近距离浅埋煤层下行开采综采面矿压机理研究.pdf

论文题目近距离浅埋煤层下行开采综采面矿压机理研究 工程领域矿业工程 硕 士 生黄康（签名） 指导教师邓广哲校内（签名） 邓增社校外（签名） 摘要 近距离浅埋煤层群是陕北侏罗纪煤田煤层的普遍赋存特征。随着陕北侏罗纪煤田的 开采规模与强度的增加，浅埋深的煤炭资源已经越来越少。近年来，煤矿开始逐步采用 下行开采方式，转向下部煤层的开采。由于近距离煤层层间间距较小，加之上部煤层开 采后采空区煤柱的影响， 导致下行开采工作面的顶板矿压显现剧烈， 顶板事故时有发生。 浅埋煤层采空区煤柱下方的煤层开采强矿压的显现，已经成为近距离浅埋煤层下行开采 矿井亟待解决的重大安全隐患。 本文依托韩家湾煤矿近距离浅埋煤层下行开采的工程条件，综合运用实验室实验、 理论分析及数值模拟计算等方法， 系统研究了陕北侏罗纪 2-2煤层典型房柱式采空区下方 近距离下行开采 3-1煤层过程中， 下行开采综采工作面的上覆岩层运动规律及其矿山压力 的显现特征。揭示了近距离浅埋煤层房柱式采空区残留煤柱的稳定性及煤柱的集中应力 在底板岩层中的传递规律；分析研究了 3-1煤层综采面上覆岩层运动的结构特征及 2-2煤 层典型房柱式采空区煤柱与上覆关键层岩块的二次破断运动的力学机制。 从顶板应力场能量释放和关键层失稳的耦合作用，研究了下行开采综采工作面开采 过程，2-2煤层的上覆关键层岩块的二次采动诱发回转失稳，致使煤柱顶底板岩层弹性能 释放的规律；进一步研究了下行开采工作面通过采空区煤柱位置后，煤柱集中应力的突 然释放，导致近距离煤层顶板切落失稳的规律。揭示了近距离煤层顶板采空区煤柱失稳 诱发下行工作面强矿压的致灾机理。通过数值模拟手段，研究了近距离浅埋煤层下行开 采工作面通过不同宽度煤柱和不同高度煤柱过程的矿压现象，得到煤柱宽度越大，下行 开采工作面采出上方煤柱过程中，顶板释放的能量越大，诱发下行开采工作面的动压现 象就越明显。 关 键 词近距离煤层；采空区煤柱；下行开采；动压灾害 研究类型应用研究 SubjectStrata Mechanism of Down Mining Face Down to Up of Shallow Close Distance Seam SpeciallyMining Engineering NameHuang KangSignature InstructDeng GuangzheSignature Deng ZengsheSignature ABSTRACT Close shallow buried coal seam group is a common occurrence characteristic in north of shaanxi Jurassic coal seam.With the Jurassic shallow seam mining to the constant expansion of the size and strength,shallow buried depth of coal resources has been less and less.In recent years,Coal mine began to gradually adopts the downward mining and has been transferred to the lower coal seam. Since the short mining distance between the two coal seams. Combined with the influence of the gob coal pillar after mining the upper coal.cause the downward mining working face roof rock pressure show, roof accidents have occurred. Shallow buried coal seam at the bottom of the coal seam by the coal mining strong pressure, has become a close shallow buried coal seam downward mining mine major safety concerns to be resolved. This thesis is based on the close shallow buried coal seam downward mining engineering conditions of Han Guwan coal mine.Using laboratory experiment, theoretical analysis and numerical simulation comprehensively, Systemic research the downward mining overlying strata movement laws and the apparent characteristics of the mine pressure when 3-1 coal seam mining process below 2-2coal seam of typical room and pillar goaf of the north shaanxi Jurassic.Reveals the close shallow buried coal seam room and pillar goaf residual coal pillar stability and the concentration of coal pillar stress transfer characteristics in floor strata. Studying the structure characteristics of the overburden of 3-1coal seam. and 2-2coal seam of typical room and pillar goaf pillar and overlaying key strata mechanics mechanism of the secondary breaking of the rock movement. From the roof stress field of energy release and coupling effect of key stratum instability. Studying the downward mining exploitation process of fully mechanized working face, 2-2 coal seam of key layer of overlying rock of the secondary mining induced by