急倾斜煤层综放面顶板失稳规律及控制研究.pdf

万方数据 西安科技大学硕士学位论文 万方数据 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 万方数据 目 录 I 目目 录录 1 绪论 .................................................................................................................................. 1 1.1 选题背景及研究意义 .................................................................................................. 1 1.1.1 选题背景 ........................................................................................................... 1 1.1.2 选题意义 ........................................................................................................... 1 1.2 本论文研究领域国内外的研究 ................................................................................. 2 1.2.1 国内岩层失稳致灾研究进展 .......................................................................... 2 1.2.2 国外顶板控制方法与技术发展 ...................................................................... 2 1.2.3 国内充填开采方法与技术发展 ...................................................................... 3 1.3 论文研究的主要内容及方法 ..................................................................................... 7 1.3.1 研究内容 ........................................................................................................... 7 1.3.2 研究方法 ........................................................................................................... 7 1.4 研究方案与技术路线 ................................................................................................. 7 2 急倾斜特厚煤层地质灾害条件分析 ..................................................................................... 9 2.1 概述 .............................................................................................................................. 9 2.2 工程背景 ...................................................................................................................... 9 2.2.1 地层条件划分 ................................................................................................... 9 2.2.2 急倾斜特厚煤层顶板扰动特征 ..................................................................... 10 2.2.3 开采现状 ........................................................................................................ 11 2.3 现场动力灾害描述 .................................................................................................... 12 2.4 本章小结 .................................................................................................................... 14 3 急倾斜煤层顶板运移规律物理相似模拟实验 .................................................................. 15 3.1 概述 ............................................................................................................................ 15 3.2 物理相似模拟实验设计 ............................................................................................ 15 3.3 充分采动顶板运动分析 ........................................................................................... 15 3.3.1 充分采动模拟实验设计及搭建 .................................................................... 15 3.3.2 第一分段开采顶板运移特征 ........................................................................ 