梁北矿带压开采底板破坏规律研究(1).pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 张世威 指导教师 翟新献 教授 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 采矿理论与技术 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○一四年六月二○一四年六月 梁北矿梁北矿带压开采底板破坏规律带压开采底板破坏规律研究研究 Research on Failure Laws of Floor in Coal Mining above Aquifer in Liangbei Coal Mine 中图分类号中图分类号 TD325 密密 级公开级公开 UDC 622 单位代码单位代码1046010460 梁北矿带压开采底板破坏规律研究 Research on Failure Laws of Floor in Coal Mining above Aquifer in Liangbei Coal Mine 申请人姓名申请人姓名 张世威 申 请 学 位申 请 学 位 工学硕士 学 科 专 业学 科 专 业 矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 采矿理论与技术 导师导师 翟新献 职称职称 教 授 提 交 日 期提 交 日 期 2014年4月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2014年6月 河南理工大学 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 梁北矿带压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 致致 谢谢 论文是在导师翟新献教授的精心指导下完成的。三年来，老师在学习上悉心 指导并严格要求，生活上给予了无微不至的关怀和帮助，科研上提供了大量的现 场实践机会，使我能够顺利完成本学位论文。老师严谨的科研态度，踏实勤奋的 工作作风和兢兢业业的治学精神时刻影响着我，是我今后工作学习中的楷模。从 论文选题到论文的定稿都是在老师的指导帮助下完成的。在此，谨向老师表示崇 高的敬意和最衷心的感谢。 同时，感谢河南理工大学能源科学与工程学院的各位领导和老师，正是在你 们的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；感谢许昌新 龙矿业有限责任公司梁北煤矿段现军矿长、地测科杜艳伟副科长、宋爱国校友、 汪再友校友，生产科王春龙校友，掘进队郭小磊、任礼、袁艳雷以及相关工程技 术人员在现场观测和资料收集中提供的帮助；感谢引用文献中的相关科研和工程 技术人员，正是你们的大量研究成果为本文的完成提供了扎实的基础；感谢梁向 辉师兄、赵高杰在学习中给予的指导和帮助；感谢张时伟、钱洪亮等师弟在论文 撰写过程中的关心和支持。 感谢我的父母和家人，是你们的支持和关心才让我有机会在学校度过三年的 研究生生活。 感谢各位专家、教授在百忙之中审阅我的论文，并恳请批评指导。 张世威 2014 年 4 月 I 摘摘 要要 华北煤田是我国主要煤炭生产基地之一，由于受奥陶纪及石炭纪灰岩岩溶发 育、富含承压水的影响，发生过数次重大突水事故，造成了巨大的经济损失和人 员伤亡。梁北煤矿位于许昌市禹县，自投产以来多次因发生突水事故而停产，严 重影响了矿井的生产。由于梁北煤矿采深较大且开采至今一直采取了有效的排水 措施，距煤层较近的底板太原组灰岩含水层对矿井开采影响较小，而寒武纪灰岩 含水层由于水压较高，成为主要充水水源。 论文以梁北煤矿地质条件为基础，首先分析了影响矿井突水的主要因素，确 定了矿井目前的突水水源；然后运用半无限体平面理论建立了底板受力计算模型， 根据弹性理论推导出了底板中任一点受力状态的计算公式，借助于 matlab 计算软 件绘出了底板应力分布状态曲线，并依据摩尔-库仑破坏准则，计算了初次来压和 周期来压时的底板破坏深度；最后利用数值模拟软件 FLAC3D，研究了采动条件下 不同因素（工作面推进距离、埋深、煤层厚度及断层和断层位置）对底板应力分 布状态和破坏深度的影响。 在上述研究结论的基础上， 针对梁北煤矿 11141 工作面 具体地质和水文地质条件，提出了底板注浆改造加固的防治底板突水措施。研究 结论为梁北煤矿实现带压开采条件下的安全生产提供了理论依据。 关键词关键词带压开采；理论分析；数值模拟；底板应力分布；底板破坏深度 III Abstract Huabei coal field is a main production base, which is affected by limestone karst and confined water, several times of serious water inrush accident has happended, causing great economic loss and casualty. Liangbei Coal Mine loacates at Yu County in Xuchang City, it has stop production several times since it went into production due to water inrush, and has seriously affected normal production. Due to deep mining depth and effective drainage measures, the effect of limestone aquifer in the Taiyuan ation, which closes to coal seam floor, to coal mining is not significant, howere limestone aquifer of cambrian period becomes the main water-filled soure. Based on geological conditions of Liangbei Coal Mine, main effect factors of water inrush were analyzed and the main water-filled source was determined; then mechanical models of floor stress were builded by using the half space theory of the elasticity, calculation ulas of stress state of any point in the floor were deduced by using elastic theory, stress distribution curves of floor were drawn by means of calculation software Matlab, and floor failure depth during first weighting and periodic weighting according to Mohr-Coulomb failure criterion; Finally, with numerical simulation software FLAC3D effects of different factors, such as face advanced distance, depth and height of coal seam and faults and its location, to stress distribution and failure depth were studied. Based on the above