rotary instability, the roof and floor rocks of elastic energy release regularity of coal pillar.Further downward mining working face is studied by the coal location, concentrated stress the sudden release of coal pillar, which leads to the close of roof falling instability.Reveals the close distance coal seam roof instability induced by the coal to mechanism of the downstream face strong pressure. Through computer numerical simulation studied the downward mining working face by a different width and highth of coal pillar phenomenon of dynamic pressure, conclued that the greater the width of coal pillar, the greater the energy release of the roof when the downward mining working face is out the upper coal pillar, the downward mining working face dynamic pressure induced phenomenon is more obvious. Key wordsCloes coal seams; The coal pillar of room and pillar goaf; Downward mining; Dynamic pressure disasters ThesisApplication research 目录 I 目 录 1 绪论........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义........................................................................................................1 1.2 本课题国内外研究现状........................................................................................... 2 1.2.1 浅埋煤层长壁开采矿压规律研究现状......................................................2 1.2.2 近距离浅埋煤层下行开采矿压规律研究现状.........................................3 1.2.3 煤柱稳定性研究现状...................................................................................4 1.2.4 浅埋煤层顶板控制技术研究现状..............................................................5 1.3 研究目的、内容、方法和技术路线...................................................................... 6 1.3.1 研究目的.........................................................................................................6 1.3.2 研究内容.........................................................................................................6 1.3.3 研究方法.........................................................................................................7 1.3.4 技术路线.........................................................................................................7 2 煤柱底板应力的传播规律..................................................................................................9 2.1 矿区生产地质条件...................................................................................................9 2.1.1 矿井地质........................................................................................................9 2.1.2 煤层赋存特征................................................................................................9 2.1.3 煤层开采情况..............................................................................................10 2.2 煤岩物理力学性能及关键层................................................................................11 2.2.1 煤岩物理力学参数.....................................................................................11 2.2.2 确定关键层位置.........................................................................................12 