浅埋煤层短壁充填开采覆岩运动控制研究.pdf

分类号分类号 TD327 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 浅埋煤层短壁充填开采覆岩运动浅埋煤层短壁充填开采覆岩运动 控制研究控制研究 孔孔 贺贺 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 领域领域名名称称矿业工程矿业工程 指导教师姓名指导教师姓名郭郭 惟惟 嘉嘉 职职 称称教教 授授 副副指导教师姓名指导教师姓名 温国惠温国惠 职职 称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二○一一七七年年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 浅埋煤层短壁充填开采浅埋煤层短壁充填开采覆岩运动覆岩运动 控制控制研究研究 作作 者者 姓姓 名名 孔孔 贺贺 入入 学学 时时 间间 2014年年9月月 领领 域域 名名 称称 矿业工程矿业工程 研研 究究 方方 向向 矿山特殊开采矿山特殊开采 指指 导导 教教 师师 郭郭 惟惟 嘉嘉 职职 称称 教教 授授 副指导教师副指导教师 温温 国国 惠惠 职职 称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2017 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2017 年年 6 月月 万方数据 STUDY ON THE CONTROL OF SHORT-WALL MINING OF OVERLYING STRATA MOVEMENT IN SHALLOW A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Kong He Supervisor Professor Guo Weijia College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 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。除文中已经认的文献外，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 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 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。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 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、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。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作为申请学位的条件之一，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） 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 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 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 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 裕兴煤矿生态园下压覆大量煤炭资源，为保证地表生态园区内建构筑物安 全稳定在损坏等级Ⅰ，本文综合运用理论分析、室内试验、数值模拟、现场监 测等方法对比研究短壁充填开采、短壁充填置换开采方式下的覆岩及地表移动 变形规律。 以裕兴煤矿31601工作面为工程实例， 基于obert条带煤柱稳定性计算要求， 通过梁理论分析计得到支巷采宽 5m，结合尖点突变理论及覆岩-煤柱-充填体协 作支撑体系承载机理分析， 得到诱发煤柱及充填协作支撑体系失稳的力学判据。 对比短壁充填开采、短壁充填置换开采得到不同开采方式下覆岩移动变形 参数，同时通过煤柱及覆岩应力监测对煤柱-覆岩、煤柱-覆岩-充填体、充填体- 覆岩三种空间力学结构进行对比分析，得到“树杈型”贯穿性裂隙演化特征。通 过充填体取芯监测得到充填体一系列力学参数。在短壁充填置换开采中形成的 覆岩-充填体-煤柱支撑协作体系中煤柱应力达 12MPa，充填体受力 2MPa 情况 下保证了覆岩整体结构稳定。得到短壁充填开采条件下地表最大下沉值约为 300mm， 倾斜值为0.71mm/m、 最大曲率值0.02mm/m2、 最大水平变形值0.63mm/m。 短壁充填置换开采地表最大下沉值为 1050mm，地表最大倾斜变形值为 2.9mm/m、水平变形为 2.3mm/m、曲率值为 0.07mm/m2。通过理论计算及实验确 定了裕兴煤矿短壁充填开采的回采方案，资源回采率达到 75，且有效控制地 表移动变形情况，保护了地表生态园区建构筑物损坏程度小于损坏等级Ⅰ。 对 31601 工作面地表移动进行观测，得到短壁充填开采累计地表变形 245mm，地表移动变形受采动影响较小，倾斜值、曲率、地表水平移动变形均 满足地表控制的损坏等级Ⅰ。 关键词关键词建下开采；矸石充填；短壁开采；覆岩移动；工程应用 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II Abstract There is a large amount of coal under Yuxing Coal Mine Ecological Park. In order to keep that architecture stably in Ecological Park in level-I damage range, the author comprehensively used s like theoretical analysis, laboratory test, numerical simulation and field investigation to compare and research on overlying strata and ground movement and deation laws of backfill mining in short-wall face and backfill replacement mining in short-wall face in this paper. Taking the face of 31601 in Yuxing Coal Mine as the engineering example, the author drew the conclusion that the mining width of branches was 5m based on calculation requirements on stability of obert stripe pillar through analyses and calculation of Beam Theory and. In combination with analyses on Cusp Catastrophe Theory and the bearing mechanism of overlying stratum-pillar-fill coordinated support system, the author got to know mechanical criteria for instability of pillar and fill coordinated support system. Through comparison of backfill mining in short-wall face and backfill replacement mining in short-wall face, the author got overlying stratum movement and deation laws in different mining modes. At the same time, through supervision on press of pillar and overlying stratum, the author compared and analyzed spatial mechanical structures of pillar stratum and pillar-overlying stratum-fill and fill-overlying stratum and got “branch-shape” penetrating fracture. Through supervision on the core of the fill, the author got a series of mechanical parameters of the filler. Press of the pillar in the overlying stratum-fill-pillar coordinated support system ed in backfill replacement mining in short-wall face reached 12MPa. In the circumstance that press on the filler was 2MPa, overall structural stability of overlying strata was ensured. In the circumstance of backfill mining in short-wall face, the maximum submergence was about 300mm, the slope of was 0.71mm/m, the maximum curvature was 0.02mm/m2 and the maximum horizontal deation was 0.63mm/m. In the 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III circumstance of backfill replacement mining in short-wall face, the maximum submergence was about 1050mm, the slope of was 2.9mm/m, the maximum horizontal deation was 2.3mm/m and the maximum curvature was 0.07mm/m2. Through theoretical calculation and experiments, the author determined recovery plans for backfill mining in short-wall face in Yuxing Coal Mine and the recovery rate reached 75. Besides, ground deation was efficiently controlled and architecture in Ecological Park was kept in level-I damage range. Through supervision on ground movement of the face of 31601, the author drew the conclusion that the accumulative ground deation in backfill mining in short-wall face was 245mm. Ground movement and deation was influenced little by exploitation. The slope, the curvature, ground horizontal movement and deation were all in level-I damage range. Keywords Mining under construction, gangue back-filling, short-wall mining, overburden strata movement, engineering application 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要 ......................................................................................................................... ⅠⅠ 目目 录录 ......................................................................................................................... ⅣⅣ 1. 绪论绪论 ........................................................................................................................ 1 1.1 课题研究背景与意义 ............................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状综述 ............................................................................................ 3 1.3 研究内容与方法 .................................................................................................... 8 2. 开采方案设计及煤柱稳定性研究开采方案设计及煤柱稳定性研究 .............................................................. 10 2.1 工程地质概况 ...................................................................................................... 10 2.2 开采方案设计 ...................................................................................................... 14 2.3 短壁开采工艺 ...................................................................................................... 15 2.4 煤柱失稳判据分析 .............................................................................................. 