16 3.3.3 岩层沉降特征 ................................................................................................ 17 3.3.4 第二分段开采顶板运移特征 ........................................................................ 17 3.4 顶板充填模拟实验 .................................................................................................... 18 3.4.1 575 水平大段高顶板运移特征 .................................................................... 19 3.4.2 550 水平大段高顶板运移特征 .................................................................... 21 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 II 3.4.3 525 水平大段高顶板运移特征 .................................................................... 23 3.5 本章小结 .................................................................................................................... 26 4 急倾斜煤层大段高顶板空间演化数值计算 ...................................................................... 27 4.1 概述 ............................................................................................................................ 27 4.2 FLAC3D 模型构建 .................................................................................................... 27 4.3 地下充分开采顶板变化规律 .................................................................................... 29 4.3.1 位移特征 ......................................................................................................... 29 4.3.2 地表变化特征 ................................................................................................. 30 4.3.3 塑性区变化特征 ............................................................................................. 31 4.3.4 应力变化特征 ................................................................................................. 32 4.4 覆岩应力演化规律 .................................................................................................... 33 4.5 充填数值模拟计算 .................................................................................................... 34 4.5.1 充填材料选取 ................................................................................................ 34 4.5.2 充填后顶板位移特征 .................................................................................... 34 4.5.3 充填后地表位移特征 .................................................................................... 37 4.5.4 顶板塑性区演化特征 .................................................................................... 38 4.5.5 充填后应力变化特征 .................................................................................... 39 4.6 本章小结 .................................................................................................................... 41 5 工程应用与评价 ................................................................................................................... 42 5.1 概述 ............................................................................................................................ 42 5.2 自然因素影响 ............................................................................................................ 