2.3 房柱区残留煤柱稳定性及应力分布...................................................................14 2.3.1 煤柱稳定性分类.........................................................................................14 2.3.2 煤柱稳定性理论分析.................................................................................17 2.3.3 煤柱应力在底板中的分布特征................................................................20 2.4 本章小结................................................................................................................. 23 3 近距离浅埋煤层岩层运动规律物理模拟....................................................................... 24 3.1 实验内容及模型设计..............................................................................................24 3.1.1 实验内容......................................................................................................24 3.1.2 模型设计......................................................................................................24 3.2 实验结果及分析......................................................................................................25 3.2.1 工作面顶板来压特征.................................................................................25 3.2.2 房柱采空区下开采覆岩裂隙发育状态特征...........................................29 目录 II 3.2.3 工作面出间隔煤柱顶板来压特征............................................................30 3.2.4 房柱采空区下开采矿压规律分析............................................................31 3.3 本章小结...................................................................................................................33 4 近距离煤层下行开采矿压规律数值模拟....................................................................... 34 4.1 房柱采空区下开采数值模拟.................................................................................34 4.1.1 模型建立......................................................................................................34 4.1.2 覆岩应力变化..............................................................................................36 4.1.3 3-1煤层开采覆岩位移分布.........................................................................42 4.2 工作面过不同煤柱模拟分析................................................................................43 4.2.1 模型建立与开挖.........................................................................................43 4.2.2 模拟实验结果分析.....................................................................................43 4.3 本章小结...................................................................................................................45 5 近距离浅埋煤层下行开采矿压机理................................................................................47 5.1 顶板结构特征.........................................................................................................47 5.2 顶板破断运动力学及矿压机理分析...................................................................47 5.2.1 覆岩运动力学分析.....................................................................................48 5.2.2 工作面在煤柱群下开采矿压分析............................................................50 5.2.3 工作面出间隔煤柱大面积切顶机理分析............................................... 