开采尺寸对充填墩柱稳定性及减沉效果的影响研究.pdf

工程硕士专业学位论文 开采尺寸对充填墩柱稳定性 及减沉效果的影响研究 The Influence of Mining Size on Stability of Filling Pier Column and Its Subsidence Reduce Effect 作 者王利民 导 师谢建林 副研究员 中国矿业大学 二○一九年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD325 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 工程硕士专业学位论文 开采尺寸对充填墩柱稳定性 及减沉效果的影响研究 The Influence of Mining Size on Stability of Filling Pier Column and Its Subsidence Reduce Effect 作 者 王利民 导 师 谢建林 申请学位 工程硕士专业学位 培养单位 矿业工程学院 学科专业 矿业工程 研究方向 绿色开采 答辩委员会主席 姚强岭 评 阅 人 盲审 二○一九年五月 万方数据 致谢致谢 时光飞逝，白驹过隙，为期两年的硕士研究生学习即将接近尾声，在硕士研 究生的学习阶段中，不仅仅学到了学科相关的专业知识，而且深入现场实践，对 自身的学术水平和科研能力都有了极大的提升， 这些珍贵的经历对即将步入社会 的我来说有十分重要的意义。 在我两年的研究生学习生活期间， 导师谢建林副研究员给了我极大的帮助和 引导，不仅在学习科研上拓宽了我的研究思路，而且教给我很多矿业学科前沿新 潮的创新理念，提高了我的学术素养和科研水平。在学位论文的题目选取，物理 相似模拟、数值模拟、现场工程实践以及后期撰写文章的各个过程中，都有谢老 师的悉心教导和严格把关，确保了学位论文撰写的高质量和高效率。谢老师热心 科研事业、潜心研究、善于创新、严谨求实的科研精神和踏实肯干、积极热情的 工作态度时刻感染着我，是我今后工作生活学习中的榜样。在此，我衷心感谢谢 老师在我研究生期间无微不至的关怀和帮助。 感谢许家林教授为我们的科研探讨和理论研究提供良好的科研平台和环境， 感谢朱卫兵副教授在论文选题方向及论文建立力学模型中对我的指导与帮助， 感 谢王晓振老师在现场工作实践中对我的帮助与关怀， 感谢陈大勇老师在预答辩时 对学位论文提供的指导意见，以及课题组胡国忠教授、轩大洋副教授、鞠金峰副 研究员、秦伟副研究员等老师在学习和生活中的关心和帮助。。 在读研期间结识了很多乐于助人和饱含热情的同窗朋友， 他们在研究生的学 习和工作当中给了我无私的关照和帮助， 感谢李竹博士和韩红凯博士在论文选题 构思和后期数值模拟过程中提供的指导与帮助。感谢张文波、齐祥瑞、郭宇隆、 史泽凯、李枝、于胜超、白雪斌、刘文兵、杨静、易小雍、王捞捞、罗泽强等同 门师兄弟在学习上的帮助与生活上的关心。 现场科研实践期间，主要实践地点在山东省淄博市王庄煤矿，在此也要感谢 王庄煤矿石建新董事长、田成东总工、赵金玉副总工等在现场工程实践方面的积 极配合和大力支持。 感谢我的母校中国矿业大学， 研究生两年生活中在美丽的校园内度过了快乐 温馨美好的时光，收获了弥足珍贵的师生友谊以及扎实过硬的专业知识，感谢矿 业工程学院对我的培养和塑造，我们的采矿精神将永远激励我不断奋进前行。 感谢我的父母在研究生期间对我的支持和关心，家是我最温馨的港湾，家人 是我最坚强的后盾，感谢他们对我无尽的爱和浓浓的情，我将在未来的日子里更 加努力地工作和学习，回报他们的养育之恩，不辜负他们的期望。 王利民 二○一九年五月 万方数据 I 摘摘 要要 本文以淄博王庄煤矿为研究对象，由于现场面临新旧采区交替开采，长壁墩 柱同步充填工作面的采高与采宽都将出现一定的变化， 迫切需要掌握工作面开采 尺寸变化之后对充填墩柱承载效果的影响。 论文通过三维数值模拟、物理相似模拟实验和现场监测等方法，研究了长壁 墩柱同步充填工作面开采尺寸变化之后对充填墩柱稳定性及减沉效果的影响。 当长壁墩柱同步充填工作面采宽及墩柱充填参数（包括墩柱尺寸、间排距） 一定时，采高对充填墩柱的稳定性影响比较大， 随着采高的增大墩柱承载应力随 之增大，墩柱稳定性随之降低；当采高小于 1.5m 时其对地表减沉影响呈显著负 相关关系，而当采高超过 1.5m 后，采高对地表减沉效果的影响则相对较小。 当长壁墩柱同步充填工作面采高及墩柱充填参数（包括墩柱尺寸、间排距） 一定时，采宽对墩柱的稳定性影响比较小，随着采宽的增加，墩柱的应力变化很 小，墩柱弹塑性区域也变化很小；采宽对地表的减沉效果比较大，随着采宽的增 加地表的移动变形量均会有明显增加。 在淄博王庄煤矿七采区 27404 工作面开展了充填墩柱承载特性及巷道变形 监测，当工作面采宽 80m、采高 0.86m 时，充填工作面墩柱充填体承载性较好， 能有效支撑上覆岩层，此结果与前述模拟研究结论一致。 本论文研究成果将为矿井后期的充填效果评价提供有力的科学依据， 同时为 淄博王庄煤矿推进无害化、生态型矿区建设提供相应的数据支撑。 论文共有图 60 幅，表 17 个，参考文献 84 篇。 关键词关键词长壁墩柱同步充填；开采尺寸；墩柱稳定性；地表减沉 万方数据 II Abstract Based on the mining conditions in Wangzhuang Coal Mine, the influence of mining height and working face width varied due to the change of mining faces,, it is urgent to grasp the influence of mining size change on the bearing effect of filling pier- pillar. Under different mining height and working face width, both stability of filling pier-column and surface subsidence were studied through several s including numeral simulation, physical model experiment and field measurement. With other paraments remained unchanged, including material of filling pier- column, pitch and space, and working face width, the larger the mining height was, the large the bearing stress increased to, and the lower the stability pered. If the mining height is less than 1.5 m, the larger the mining height was, the larger the surface deation was. However, there was a slightly significant effect on surface deation when it exceeded 1.5 m. As mining height, material of filling pier-column, space and pitch remained unchanged, the larger the working face width was, the larger the surface deation was. Nevertheless, there was a lightly significant effect on bearing stress and of pier- column and distribution of elastoplastic region. The bearing characteristics of filling piers-column and the monitoring of roadway deation were carried out in 27404 working face of No. 7 mining area of Wangzhuang Coal Mine, Zibo. When the working face is 80 m wide and 0.86 m high, the bearing capacity of filling piers-column in filling face is good and the overlying strata can be effectively supported. The results are in accordance with the conclusions of the simulation study mentioned above. Research results of this paper ,on bearing effect of filling pier-column was studied to provide scientific evidence for perance uation of filling pier-column, and to improve the establishment of harmless and ecological coal mine. The dissertation has 60 figures,17 tables and 84 references. Keywords Synchronized filling of Long-wall pier columns; mining size; stability of pier columns; subsidence reduce effect 万方数据 III 目录目录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I 目录目录 ............................................................................................................................ III 图清单图清单 ....................................................................................................................... VII 表清单表清单 ........................................................................................................................ XI 变量注释单变量注释单 ............................................................................................................... XII 1 绪论绪论 ............................................................................................................................ 