conclusions, combined with practical geological and hydrogeology conditions of coal face 11141, grouting trans of coal seam floor for water gushing control are put forward. The study conclusions provide theoretical foundation for safety production in coal mining above aquifer. Keywordscoal mining above aquifer; theoretical analysis; numerical simulation; stress distribution; failure depth V 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................. I 目目 录录 ............................................................................................................................. V 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意义 ....................................................................................................... 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 底板突水数值模拟研究现状 .................................................................................................... 7 1.3 研究内容及技术路线 ............................................................................................... 9 1.3.1 研究内容 .................................................................................................................................... 9 1.3.2 技术路线 .................................................................................................................................. 10 2 梁北煤矿突水影响因素分析梁北煤矿突水影响因素分析 .................................................................................... 11 2.1 梁北煤矿地质构造特征 ......................................................................................... 12 2.1.1 地质构造对突水的影响 .......................................................................................................... 12 2.1.2 梁北煤矿断层发育情况及其导水性 ...................................................................................... 12 2.2 梁北煤矿水源补给及含水层 ................................................................................. 13 2.2.1 水源补给及含水层对突水的影响 .......................................................................................... 13 2.2.2 含水层发育情况 ...................................................................................................................... 14 2.3 梁北煤矿隔水层 ..................................................................................................... 17 2.3.1 隔水层对突水的影响 .............................................................................................................. 17 2.3.2 隔水层发育情况 ...................................................................................................................... 17 2.4 矿山压力的影响 ..................................................................................................... 18 2.5 本章小结 ................................................................................................................. 19 3 采场底板应力分布和破坏深度理论分析采场底板应力分布和破坏深度理论分析 ................................................................ 21 3.1 半无限体平面弹性理论 ......................................................................................... 21 3.2 初次来压前底板应力计算 ..................................................................................... 22 3.2.1 力学计算模型 .......................................................................................................................... 22 3.2.2 初次来压前底板应力分布计算 .............................................................................................. 24 3.3 周期来压期间底板应力计算 ................................................................................. 