42 5.3 充填方案优化 ............................................................................................................ 42 5.3.1 充填位置确定 ................................................................................................ 42 5.3.2 充填材料确定 ................................................................................................. 42 5.4 现场充填控灾 ............................................................................................................ 43 5.5 效果检测与评价 ........................................................................................................ 44 5.5.1 检测原理 ......................................................................................................... 44 5.5.2 井下地质雷达检测技术 ................................................................................. 44 5.6 检测方案 .................................................................................................................... 45 5.7 检测结果及分析 ........................................................................................................ 46 5.7.1 顶板检测结果 ................................................................................................ 46 5.7.2 采空区检测结果 ............................................................................................ 47 5.8 本章小结 .................................................................................................................... 48 万方数据 目 录 III 6 结论 .................................................................................................................................................. 49 致 谢 ...................................................................................................................................... 50 参考文献 .................................................................................................................................. 51 附 录 ........................................................................................................................................ 56 攻读硕士学位期间发表论文 .......................................................................................... 56 攻读硕士学位期间获得专利 .......................................................................................... 56 攻读硕士学位期间参与科研项目 .................................................................................. 56 攻读硕士期间获奖情况 .................................................................................................. 56 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 我国煤炭资源储量丰富且储存条件多样化，作为重要的一次性能源，导致我国能源 消费居高不下2015 年大约占能源消费总量的 63。至 2030 年，煤炭在我国能源消费 比重仍将占到 50以上。 与此同时煤矿在生产的同时排放出大量的矸石固体等废弃物以 1.5-2.0 亿吨的速度增加。矸石大量排放给也给人类生存环境带来了巨大危害。在众多因 素下，国家在十六大报告中明确提出的“走出一条科技含量高，经济效益好，资源消耗 低，环境污染少，人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子”。 中共中央关于制定 国民经济和社会发展第十一个五年规划的建议中，将“建设资源节约型、环境友好型 社会”作为基本国策。钱鸣高院士等率先提出“煤矿绿色开采技术”的理念及相关技术[1]。 谢和平院士等提出科学发展观，引领与地质、生态环境相协调前提下，最大限度地获取 自然资源的安全、高效、绿色、经济、社会协调的科学开采，基于科学开采的基础上将 煤炭资源最大限度采出的生产能力所形成的科学产能，进而由低碳向绿色转型[2]。