开滦矿区近距离煤层群上行开采实例进行分析研究， 将上行 开采可行性分析评价指标定量化，运用多元回