浅埋煤层大采高综采面矿压规律及合理区段煤柱留设研究.pdf

分类号分类号 TD322 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 浅埋煤层大采高综采面浅埋煤层大采高综采面矿压规矿压规 律律及及合理合理区段煤柱留设研究区段煤柱留设研究 韩韩 明明 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名 马其华马其华 职职 称称 副教授副教授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一七年六月二零一七年六月 万方数据 论文题目论文题目 浅埋煤层大采高综采面浅埋煤层大采高综采面矿压规矿压规 律律及及合理合理区段煤柱留设研究区段煤柱留设研究 作者姓名作者姓名 韩明韩明 入学时间入学时间2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向 采矿方法与工艺采矿方法与工艺 指导教师指导教师 马其华马其华 职职 称称 副教授副教授 论文提交日期论文提交日期2017 年年 6 月月 日日 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 日日 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY ON STRATA PRESSURE LAW OF FULLY MECHANIZED MINING FACE WITH LARGE MINING HEIGHT IN SHALLOW COAL SEAM A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Han ming Supervisor Associate Professor Ma Qihua College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2017 万方数据 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经除文中已经 标明引用的内容外，本论标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解本人完全了解山东科技山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所大学有关保留、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撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理规定处理。。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆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；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；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。师生阅读、浏览。 （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）） 硕士生硕士生签名签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查学位论文审查认定书认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照在规定的学习年限内，按照培养方案培养方案及个人培养计划及个人培养计划，完成，完成 了课程了课程学学习，成绩合格习，成绩合格，修满规定学分，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文；在我的指导下完成本学位论文，，论文论文 中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规 定，同意将本论文作为申请学位论文。定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师导师签名签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 王家塔煤矿位于神府矿区东胜煤田万利矿区西南部，煤层埋藏浅、倾角小 及上覆厚松散层是该矿区煤层赋存特点。长期对浅埋煤层长壁开采实践得出浅 埋煤层矿压显现较普通埋深工作面强烈等特点。根据我们对王家塔煤矿 3101 3106 工作面的开采经验工作面矿压相对平稳，无瓦斯突出、冲击地压等地质 灾害，且 20m 回采巷道煤柱偏于安全。结合王家塔煤矿的实际地质和开采条 件，研究 3107 顶板运动规律、工作面矿压规律和合理煤柱留设等问题。 首先利用关键层理论对 3107 工作面上覆岩层关键层进行判定，经理论计 算得出顶板有 C1、C2 两个关键层，利用传递岩梁理论以及关键层失稳机理进 一步分析了其顶板破坏运动形式。然后根据 KJ216 检测系统对工作面矿压规律 的实测结果分析最小初撑力必须大于 5760KN，来压步距,8.7～42.0m，周期 来压与来压步距大小交替出现且工作面矿压相对平稳，进一步佐证了上覆岩层 中有两个关键层的结论，紧接着对三条回采巷道的围岩进行动态监测得出，巷 道顶底板及两帮最大移进量分别为 34mm 和 15.2mm，巷道矿压不大、变形微 弱，说明现有的工作面及巷道支护方式合理，偏于安全。最后先理论计算分析 合理煤柱宽度，在利用数值模拟方法对三条巷道围岩移动及矿压的分析，宽 20m 煤柱尺寸允许减小，为降低成本提高回采率，模拟 10-20m 不同宽度的煤 柱，分析了塑性变形及位移、应力云图，总结得出矿合理的区段煤柱宽度为 12-14m。 关键词关键词浅埋煤层；大采高；关键层；窄煤柱；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Abstract II Abstract The Wangjiata coal mine located in Shenfu mining area of Dongsheng coalfield in Wanli mining area southwest of the shallow buried coal seam, a small angle of overlying thick loose layer and the coal seam occurrence characteristics. Long term practice of shallow coal seam longwall mining shows that the pressure of shallow buried coal seam is more obvious than that of the common buried depth. According to the mining experience of 3101 - 3106 working face in the coal mine, the mine face pressure is relatively stable, there is no gas outburst, rock burst and other geological disasters, and the coal pillar of 20m mining roadway is safe. Combined with the actual geological conditions and mining conditions, the paper studied the movement law of the 3107 roof, the strata pressure and the reasonable coal