53 5.3 动压灾害防治.........................................................................................................56 5.3.1 工作面的合理支护强度.............................................................................56 5.3.2 煤柱预裂卸压..............................................................................................57 5.4 本章小结................................................................................................................. 59 6 结论与展望..........................................................................................................................60 6.1 结论..........................................................................................................................60 6.2 展望..........................................................................................................................61 致 谢....................................................................................................................................... 62 参考文献.................................................................................................................................63 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 陕北侏罗纪煤田多为浅埋煤层群。 对于浅埋煤层群的开采， 主要赋存特征是埋深浅、 薄基岩，厚风积沙覆层。实践表明，松散层下浅埋煤层采动形成的顶板结构和来压特征 普遍出现台阶下沉等强矿压现象[1-2]。 神东矿区煤层开采初期大部分集中于埋深在 100m 左右的浅部，地质条件简单，煤 层倾角平缓，赋存稳定，开采条件优越。煤田在开发初期，郭家湾和哈拉沟等国营煤矿 设计采用了长壁采煤方法进行浅埋煤层开采，但由于来压期间出现的顶板台阶下沉难以 控制，又重新改回在大规模开发之前采用的房式或刀柱式开采方式，用房柱式开采残留 的煤柱或经充填后的煤房支撑顶板，从而控制顶板的冒落及防止地表的沉陷。随着神东 矿区开采规模与强度的不断扩大，很多矿井之前开采的浅部煤层资源越来越少，逐渐枯 竭，开始转向煤层群的下部开采。但由于上下两层煤存在一定的间距，下煤层开采时会 受到上层煤开采的影响，如此便形成了近距离煤层群开采的典型特征。然而，当上下煤 层间距较大时，上部煤层开采之后对下部煤层的开采影响较小，其工作面矿压规律类似 于浅埋单一煤层的开采，基本不受上煤层的影响。当上下煤层间距较小时，下煤层的开 采受上煤层开采后的影响程度便会加大，上煤层房柱式开采残留的煤柱在底板处形成应 力集中，使下煤层开采区域顶板的运动和应力发生较大的变化。在部分特殊的地质及开 采条件下，受上煤层开采后的影响，下煤层工作面矿压显现剧烈，液压支架发生活柱瞬 间的大幅度下缩现象，造成支架被压死、毁坏等事故，严重威胁着矿井的安全及高产高 效生产[3-4]。 陕北矿业集团韩家湾煤矿是典型的陕北侏罗纪煤田浅埋多煤层群生产矿井。随着上 煤层 2-2煤层的开采资源逐渐匮乏，矿井目前的生产开始向 2-2煤层下部的 3-1煤层转移。 在 3-1煤层实际的开采准备过程中，其综采工作面的合理布置以及综采支架的合理选型， 受到上部 2-2煤层区段煤柱和房柱式采空区等的不同集中压力的影响。 目前与韩家湾煤矿相邻的神东煤炭集团石圪台煤矿现场生产及相关调查研究发现， 上层煤层群及房柱式采动区的存在对下部 3-1煤层工作面及巷道的布置方式和“支架-围 岩”系统的稳定性具有严重影响。石圪台煤矿开采 3-1煤时，31201 工作面位于 2-2煤房柱 式采空区下，为实现矿井高产高效，控制顶板来压事故，支架选用 ZY18000/25/45D 型， 但在 3-1煤开采过程中受 2-2煤房柱式采空区、煤柱的影响，煤柱支承压力与顶板运动垮 落形成叠加，突然失稳造成顶板局部突然切顶冒落，上方残留煤柱与直接顶一同被压落 至下煤层，仍然出现了 9 次压架事故，甚至在工作面出现了整体性支架立柱卸压、爆裂 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 事故。 3-1煤层长壁开采造成采动应力重新分布， 应力集中引起大面积煤柱失去支撑能力， 诱发残留煤柱群大面积突变失稳，在短时间内剧烈来压，出现了大面积顶板强矿压灾害 [5-7]。 浅埋房柱采空区下近距离煤层长壁开采过程中出现的灾害已成为制约该类煤层安全 高效开采的重大技术难题，迫切需要对近距离浅埋煤层在房采区下进行长壁开采时覆岩 结构特征及运动规律、顶板切落机理以及有效的控制技术进行深入研究。 目前， 国内外关于近距离煤层开采系统的研究主要在开采其实践和经验的定性总结。 近距离煤层房采区下工作面矿压显现规律和常规工作面有很大不同[8-12]，正确掌握工作 面的矿压显现规律对工作面设备选型，安全生产有很大的指导意义。 本文将针对神东矿区近距离浅埋煤层房柱采空区下进行长壁开采的地质生产条件， 以韩家湾煤矿房柱式采空区下 3-1煤层的开采为背景， 综合运用实验室实验、 理论分析及 数值模拟计算等研究方法，系统研究近距离煤层房柱式采空区下长壁开采时覆岩运动规 律及矿山压力的显现特征，为该类地质条件矿井中可能出现的顶板事故原因及支架选型 提供重要依据， 为近距离煤层群房采区下开采时工作面的安全高效开采提供指导和借鉴。 1.2 本课题国内外研究现状 1.2.1 浅埋煤层长壁开采矿压规律研究现状 大型的浅埋煤田在国外并不多，较为典型的主要有俄罗斯的莫斯科近郊煤田、美国 的阿巴拉契亚煤田、印度的拉尼根杰煤田和澳大利亚的猎人谷煤田[13-17]。