在党 的十八大报告中，将建设生态文明行社会放在工作的首要，科学安全开采是实现绿色开 采的关键和重要组成部分。 新疆是我国 14 个亿吨大型煤炭基地之一。 煤炭资源储量 2.19 万亿吨，约占全国的 40，赋存大量急倾斜煤层，仅乌鲁木齐矿区此类低硫低灰高发热 量煤炭资源储量达 36 亿吨。主采煤层倾角在 45 及以上、厚度在 20 米以上煤层占总储 量的 70左右。神华新疆能源有限公司乌东煤矿为典型急倾斜特厚煤层群，赋存条件 复杂，目前已进入 400m 深部开采水平。在大段高水平分段综放开采过程中，顶板引发 动力学灾害频发。2011 年 3 月 24 日，乌东煤矿西采区发生动力学灾害，造成 1 死 2 伤； 2011 年 12 月-2012 年 2 月，在620 水平 45煤层西翼工作面出现了 2 次顶板动力灾害 事故。2016-2017 年出现了 2 次较大动力灾害，造成开采系统和装备损毁，严重制约安 全高效与持续开采，同类问题在我国西部许多矿区普遍存在，非常值得开展相关研究。 1.1.2 选题意义 研究揭示急倾斜煤层大段高综放面顶板变化特征及演化规律，优化充填控制技术。 为现场实现安全持续性开采具有现实必要性； 同时为实现我国西部地区煤炭资源安全高 效开发、促进新疆煤炭基地建设、保障新疆地区经济发展社会稳定、实施“一带一路”战 略、实现我国煤炭工业可持续发展具有重要战略意义。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 1.2 本论文研究领域国内外的研究 1.2.1 国内岩层失稳致灾研究进展 我国已成功研发近水平特厚煤层、缓倾斜特厚煤层14.0-20.0m、60 以下大倾角/ 急倾斜厚煤层≤20m走向长壁综采综放开采技术。复杂煤层中方开采技术中，王金华 共划分 5 大内容，其中急倾斜特厚煤层综放开采顶板扰动区失稳、矿压显现与缓斜水平 煤层区别很大[3-6]。王家臣等立足于长期厚煤层开采研究与应用基础，提出煤炭科学和 科学采矿[7-8]。鞠金峰以神东浅埋煤层为背景，研究多煤层开采下地表塌陷、覆岩变化 特征[9-10]。石平五等通过多年深入研究，开创性地提出急倾斜煤层开采中顶煤放出区造 成围岩破坏形成的“沿底坐滑区、顶板离层破坏区、煤岩滞后垮落区”三大运动模式；同 时随着采放与层位的变化， 采空区上方容易形成“垮层拱”结构， 进而引发巨大灾害[11-12]。 王明立等分析岩层受切向力大于法向力、 采空区上山方向端部煤体的抽冒以及采空区下 山方向受滚落矸石的充填等因素的综合作用下， 提出了楔形破坏区和滑移变形区的岩层 移动分区模型[13]。 邵小平等通过现场实测认为急斜煤层大段高工作面支架将受到其上方 上覆岩层临时结构的保护作用，支架的工作阻力不会随着段高与采深的增加而大幅增 加，工作面沿走向具有明显的周期性矿压显现[14]。王宁波等采用多手段联动方法，认为 急斜厚煤层巷道围岩破碎具有分区分布特征[15]。岩层力学强度深受赋存环境影响，为了 预防急倾斜覆岩大面积垮落致灾，崔峰等利用固液耦合技术提前释放顶板能量，并形成 了以固液耦合为基础的系统预裂顶板方案[16-18]。 来兴平[19-20]将“顶板-上覆煤体”简化为梁 结构后，通过理论分析和数值计算发现顶板的垂直应力分布呈现出由中部向两端递减； 在顶板 1/3 处变形量最大，且最容易发生破断。 1.2.2 国外顶板控制方法与技术发展 充填技术是控制顶板运移的重要技术。 百年历史的矿山充填开采技术的研究与应用 起始于人们处理矿山开采过程中产生的废石等固体废弃物。20 世纪 30 年代，加拿大诺 兰达公司霍恩矿将粒状炉渣加磁铁矿充入采空区[21-22]。 20 世纪 4050 年代， 澳大利亚和 加拿大等国开始应用水砂充填技术、波兰矿井均采用全部充填法或垮落-充填联合法采 煤。在 20 世纪 60 年代，充填法以水砂充填为主，有少数矿井试用矸石风力充填或电厂 粉煤灰充填。波兰采用水砂充填为主的充填开采方法可采出建筑物下压煤的 80[23-24]。 加拿大国际镍公司的采用胶结充填法下，回采的劳动生产率提高了 20。针对煤层开采 对地表下水、矿区、沉陷及煤柱变形等进行了比较深入的观测和研究[25-31]。 采动影响下的围岩破坏必然导致采工作面、 空区应力分布不规律和顶板不同程度的 塌陷。国外大部分采用房柱式开采，煤炭安全高效开采的顶板失稳如缓倾斜煤层条件下 万方数据 1 绪论 3 的区段煤柱稳定性分析，区别于长壁综采的房柱式开采条件下房柱稳定性分析等[32-35]。 A.K. Singh 等在印度井田中，根据不同的采掘地质条件下采掘 44-244m 变化的煤柱，评 估了其应力分布和屈服特征[36]。在长壁开采中，H. Yavuz 认为工作面中采空区受上部岩 层垮落压实，构建垮落岩体与沉陷的关系，估算采空区应力分布的方法[37]。 房式式采煤方法由于矿压及岩层控制效果好等特点，美国、澳大利亚、加拿大、南 非等国家广泛应用，并逐步利用股体充填回收煤柱，同时观测覆岩运移特性[38-41]。随着 科技水平提高，国外在细砂胶结充填阶段和以高浓度充填、膏体充填、块石砂浆胶结充 填、全尾矿胶结充填等新技术的应用，对覆岩运移、煤柱、充填体换取煤柱等方面取得 了巨大的成就。F. Hassani 等通过数值模拟分析在时间-温度的空间内，充填材料缓解覆 岩储能释放的比例关系[42]。 T. Kostecki等通过对Gadde相关理论的探讨并利用数值计算， 分析底板较弱条件下充填对煤柱强度和底板承载力的影响； 得出 25-75的开采高度之 间采用粘性材料充填，则煤柱和底板的承载能力能够增加 10-40；充填的抗剪、抗拉 和刚度减小时，煤柱强度增强不是由充填材料而决定[43]。 1.2.3 国内充填开采方法与技术发展 国内初期的胶结充填均为传统的混凝土充填。细砂胶结充填以尾矿、天然砂和棒磨 砂等材料作为充填集料，胶结剂主要为水泥。在 80 年代得到广泛推广应用且基本应用 于金属矿山[44-45]。 随着政府及相关学者对大规模煤炭开采引起的资源与环境问题的重视 [46-49]，充填开采技术与工艺的发展不仅仅要适应高产量、低成本的要求，更重要的是能 够与环境相容，实现煤炭资源“绿色开采”及“科学采矿”的理念，逐渐形成了以矸石等固 体废弃物密实充填开采技术、膏体或似膏体充填开采技术、高水材料充填开采技术等为 代表的现代充填采矿技术体系，均得到了较大规模的推广应用[50-51]。陈得信等针对我国 金川镍矿所固有的矿体厚大、埋藏深、地压大、矿岩破碎和围岩稳定性差等不利因素， 在探索适合金川镍矿采矿技术条件的采矿方法和回采工艺的过程中， 大胆引进国际上最 先进的采矿设备，在国内外首次应用下向机械化分段胶结充填采矿技术，成功实现了深 埋、厚大矿体的大面积连续开采[52]。 目前，我国现代充填采煤方法按照充填位置、动力、材料及充填量分类，如图 1.1。 根据充填位置分别为煤层采出后、顶板冒落前在采空区进行充填；采后顶板冒落，将充 填材料往冒落区充填；在采动影响下，覆岩产生离层空洞进行注浆充填。