pillar. First, using the key strata theory of key strata layer 3107 working surface are determined by theoretical calculations show that the roof, C1, C2 two key layer, using the transfer of rock beam theory and the key layer further analysis the damage of roof movement instability mechanism. The results are then analyzed according to the KJ216 detection system on the working face of mine pressure law measured the minimum setting force must be greater than 5760KN, pressure to step away from the 8.7 42.0m, the cycle pressure and pressure to step away from the size and the alternation of working face pressure is relatively stable, further evidence of the overlying strata in two key layer then, on the three of the roadway surrounding rock dynamic monitoring that the roof and floor of the roadway and help the two largest moving amount was 34mm and 15.2mm respectively, the roadway pressure is small and weak deation, indicating the existing tunnel and working face support is reasonable and safe. Finally, theoretical analysis of rational width of coal pillar, the three surrounding rock displacement and the strata are analyzed using numerical simulation , 20m wide coal pillar size allowed is reduced, in order to reduce the cost of increasing the recovery rate, 10-20m simulation of different width of coal pillar, analysis of the plastic deation and displacement and stress nephogram, summarize mine reasonable width of coal pillars for 12-14m. KeywordsShallow buried coal seam; large mining height; key stratum; narrow coal pillar; numerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 1 目目 录录 绪绪 论论 .................................................................................................... ⅠⅠ 目目 录录 .................................................................................................... ⅢⅢ 1 绪绪 论论 ................................................................................................... 2 1.1课题的提出及研究意义 ........................................................................................ 1 1.2国内外研究现状 .................................................................................................... 2 1.3研究的方法及主要内容 ........................................................................................ 4 2 浅埋煤层大采高顶板运动规律分析浅埋煤层大采高顶板运动规律分析 ................................................... 6 2.1 覆岩破坏机理研究 ............................................................................................... 6 2.2 覆岩顶板载荷受力分析 ....................................................................................... 7 2.3上覆岩层关键层的判断 ...................................................................................... 11 2.4上覆岩层运动（破坏）形式分析 ...................................................................... 14 2.5本章小结 .............................................................................................................. 18 3 矿压规律研究矿压规律研究 ...................................................................................... 20 3.1王家塔矿井概况 .................................................................................................. 20 3.2矿压观测结果与分析 .......................................................................................... 21 3.3工作面顺槽的支护方式及观测结果与分析 ...................................................... 36 3.4本章小结 .............................................................................................................. 41 4 合理区段煤柱宽度留设研究合理区段煤柱宽度留设研究 .............................................................. 