17 2.5 充填协作支撑体系承载机理 .............................................................................. 24 2.6 本章小结 .............................................................................................................. 29 3. 短壁开采覆岩及地表移动变形特征数值模拟试验短壁开采覆岩及地表移动变形特征数值模拟试验 ............................. 30 3.1 软件概述与研究内容 ....................................................................................................... 30 3.2 数值计算模型建立及参数选取 ..................................................................................... 30 3.3 采动覆岩变形数值模拟实验分析 ................................................................................ 36 3.4 本章小结 .............................................................................................................................. 39 4. 短壁开采覆岩及地表移动短壁开采覆岩及地表移动物理物理相似相似研究与分析研究与分析 .................................. 41 4.1 采动覆岩变形相似模型制作 .............................................................................. 41 4.2 短壁充填开采应力及地表移动变形监测 .......................................................... 46 4.3 短壁充填置换开采应力及地表移动变形监测 .................................................. 51 4.4 本章小结 .............................................................................................................. 58 5. 短壁充填开采短壁充填开采效果评价效果评价 ................................................................................. 59 5.1 覆岩移动地表变形观测方案设计 ...................................................................... 59 5.2 覆岩移动地表变形观测结果与分析 .................................................................. 62 5.3 充填成本分析 ...................................................................................................... 62 5.4 本章小结 .............................................................................................................. 67 6. 结论及展望结论及展望 ........................................................................................................ 68 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 6.1 主要结论 .............................................................................................................. 68 6.2 论文展望 .............................................................................................................. 68 致致 谢谢 ......................................................................................................................... 71 攻读硕士学位期间主要成果攻读硕士学位期间主要成果 ............................................................................. 71 参考文献参考文献 ................................................................................................................... 72 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI Contents 1. Introduction .............................................................................................................. 1 1.1 Research Background and Significance of Topic ....................................................................... 1 1.2 Present Situation of Study at Home and Abroad ........................................................................ 3 1.3 Contents and s of the Research ...................................................................................... 8 2. Study on Design of mining scheme and stability of pillar .................................. 10 2.1 Engineering geological survey ................................................................................................. 10 2.2 Mining scheme design .............................................................................................................. 14 2.3 Technology of short-wall mining .............................................................................................. 15 2.4 Criterion analysis of coal pillar instability ................................................................................ 17 2.5 Mechanism of coordination supports system with filling ......................................................... 24 2.6 Chapter Summary ..................................................................................................................... 29 3. Numerical simulation of short-wall filled mining of overburden strata ........... 30 3.1 Software overview and research content .................................................................................. 30 3.2 Establishment of numerical model and parameter selection..................................................... 30 3.3 Analysis of numerical overburden deation ....................................................................... 36 3.4 Chapter Summary ..................................................................................................................... 39 4. Analysis of overburden strata movement of short-wall filled mining ............... 41 4.1 Similarity model making of mining overburden rock .............................................................. 41 4.2 Analysis of stress and surface deation of short-wall filled Mining ................................... 46 4.3 Stress and surface deation monitoring of short-wall filled replacement mining ............... 51 4.4 Chapter Summary ..................................................................................................................... 57 5. Effect uation of short wall filling mining ...................................................... 59 5.1 Design of observation scheme of overburden strata movement ............................................... 59 5.2 Analysis of overburden strata movement ................................................................................. 62 5.3 Analysis of filling cost .............................................................................................................. 65 5.4 Chapter Summary ..................................................................................................................... 67 6. Conclusions and Innovative Points ...................................................................... 68 6.1 Main Conclusions ..................................................................................................................... 68 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII 6.2 Paper Prospects ......................................................................................................................... 69 Acknowledgement ...................................................................................................... 70 Achievements during Working on Master Paper ................................................... 71 References ................................................................................................................... 72 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1. 绪论绪论 1.1 课题研究背景与意义课题研究背景与意义 随着国民经济快速发展，对煤炭资源的需求量越来越高，建筑物下、铁路 下、水体下和承压水上（“三下一上”）压煤开采成为我国，尤其是中东部煤矿 开采面临的主要问题[1]。据对全国国有重点煤矿不完全统计[2-3]，我国目前“三下 一上”压煤 137.9 亿 t，其中建筑物压煤 94.68 亿 t，铁路压煤 24.17 亿 t，水体压 煤 19.05 亿 t[4]；随着国民经济发展及城市化进程的进一步加快，实际压煤总量 要远远大于这一数字。因此，在保证地表建（构）筑物安全的前提下，