27 VI 3.3.1 力学计算模型 ........................................................................................................................... 27 3.3.2 周期来压期间底板应力分布计算 .......................................................................................... 28 3.4 梁北煤矿底板应力分布和破坏深度计算 .............................................................. 31 3.4.1 底板应力变化特征分析 .......................................................................................................... 31 3.4.2 根据弹性理论计算底板破坏深度 .......................................................................................... 35 3.5 本章小结 .................................................................................................................. 39 4 梁北煤矿采场底梁北煤矿采场底板应力分布和破坏深度数值模拟研究板应力分布和破坏深度数值模拟研究......................................... 41 4.1 采场底板应力分布数值计算建模 .......................................................................... 41 4.1.1 采煤工作面概况 ...................................................................................................................... 41 4.1.2 计算模型的建立 ...................................................................................................................... 42 4.2 工作面推进距离对底板破坏深度的影响 .............................................................. 43 4.2.1 不同推进距离时工作面前方支承压力分布规律 .................................................................. 43 4.2.2 不同推进距离时工作面底板破坏规律 .................................................................................. 46 4.3 采深对底板破坏深度的影响 .................................................................................. 48 4.3.1 不同采深时工作面前方支承压力分布规律 .......................................................................... 48 4.3.2 不同采深时工作面底板破坏规律 .......................................................................................... 49 4.4 采厚对底板破坏深度的影响 .................................................................................. 50 4.4.1 不同采厚时工作面前方支承压力分布规律 ........................................................................... 50 4.4.2 不同采厚时工作面底板破坏规律 .......................................................................................... 51 4.5 断层对底板破坏深度影响 ...................................................................................... 52 4.5.1 断层位于开切眼处 .................................................................................................................. 52 4.5.2 断层距开切眼 60m 处 ............................................................................................................. 53 4.6 本章小结 .................................................................................................................. 55 5 现场工业性试验现场工业性试验 ......................................................................................................... 57 5.1 试验工作面工程地质及水文地质条件 .................................................................. 57 5.2 工作面顶底板含、隔水层 ...................................................................................... 57 5.2.1 含水层 ...................................................................................................................................... 58 5.2.2 底板隔水层 .............................................................................................................................. 59 5.3 试验工作面物探成果分析 ...................................................................................... 59 5.3.1 物探目的及工作原理 .............................................................................................................. 