42 4.1合理煤柱宽度理论计算 ...................................................................................... 42 4.2 数值模拟模型的建立 ......................................................................................... 43 4.3 3107胶运顺槽移近量和应力场的拟合分析 ..................................................... 46 4.4 煤柱宽度方案的提出与稳定性预测 ................................................................. 56 4.5 最终方案的选择 ................................................................................................. 61 4.6本章小结 .............................................................................................................. 61 5 主要结论主要结论 .............................................................................................. 63 致致 谢谢 ................................................................................................ 65 参考文献参考文献 ................................................................................................. 66 攻读硕士学位期间主要成果攻读硕士学位期间主要成果................................................................. 69 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 2 Contents Abstrct ...................................................................................................... ⅠⅠ Contents .................................................................................................... ⅢⅢ 1 Introduction ............................................................................................. 1 1.1 Raising of Project and Research Significance ..................................... 1 1.2 Research status at home and abroad .......................................................................................... 2 1.3 Research s and main contents ........................................................................................ 4 2 Analysis on the movement law of large mining height roof in shallow coal seam .................................................................................................................... 6 2.1 Study on failure mechanism of overlying strata ........................................................................ 6 2.2 Stress analysis of overlying rock roof ....................................................................................... 7 2.3 Determination of the key strata in overlying strata ................................................................. 10 2.4 Analysis of the movement and failure of overlying strata ...................................................... 14 2.5 Summary ................................................................................................................................. 18 3 Study on Mine Pressure Regularity ........................................................... 20 3.1 The general situation of Wang jia ta coal mine ....................................................................... 20 3.2 Observation and analysis of mine pressure ............................................................................. 21 3.3 The supporting and observation results and analysis of working face ....................... 36 3.4 Summary ................................................................................................................................. 41 4 Study on the width of coal pillar in reasonable section ................................ 42 4.1 Theoretical calculation of reasonable small coal pillar width ................................................. 