1 1.1 选题背景与研究意义............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状..................................................................................................... 2 1.3 研究内容与技术路线............................................................................................. 6 2 长壁墩柱同步充填开采技术理论背景长壁墩柱同步充填开采技术理论背景 ................................................................... 7 2.1 长壁墩柱同步充填开采技术................................................................................. 7 2.2 充填开采减沉影响因素....................................................................................... 12 2.3 墩柱稳定性的影响因素....................................................................................... 13 3 开采尺寸对充填墩柱稳定性及减沉效果影响的数值模拟研究开采尺寸对充填墩柱稳定性及减沉效果影响的数值模拟研究 ......................... 15 3.1 数值模拟实验方案及模型设计........................................................................... 16 3.2 数值模拟结果及分析........................................................................................... 19 3.3 本章小结............................................................................................................... 36 4 开采尺寸对充填墩柱稳定性及减沉效果影响的物理实验研究开采尺寸对充填墩柱稳定性及减沉效果影响的物理实验研究 ......................... 37 4.1 物理实验方案及设计........................................................................................... 37 4.2 物理实验结果及分析........................................................................................... 41 4.3 本章小结............................................................................................................... 49 5 淄博王庄煤矿长壁墩柱同步充填开采实践淄博王庄煤矿长壁墩柱同步充填开采实践 ......................................................... 50 5.1 试验工作面工程概况........................................................................................... 50 5.2 试验工作面充填工艺设计................................................................................... 51 5.3 充填体稳定性实测............................................................................................... 54 5.4 巷道顶底板移近量实测....................................................................................... 59 5.5 本章小结............................................................................................................... 61 6 结论结论 ......................................................................................................................... 63 万方数据 IV 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 64 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 69 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 70 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 71 万方数据 V Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ..................................................................................................................... III List of Figures ........................................................................................................... VII List of Tables .............................................................................................................. XI List of Variables........................................................................................................ XII 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 The Background and Significance of Theme Selection ........................................... 1 1.2 Research status at home and abroad ........................................................................ 2 1.3 Research Content and Technical Route ................................................................... 6 2 Theoretical Background of Synchronized Filling Mining Technology for Long Wall Pier Columns ....................................................................................................... 7 2.1 Synchronized Filling Mining Technology for Long Wall Pier Columns ................. 7 2.2 Influencing Factors of Subsidence Reduction in Filling Mining ........................... 12 2.3 Influencing Factors of Pier Column Stability ........................................................ 