所属于这些煤 田的大部分矿区地表主要为表土层， 很少出现工作面顶板的台阶下沉和涌水溃沙等现象， 主要研究集中在简单的矿压观测及一般的力学理论分析。 前苏联学者 M.秦巴列维奇针对 浅埋深煤层较早的提出顶板台阶下沉假说[18-19]，假设上覆岩层为均质材料，顶板沿煤壁 斜上方垮落直至地表，支架所承受的载荷应考虑其上整个岩层的重力作用；认为当上覆 岩层存在坚硬的老顶时，老顶在煤壁内破断，按控顶区跨度计算上覆岩层全部重量确定 支架载荷。 英美两国多采用房柱式进行浅埋煤层开采，从而能够有效控制地表的下沉，研究了 地表岩层的运动规律，并对采前地层的地震波探测与工程地质进行了评价[20-21]。南非等 国针对浅埋煤层采用房柱式开采而引起的地表沉陷进行初步的预测及确定了煤柱所承受 的载荷 [22-24]。 我国学者对浅埋煤层开采覆岩结构特征及其运动规律进行了大量的研究。钱鸣高院 士根据对矿井工作面顶板岩层控制的多年研究，提出了关键层理论，把在岩层活动中能 够控制上覆岩层运动变形的厚而硬的岩层称为关键层。并在岩层运动假说的基础上研究 了岩层裂隙带形成结构的平衡条件，提出了工作面开采后上覆岩层呈现的“砌体梁”平 1 绪论 3 衡结构[25-26]。 西安科技大学侯忠杰教授对浅埋煤层顶板的破断机理及顶板控制进行了深入分析。 根据浅埋煤层中基岩的抗剪厚度和支架对破断岩块的共同作用，反算其上覆松散层的重 量，推算是否发生台阶下沉的判断依据及支架的临界支护强度[27-32]。黄庆享教授等认为 在浅埋煤层长壁开采中老顶的破坏遵从拉破坏准则，研究了老顶岩块挤压点的挤压和摩 擦性质，确定了老顶岩块结构的挤压因素和摩擦因素两个关键参数。并提出浅埋煤层上 覆岩层运动过程中“台阶岩梁”和“短砌体梁”结构，并在计算支架工作阻力中引入顶 板载荷传递因子[33-35]。 许家林教授等对神东矿区浅埋煤层的关键层结构类型和关键层破断的失稳特征进行 了深入研究分析，将浅埋煤层上覆岩层的关键层结构划分为单一和多层两种结构类型。 其具体划分如图 1.1 所示。并认为单一关键层结构是引起浅埋煤层动载现象的根源。揭 示了神东矿区存在单一关键层结构的浅埋煤层工作面出现台阶下沉和压架等采动损害问 题的力学机制[36-37]。 浅埋煤层关键层结构 单一关键层结构 多层关键层结构 厚硬 单一关键层结构 复合 单一关键层结构 上煤层已采 单一关键层结构 图 1.1 浅埋煤层关键层结构类型划分 孙远进[38]根据榆阳矿区煤层赋存的厚风积沙层特征，指出浅埋煤层在厚风积沙层下 开采工作面顶板难以形成稳定的结构，出现明显的动压和台阶下沉现象，形成了浅埋煤 层薄基岩顶板的“台阶岩梁”结构。张聚国[39]等通过对昌汉沟煤矿浅埋煤层开采地表移 动变形规律的观测，分析指出覆岩松软条件下地表易产生连续性变形，呈现出剧烈的不 均衡移动，裂隙带出现裂缝的产生、扩展和闭合三个阶段。 刘玉德博士采用多因素综合指标的分析方法，研究形成了神东矿区沙基型浅埋煤层 保水开采的初步分类体系[40-41]。 范钢伟博士等采用物理相似模拟和数值模拟计算的方法， 对浅埋煤层进行长壁开采时工作面上覆岩层运动及在水平与垂直方向上裂隙的扩展形态 特征进行了深入分析。并根据关键层结构的稳定性建立了关键层破断的触矸前沿煤壁切 落、触矸后沿煤壁切落、触矸前架后切落和触矸后架后切落的四种判别模型，进而形成 覆岩运动形式的判别体系[42-43]。 1.2.2 近距离浅埋煤层下行开采矿压规律研究现状 浅埋煤层开采工作面的矿压规律研究，前苏联学者 B.N.包基依据煤层之间的间距判 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 断能否采用上行开采为标准，按照煤层开采时工作面顶板产生破坏带的高度确立了近距 离煤层的定义，并提出了破坏带高度的计算公式[44]。葛尔巴节夫在煤层进行上行开采试 验的基础上，以开采下部煤层对上部煤层是否发生影响以及影响程度作为判断标准，确 定了煤层群进行上行开采时的基本要素和基本条件[45]。 然而，对于近距离浅埋煤层房柱式采空区下进行长壁开采，在国内目前的研究成果 主要在于下煤层工作面的巷道布置以及在煤柱下的开采技术和矿压规律等等[46-50]。近年 来，很多学者采用力学理论、物理相似材料模拟和数值相似模拟实验分析和现场实测的 方法对此进行了深入研究和探讨。 中国矿业大学部分学者在近距离浅埋煤层房柱区下开采矿压规律方面做了大量研 究，姜鹏飞等通过模拟实验的方法对下煤层工作面在上煤层不同煤柱宽度下进行开采所 受的影响进行了详细分析研究，并指出煤柱宽度越大，其内部的最大主应力先增大后减 小[51]。解兴智以鄂尔多斯矿区工作面在房柱式采空区下开采为背景，揭示了下煤层工作 面在房柱区下开采时其上覆岩层的运动规律，指出此条件下覆岩运动存在着上大下小且 相互影响的双结构特征[52-53]。 其他学者在相关方面也做了大量的研究。史元伟等运用解析法和数值分析的方法分 析了浅埋近距离煤层开采时相互之间的影响及煤柱在底板岩层中的应力分布[54]；吴爱民 等采用 DDA 数值模拟分析方法对工作面开采上覆岩层运动规律及残留煤柱的变形影响 进行了研究[55-57]；胡炳南根据某矿的开采条件，建立开采前后的力学模型，深入分析了 厚煤层分层且重复开采和近距离煤层重复开采时上覆岩层运动的规律[58]；周楠等采用物 理相似模拟实验和现场实测的方法，总结了近距离煤层在釆空区下开采工作面的矿压规 律，釆空区下工作面上覆岩层的运动规律，并提出工作面顶板及上覆岩层“块体一散体 一块体”的复合结构模型[9]。 朱卫兵教授等通过数值和相似模拟实验相结合的方法对浅埋近距离煤层重复采动的 关键层结构失稳机理进行深入研究，指出浅埋近距离煤层下行开采过地表沟谷时发生动 载矿压灾害的原因为沟谷地形上覆岩层受到侵蚀作用， 致使其侧向水平方向上的力缺失， 从而导致关键层结构的超负荷，进而出现滑落失稳的现象[59]。 邓雪杰等根据某矿煤层赋存特征，采用物理相似模拟的方法，研究了近距离浅埋煤 层进行下行开采时工作面的矿压显现规律和其上覆岩层的运动特征，指出其特征为下 层煤开采时工作面的压力较大，且来压周期不明显，跨落角大于上层煤垮落角等[60]。 综上所述，浅埋近距离煤层房柱区下开采矿压显现不同于浅埋单一煤层的开采，上 下煤层层间距对矿压显现影响明显，矿压剧烈显现引发动力灾害，多由于重复采动引起 的关键层结构超负荷，从而出现滑落失稳的现象。 1.2.3 煤柱稳定性研究现状 1 绪论 5 研究及经验发现，神东矿区浅埋近距离煤层上部进行房柱式开采残留的煤柱，其稳 定性直接关系到下部煤层开采能否进行安全高效生产的主要因素。国内外学者对条带开 采煤柱、房柱式开采的残留煤柱、巷道的保护煤柱的稳定性进行了大量研究。 澳大利亚学者 Galvin 和 Hebblewhite 为当地的房柱式条件生产提供了不同的煤柱设 计方案，如菱形、矩形煤柱等等，并对其稳定性做了实验性研究[61-62]。A.H.Wilson[63]提 出了煤柱两个区段的渐进破坏理论，在煤柱加载实验