42 4.2 Establishment of numerical simulation model ........................................................................ 43 4.3 Fitting analysis of the near and the 3107 stress displacement field ........................................ 46 4.4 The proposal of coal pillar width and stability prediction ........................... 56 4.5 Selection of final scheme ........................................................................................................ 61 4.6 Summary ................................................................................................................................. 61 5 Main conclusions ..................................................................................... 63 Thanks ...................................................................................................... 65 Reference ................................................................................................... 66 Major achievements in the study of masters degree ............................................ 69 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪绪 论论 1.1 课课题的提出及研究意义题的提出及研究意义 2014 年底，国务院颁布的文件能源发展战略行动计划 2014-2020中要 求必须优化能源结构，方案降低煤炭消费比重, 将其控制在 62以内,但未来 煤炭依然会作为我国主体能源。2015 年，我国煤总炭产量 36.8 亿吨，与 2014 年相比下降 3.5。煤炭是不可再生资源，我国煤炭资源虽然很丰富  1 ，但可采 储量却较少，人均探明开采储量仅为世界平均值的 1/2。中国作为世界上最大 的煤炭开采和消费国家，煤炭使用寿命煤炭总储量/年开采量中国是 35 年， 美国是 241 年，印度是 106 年，欧盟是 105 年，所以作为我国主体能源的煤炭 资源使用寿命是紧张的，要求我们必须提高煤炭的利用率及煤炭回采率，甚至 开发替代能源。神府东胜煤田地处内蒙古、陕西、山西三省交界处，探明煤炭 储量 2300 多亿吨，占全国总储量的 1/4，是世界八大煤田之一，是我国重点开 发建设的垮世纪能源基地，该地区煤层赋存的典型特征是煤层埋藏浅、倾角小 及地质结构简单。王家塔矿区即坐落于这个特大型煤炭生产基地[煤田上。 我国于 20 世纪 90 年代初，针对神东矿区平缓地形下厚松散层、薄基岩浅 埋煤层工作面，开始探索浅埋煤层矿压显现与岩层控制，取得了一系列成果。 浅埋煤层 42 的开采实践表明一般情况下，浅埋煤层工作面矿压强度大于普 通埋深工作面矿压的强度；顶板基岩破断角较大且多是沿全厚切落，破断基本 上会波及至地表；基载比（基岩与载荷层厚度的比值）对来压强度（矿压显 现）有很重要的影响。在开采过程中工作面矿压规律不仅是上覆岩层活动的体 现，更直接决定了工作面的安全高效生产。 近年来在满足大采高煤层条件下，大采高一次采全高长壁综采采煤方法逐 渐成为国内外高产高效工作面采用的主要方法 75 ，随着大采高在我国尤其是 在神东矿区的利用率的提高，我国科研工作者对大采高采煤方法做了大量研 究，特别是在矿压和巷道支护方面取得了很大突破。王家塔煤矿与神东公司大 柳塔、补连塔、上湾和哈拉沟等特大型高产高效煤矿同属东胜侏罗纪煤田，煤 层开采技术条件相似，所以具备布置大采高综采的条件。虽然大采高综采在这 一煤田的这些矿井都成功的应用并取得了很多经验，但由于采高及设备的不 同，所以即便是同一煤田的其他矿井的经验如顶板管理，回采工艺，巷道支 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 护，煤柱尺寸不能全部照搬拿来服务于王家塔煤矿。经过我们对王家塔煤矿 31013106 工作面的开采经验研究得出工作面矿压相对平稳，无瓦斯突出、冲 击地压等地质灾害，且 20m 回采巷道煤柱偏于安全，鉴于分析得到的顶底板运 动规律[89]、矿压规律及巷道两帮的运动规律，得出王家塔煤矿在工作面支护 和巷道布置及支护有需要优化的地方，尤其是偏于安全的回采护巷煤柱。本文 针对 3107 工作面正常推进过程中实测得出的数据来具体研究分析其顶底板运 动规律、矿压规律及巷道两帮的运动规律[1011]，提出其优化方案。我们对王家 塔煤矿的优化研究不仅为王家塔煤矿的安全和高效生产有利也会为类似地质条 件下其他矿井的生产提供一定的经验和价值。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 对浅埋煤层矿压显现的研究，1981 年，苏联 B.B.布德雷克对莫斯科近郊 厚粘土浅埋煤田矿山压力研究后得出在厚粘土层的条件下，煤层在埋深约 100m 时，放顶时支架出现动载现象，采区内约 12的煤柱出现动载现象。说 明浅埋煤层与普通埋深采场顶板相比其来压比较迅猛，顶板垮落失稳较剧烈。 侯忠杰教授 1512 通过有限元计算的方法分析了厚松散层下浅埋煤层的开 采，结论是造成基岩破断的力是剪切力，浅埋煤层顶板为松散层薄基岩时其 不能形成稳定的砌体梁结构，整体台阶下沉会造成冒落带的高度增加，进而造 成上覆岩层的变化。 1996 年，在文献 16 中，钱鸣高院士等人首次提出工作面上覆岩层活动中 的关键层理论，建立了判别关键层的准则，对关键层作用下的岩层变形、离层 及断裂规律进行了深入研究。根据关键层的作用特性，分析了工作面上覆岩层 活动中的整体结构形态。关键层理论是当今对工作面矿压和上覆岩层的活动的 研究主体思想和方法。 2002 年，黄庆享教授在文献 17 中给出了浅埋煤层定义，详细分析了其矿 压特征，研究表明浅埋煤层顶板基岩沿全厚切落且破断角较大，破断基本波 及至地表；来压期间，顶板台阶下沉和动载现象较明显；工作面覆岩基本上为 冒落带和裂隙带“两带”，不存在“三带” 2218 。浅埋煤层顶板覆岩通常只有 一个关键层，很难形成稳定的“砌体梁”结构，当基岩厚度较大时顶板会出现 两个关键层，两个关键层不同步的活动破断是形成大小周期来压现象主要原 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 因，其矿压显现特征介于普通埋深煤层和典型浅埋煤层之间，且顶板台阶下沉 微弱。 西安科技大学的杨治林教授经研究认为煤层埋藏浅且基岩厚度较小采 场顶板通常呈现单一关键层活动现象，来压的持续时间较短且有较明显动载现 象，控制其矿压的有效做法是增大变形刚度和支架工作阻力，尤其要保证有效 初撑力 23 。当顶板岩石较坚硬时，必须采取放炮等技术措施人工强制放顶，控 制顶板活动的关键是控制关键层破断长度。 煤柱 2524 的问题伴随着采矿活动的发展应运而生，柱宽度主要在两个方面 影响巷道的稳定性一是影响巷道围岩应力；二是影响巷道围岩完整性。煤柱 的宽度是每个矿重点研究对象，如煤柱尺寸过窄，则煤柱支承作用很小，巷道 压力变大，煤柱会出现裂隙发育，导致不同程度的漏风；围岩变形强烈，影响 工作面