13 3 Numerical Simulation Study on Influence of Mining Size on Stability and Bearing Capacity of Pier Columns ........................................................................... 15 3.1 Numerical Simulation Experiment Scheme and Model Design ............................ 16 3.2 Numerical Simulation Results And Analysis ......................................................... 19 3.3 Summary ................................................................................................................ 36 4 Physical Experimental Study on the Effect of Mining Size on the Stability and Settlement Reduction of Filling Pier Column ......................................................... 37 4.1 Scheme and Design of Physical Experiment ......................................................... 37 4.2 Physical Experiment Results and Analysis ............................................................ 41 4.3 Summary ................................................................................................................ 49 5 Practice of Synchronous Filling Mining of Long-wall Pier Columns in Wangzhuang Coal Mine ............................................................................................ 50 5.1 Engineering Survey of Test Working Face ............................................................ 50 5.2 Filling Technology Design of Test Face ................................................................ 51 万方数据 VI 5.3 Field Measurement of Filling Stability .................................................................. 54 5.4 Measurements of Roof and Floor Proximity of Roadway ..................................... 59 5.5 Summary ................................................................................................................ 61 6 Conclusion ............................................................................................................... 63 References ................................................................................................................... 64 Author Resume ........................................................................................................... 69 Declaration of Thesis Originality ............................................................................. 70 Thesis Date Collection ............................................................................................... 71 万方数据 VII 图清单图清单 表序号 表名称 页码 图 1-1 论文研究技术路线 6 Figure 1-1 Technical route of paper research 6 图 2-1 部分充填开采技术体系示意图 7 Figure 2-1 Part of sketch of filling mining technology system 7 图 2-2 采空区内充填墩柱布置方法 8 Figure 2-2 Arrangement of filling pier column in goaf 8 图 2-3 墩柱充填法“无梁板柱”模型 9 Figure 2-3 “Beamless Plate-Column“ model of pier column filling 9 图 2-4 单墩柱支撑区域俯视图 11 Figure 2-4 Top view of single pier support area 11 图 3-1 王庄煤矿七采区 8-15 钻孔 15 Figure 3-1 Drilling 8-15 in No.7 mining area of Wangzhuang coal mine 15 图 3-2 数值模型示意图 16 Figure 3-2 Diagram of numerical model 16 图 3-3 采空区墩柱测点位置示意图 19 Figure 3-3 Diagram of pier columns location in goaf 19 图 3-4 方案一地表移动变形曲线 20 Figure 3-4 Scheme 1 surface movement and deation curve 20 图 3-5 方案二地表移动变形曲线 21 Figure 3-5 Scheme 2 surface movement and deation curve 21 图 3-6 方案三地表移动变形曲线 22 Figure 3-6 Scheme 3 surface movement and deation curve 22 图 3-7 方案四地表移动变形曲线 24 Figure 3-7 Scheme 4 surface movement and deation curve 24 图 3-8 方案五地表移动变形曲线 25 Figure 3-8 Scheme 5 surface movement and deation curve 25 图 3-9 方案六地表移动变形曲线 26 Figure 3-9 Scheme 6 surface movement and deation curve 26 图 3-10 不同采高压力变化趋势图 28 Figure 3-10 Trend chart of variation of mining pressure under different mining pressure 28 图 3-11 不同采高充填墩柱应最大应力值 29 Figure 3-11 Maximum stress value of filling pier column and pillar with different mining heights 29 图 3-12 1m 采高应力塑性分布图 30 Figure 3-12 Stress-Plastic distribution map of 1 m mining height 30 图 3-13 1.5m 采高应力塑性分布图 30 Figure 3-13 Stress-Plastic distribution map of 1.5 m mining height 30 图 3-14 2m 采高应力塑性分布图 31 万方数据 VIII Figure 3-14 Stress-Plastic distribution map of 2 m mining height 31 图 3-15 2.5m 采高应力塑性分布图 31 Figure 3-15 Stress-Plastic distribution map of 2.5 m mining height 31 图 3-16 3m 采高应力塑性分布图 31 Figure 3-16 Stress-Plastic distribution map of 3 m mining height 31 图 3-17 不同采宽压力变化趋势图 32 Figure 3-17 Trend chart of variation of mining width pressure 32 图 3-18 不同采高充填墩柱应最大应力值 33 Figure 3-18 Maximum stress value of filling pier column with different mining height 33 图 3-19 80m 采宽应力塑性分布图 34 Figure 3-19 Stress-Plastic distribution map of 80m mining width 34 图 3-20 120m 采宽应力塑性分布图 34 Figure 3-20 Stress-Plastic distribution map of 120m mining width 34 图 3-21 160m 采宽应力塑性分布图 34 Figure 3-