其中冒垮 落区、离层区充填以不同充填材料注浆充填为主。利用充填材料特性或借助外在动力进 行充填的方法，依次分为自溜、风力、水利、机械等动力技术充填。水力充填法要在采 场大量脱水；机械充填法是利用特殊机械，将充填物料抛入采空区的充填方法，充填物 料的块径要求均匀，需提前进行粉碎和筛选；自溜充填法是指所采煤层倾角大于 45 条 件下，采用矸石自溜充填，使矸石自溜到采场底部；风力充填法利用压缩空气为输送动 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 力，不携带大量水，采用粉粒状固体作为充填物料进行充填[53]。 充填开采 填充位置 充填量 充填量充填动力充填材料 采 空 区 充 填 冒 落 区 充 填 离 层 区 充 填 自 溜 充 填 风 力 充 填 机 械 充 填 水 利 充 填 水 砂 充 填 矸 石 充 填 膏 体 充 填 高 水 充 填 全 部 充 填 部 分 充 填 图 1.1 充填采煤方法 由于充填的位置、采用输送的手段不同，充填材料的相应的状态也随之不同，大体 上分为水砂、矸石、膏体及高水等充填材料充填。按照充填量与充填范围的综合占采出 煤炭的比例，又可划分为全部充填与部分充填。通过充填位置、动力、材料及充填量的 合理搭配，形成了有效的充填开采技术。涉及到固体充填时，采煤对应的工艺系统对其 性能要求要满足需求，且充填效率高、性能稳定、可靠性强[54-55]。 李兴尚[56]等通过采矿生产能力与充填生产能力、回填体积量与充填料供应量、充填 成本与采矿效益提出采充均衡，从采充均衡角度阐述了充填可行性。充填材料强度的有 效确定是解决沉陷的关键因素。 黄庆享等[60]认为充填材料的强度决定着充填尺寸和充填 效果。提出充填开采对充填材料早期强度和后期强度，给出强度公式1-1、1-2。 1 y tantan sin tancos 2 L         khL LC Ch h f lf ff ..........................................1-1 式 1-1γf -充填体体积力；hf -充填体高度；k-侧压系数；α-充填体滑动面与水平面 的夹角α45φ/2；C1,φ1-分别为充填体与围岩的黏聚力和内摩擦角；C,φ-分别为充填 体黏聚力和内摩擦角。 H h b     4 . 1 c ]36. 064. 0[ 3 K15）（ ..................................................1-2 式1-2σc-试验室充填体单轴抗压强度；b-充填体宽度。 刘浪[57]通过充填膏体的不同优化实验，分别考察其强度、稳定性和流动性，提出了 柱形坊落筒。 王宏伟等[58]通过不同煤柱高度和回填的百分比得出煤柱强度随充填量的增 加而增加，同时粘性回填更提高煤柱的强度。 王家臣等[59]等通过矸石充填开采上覆岩层模拟实验得出采空区内充填材料限制直 接顶的变形、下沉以及冒落。直接顶以断裂和冒落为主，冒落后整齐地排列在采空区矸 石上；基本顶以弯曲下沉形式随直接顶移动，上覆岩层冒落高度显著降低。充填的最终 万方数据 1 绪论 5 目的是实现地表减沉的和谐开采， 我国张玉卓[60]对煤矿地表沉陷的预计与控制做出了详 细分析。煤矿经过多年的充填技术的发展，大多应用于充填减沉，其分类如图 1.2 所示。 充填技术按其应用分类 减沉充填开采技术应用其他充填技术 全采全部充填全采部分充填 干式充填胶结充填 采 空 区 架 后 输 送 机 漏 矸 充 填 巷 道 迎 头 抛 矸 胶 带 充 填 泵 送 膏 体 充 填 泵 送 高 浓 度 铰 接 材 料 充 填 煤 矸 石 似 膏 体 自 流 充 填 冒落矸石空隙 注浆胶结充填 长 臂 开 采 冒 落 区 珠 江 充 填 房 柱 式 冒 落 区 注 浆 充 填 条 带 开 采 冒 落 区 珠 江 充 填 覆 岩 离 层 注 浆 混 凝 土 膏 体 材 料 充 填 沿 空 留 巷 混 凝 土 膏 体 材 料 充 填 沿 空 留 巷 图 1.2 我国现代煤矿充填技术应用分类 郭文兵[61]等得出部分开采方法的下沉系数与采出率的关系如表 1.1 所示；指出了固 体废弃物膏体充填控制技术的发展方向。 表表 1.1 部分开采地表下沉系数与采出率的关系部分开采地表下沉系数与采出率的关系 采出率 下沉系数 坚硬岩层 中硬岩层 软弱岩层 60 0.090.11 0.130.17 0.170.21 50 0.050.06 0.080.10 0.100.12 40 0.0260.032 0.030.05 0.050.06 张强等[62]通过理论与工程实践得出充填设备与地质条件对充实率φ的影响程度最 显著，工程设计充实率控制指标为 88，工程实测充实率最低为 90.3。郭振华等[63] 通过膏体充填工作面顶板及地表沉陷过程数值模拟得出膏体充填工作面最大下沉系数 仅为 0.11，显著降低地表沉陷。 煤层赋存条件的复杂性加剧了充填开采的困难。 陈绍杰等[64]认为条带煤柱膏体充填 开采时，随着工作面的推进，覆岩由 C 型空间结构逐渐转化成不等高支撑的铰接岩梁； 覆岩重力主要作用在工作面前方煤壁和充填膏体上，顶板超前应力和影响范围较小，主 要影响范围小于 15m。温国惠等[65]对孤岛煤柱膏体充填开采进行现场观测与分析，得出 三面采空的充填膏体可压缩性较大，顶板及其上覆岩层的断裂和下沉仍然十分显著；三 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 面采空导致支架上的工作阻力较大，在推采停顿时间较长时矿压显现明显。 另外，我国自 20 世纪 80 年代开始使用房式采煤法，主要分布在陕西、内蒙古、山 西等，大量煤炭资源被遗弃于井下，形成特有的房式采空区及遗留煤柱，仅内蒙古鄂尔 多斯矿区就有 66 亿70 亿吨的遗留煤柱， 造成了资源的严重浪费， 其形成的应力集中区 也影响下组煤层的安全开采。煤柱的长期氧化易引发矿井火灾，煤柱大范围失稳会引发 矿震，对后期深部煤层资源开采带来了许多挑战，尤其是动力学灾害严重加剧。例如， 神东矿区厚风积沙浅埋煤层大采高综采面顶板破断诱发台阶下沉与支架压死等， 陕北府 谷矿区组合煤层浅部转深部开采、 彬长矿区坚硬覆岩条件综放开采过程中出现冲击性动 力灾害。 需要进一步深入系统研究此类共性科学问题， 实现煤炭无害化开采和绿色开采。 国家能源科技“十二五”规划（20112015） 中，将“矿井灾害综合防治技术”列为优先 发展的关键技术，并在煤炭行业十二五规划中，将“重特大事故大幅度减少，安全 生产形势明显好转，矿区生态环境明显改善”作为发展目标，实现“在开发中保护，在保 护中开发”等科学研究的重点方向；鉴于房式采空区引发地质灾害的严重性，2012 年 5 月神木县政府发布神木县地方煤矿采空区分布勘察与综合治理编制工作实施方案文 件，继榆林市之后，成立采空区综合治理办公室，对勘查区域内 424km2井田面积进行 采空区调查与踏勘，寻求解决空区资源回收及灾害治理问题的方法。 近年来，为解决我国