59 5.3.2 试验工作面物探成果分析 ...................................................................................................... 60 5.4 试验面突水系数和底板加固深度计算 .................................................................. 61 VII 5.5 试验工作面底板注浆加固工程设计 ..................................................................... 63 5.5.1 钻场、钻孔布置 ...................................................................................................................... 63 5.5.2 底板注浆工艺 .......................................................................................................................... 64 5.5.3 底板注浆改造效果评价 .......................................................................................................... 67 5.6 本章小结 ................................................................................................................. 68 6 结论结论 ............................................................................................................................ 69 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 71 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 75 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................ 77 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 作为我国的主要能源，煤炭资源在社会经济发展中起着举足轻重的作用，如 何实现煤炭的安全高效生产是关系国民经济发展的重大问题[1]。 但是我国煤炭赋存 的水文地质条件复杂，煤炭开采过程中受多种水体威胁，近年来，随着煤炭开采 深度、开采强度及开采规模的增加，加之我国煤炭资源赋存的复杂性，各类矿难 事故频发，不仅造成巨大的经济损失，而且造成了大量的人员伤亡[2-4]。在各类矿 井事故中，矿井水害引起的事故占有很高比例，居特大事故之首[5]。煤矿水害事故 破坏性大，突发性强。我国煤矿底板突水就其发生地区的广度、次数、水量、危 害和复杂程度均比其它煤炭生产国严重。因此，加大投入进行地质条件调查，深 入研究突水发生机理，掌握水害的基本情况，从而制定水害防治技术方案，预防 突水事故的发生，对煤矿安全生产具有十分重要的意义。 许昌新龙矿业有限责任公司梁北煤矿，隶属于河南省神火集团，位于河南省 许昌地区禹州市城南 6km，井田面积 44.8km2。区域交通以公路为主，以禹州为起 点，向东至许昌市 37km，向西经登封县至洛阳市 160km，向南至平顶山市 93km， 向北至郑州市 80km。 梁北煤矿始建于 1992 年 8 月，由河南省煤炭工业厅批准开工建设， 2003 年 9 月底建成投产。矿井设计生产能力 90 万吨/年，服务年限 52.9 年，立井单水平上 下山开拓，开采水平-550 米，采用主副井进风、东风井回风的中央分区式通风方 式。井底水仓集中排水，采用走向长壁后退式采煤方法，全部冒落法管理顶板。 矿井采区巷道上下山布置，初步布置 11 和 21 两个采区。矿井所采煤层为二1煤， 平均煤厚 4.6 米，煤层结构简单。煤层具有煤与瓦斯突出危险性，属于煤与瓦斯突 出矿井。 梁北煤矿同时存在水、瓦斯、煤尘、顶板、地温等自然灾害，在初步回采中 采取有效防范措施， 未发生灾害性事故。 2003年9月～2005年3月先后回采了11151 和 21031 工作面，因受煤层底板水威胁严重，连续发生了 5 次大于 60m3/h 的突水 事故，最大涌水量高达 1100m3/h，迫使 11151 工作面进行多次改造，造成 21 采区 淹没。投产一年半中，仅出煤 25 万吨。由于煤矿生产受到严重制约，同时对矿井 安全造成威胁，防治水工作成为矿井各项工作的重中之重。目前，矿井主要充水 水源为寒灰水，在华北地区具有独特性，以往对以奥陶纪灰岩含水层和薄层灰岩 河南理工大学硕士学位论文 2 含水层为主要充水水源的突水做了大量研究，但在寒武纪灰岩含水层的突水机理 与防治方面的研究几乎是空白。由于对底板破坏与突水机理，包括底板破坏深度， 寒灰水原始导升高度，底板岩层的有效阻水能力，主要突水通道及采动破坏过程， 底板突水危险区分布认识不够充分，且没有能够采取正确的防治水措施，是导致 矿井突水的主要原因。 1.2 国内外研究现状 带压开采指的是在具有承压水压力的含水层上进行的采煤[6]。 煤层底板突水是 下伏承压含水层内的承压水冲破底板岩层的阻隔，沿回采工作面底板采动导水裂 隙带内的导水通道，以突发、缓发或滞发的方式向上涌入回采工作面的过程。煤 层底板水是一种复杂的地质及采动影响现象，受到地质构造、矿山压力、水压力、 底板隔水层的特征、工作面开采宽度及开采等多种的影响[7-9]。几十年来，国内外 许多学者通过实践和实验对矿井突水机理进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。 1.2.1 底板突水机理研究现状 （1）国外研究现状 国外在关于煤矿底板岩层结构及破坏特征方面的研究开始的要优先于国内， 上世纪初，就有国外学者开始意识到煤层底板隔水层在阻止底板突水中发挥的重 要作用。1944 年，匈牙利学者韦格弗伦斯[10]通过对水压、隔水层厚度与底板突水 之间的关系研究，首先提出了相对隔水层概念，建立了三者之间的相互关系，并 给出了底板突水的判断标准；其后前苏联学者 B.斯列萨列夫[11]提出了可以用于进 行底板突水预测的“梁理论”，即将底板视作承受均布荷载的固支梁，以及力学 理论为基础，以强度理论作为判据，研究了其在水压力作用下的破坏机理，并推 导出了底板安全水压值。 20 世纪 60、70 年代，国外研究人员在继续以静力学理论研究底板突水问题 的基础上，重点考虑了地质因素，特别是隔水层岩性及其强度对突水的影响。具 有代表性的是在前苏联和匈牙利等国的研究人员在相对隔水层厚度研究成果的基 础上，提出将泥岩岩层的阻抗水压能力作为标准隔水层厚度，通过将其它岩性岩 层以一定系数换算成泥岩岩层厚度来作为判断突水的标准，这种理论由于考虑了 底板岩层的厚度和强度，因此更加符合现场实际。 20 世纪 90 年代末期，C.F.桑托斯及 Z.T.宾尼威斯基等[12]学者基于改进的胡 克-布朗岩体破坏准则研究了底板岩层的承载力；波兰学者 J.莫蒂卡及 A.P.博世[13] 1 绪论 3 从岩溶发育情况出发，通过对调查大量钻孔资料，研究了岩溶发育与底板突水之 间的关系，在详细了解矿区岩溶发育规律的基础上，指出由于采动影响而形成的 底板裂隙沟通了岩溶含水层是导致矿井发生突水的最直接原因；意大利学者 O.Sammarco 等[14]通过对本国地下采矿活动的研究发现，发生突水前总是伴随有某 些前兆信息