半固结砂岩含水层下综放开采覆岩破坏规律研究.pdf

中图分类号TD82 论文编号HBLG 2016-0001 U D C 密 级 公 开 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 半固结砂岩含水层下综放开采半固结砂岩含水层下综放开采 覆岩破坏规律研究覆岩破坏规律研究 作者姓名吕晓磊作者姓名吕晓磊 学科名称矿业工程学科名称矿业工程 研究方向采矿工程研究方向采矿工程 学习单位华北理工大学学习单位华北理工大学 学习时间学习时间 3 年年 提交日期提交日期 2016 年年 11 月月 20 日日 申请学位类别工程硕士申请学位类别工程硕士 导师导师 姓名王晓雷姓名王晓雷 副教授副教授 单位华北理工大学矿业工程学院单位华北理工大学矿业工程学院 张建功张建功 高高 工工 单位神华国能公司沙吉海煤矿单位神华国能公司沙吉海煤矿 论文评阅人论文评阅人 单位单位 单位单位 论文答辩日期论文答辩日期 答辩委员会主席答辩委员会主席 关关 键键 词半固结砂岩；综放开采；垮采比；裂采比；覆岩破坏规律词半固结砂岩；综放开采；垮采比；裂采比；覆岩破坏规律 唐山唐山 华北理工大学华北理工大学 2017 年年 3 月月 万方数据 Study on overburden failure law of mechanized caving under half consolidated sandstone aquifer Dissertation ted to North China University of Science and Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Engineering by Lv Xiaolei Mining Engineering SupervisorPh.D Wang Xiaolei Zhang Jiangong March, 2017 万方数据 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的论文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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得华北理工大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名 日期 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论 文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检 索和交流。 作者和导师同意论文公开及网上交流的时间 □ 自授予学位之日起 □ 自 年 月 日起 作者签名 导师签名 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 万方数据 万方数据 摘 要 - I - 摘 要 含水松散砂岩层是侏罗系中生代地层中特殊的地层赋存状态，在开采过程极易 发生顶板垮冒并伴随溃水、溃沙等灾害；针对此问题，本文开展了新疆地区中生代 半固结砂岩含水层下综放开采的覆岩破坏及运移规律，以提高在该类地质条件下相 应的安全高效水平。 以沙吉海煤矿首采工作面 B10 煤层上覆岩层为研究对象；通过前期勘探情况 了解了实验区域的地质构造、水文及煤层赋存状况等开采技术条件；通过对钻孔地 质资料统计分析，并应用覆岩力学性能测试的方法确定了 B10 煤层上覆岩层覆岩 类型；通过对覆岩的物化特征研究分析，总结了该区域的地质特性；最后通过采用 工程类比、数值模拟、相似材料模拟以及现场钻孔实测相结合的方法对 B10 煤层 开采后的上覆岩层破坏规律进行了研究，揭示了该区域覆岩在综放开采条件下的破 坏规律，明确了厚层连续沉积含水松散砂岩这一特殊覆岩结构对综放开采覆岩破坏 规律的重要影响。 论文研究成果深化了含水松散砂岩下采煤技术体系研究，填补了疆内地区对综 放开采条件下的覆岩破坏规律研究的空白，为类似开采技术条件的矿井在防治水、 矿压管理以及巷道布置等方面提供了一定的借鉴。 图 55 幅；表 18 个；参 41 篇。 关键词半固结砂岩；综放开采；垮采比；裂采比；覆岩破坏规律 分类号TD82 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - II - Abstract Water cut loose sandstone layer is special in Jurassic strata of Mesozoic strata occurrence state, easily happened in the mining process of roof with catastrophic collapse disasters such as collapse, water sand; Aiming at this problem, this paper carried out the xinjiang region Mesozoic semi-solid sandstone aquifer damage and migration regularity of fully-mechanized mining, in order to improve in the geological conditions of the corresponding safe efficient level. Based on the first ShaJiHai coal mine mining face B10 overburden of coal seam as the research object; Through the preliminary exploration of knowledge of the experimental area of geological structure, hydrological and coal seam occurrence condition and mining technical conditions; Through the drilling geological data statistical analysis, and application of overburden rock mechanics perance test to determine the B10 overburden strata of coal seam type; Through the analysis of the geochemical characteristics of strata, summarizes the geological characteristics of the region; At last, by using engineering analogy and numerical simulation, similar material simulation and on-site drilling test that combines B10 damage rule of overlying strata after coal seam mining are studied, reveals the regional strata in full-mechanized caving mining under the condition of damage rule, has been clear about the thick layer of continuous loose sandstone sedimentary water cut this special strata structure the important influence to the strata destruction rules of full-mechanized caving mining. Thesis research deepening the research on the coal mining technological system under water cut loose sandstone, fills in the xinjiang region of full-mechanized caving mining under the condition of the strata damage rule of blank, for similar mining technical conditions of the mine roadway layout in the prevention and control of water, pressure management, and provides a certain reference. Figure55; Table18; Reference41 Keywords half consolidated sandstone, full-mechanized caving mining, breaking mining ratio, crack surface mining, rock damage rule Chinese books catalogTD82 万方数据 目 次 - III - 目 次 引 言 ....................................................................................................................... 1 第 1 章 绪论 ................................................................................................................. 2 1.1 研究背景及问题的提出 .................................................................................. 2 1.1.1 矿井设计概况 ........................................................................................ 2 1.1.2 矿井地质、构造赋存条件 .................................................................... 3 1.1.3 B10 煤层赋存条件及顶底板状况 ........................................................ 4 1.1.4 问题的提出 ............................................................................................ 6 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................. 7 1.2.1 国外研究现状 ........................................................................................ 7 1.2.2 国内研究现状 ........................................................................................ 8 1.3 研究内容及技术路线 .................................................................................... 10 1.3.1 研究内容 .............................................................................................. 10 1.3.2 技术路线 .............................................................................................. 11 1.4 关键技术及创新点 ........................................................................................ 11 1.4.1 关键技术 .............................................................................................. 11 1.4.2 创新点 .................................................................................................. 12 第 2 章 B10 煤层覆岩类型结构与工程地质特性研究 ........................................... 13 2.1 B10 煤层覆岩结构分析与类型确定 ............................................................ 13 2.1.1 B10 煤层覆岩结构统计分析 .............................................................. 13 2.1.2 B10 煤层覆岩力学性能分析 .............................................................. 16 2.2 半固结含水砂岩工程地质特性研究 ............................................................ 22 2.2.1 半固结含水砂岩宏观特性分析 .......................................................... 22 2.2.2 半固结含水砂岩微观结构研究 .......................................................... 24 2.2.3 半固结含水砂岩矿物组分测试 .......................................................... 24 2.3 本章小结 ....................................................................................................... 26 第 3 章 B10 煤层综放开采覆岩破坏规律理论研究 ............................................... 27 3.1 B10 煤层开采覆岩破坏高度类比预计 ........................................................ 27 3.2 B10 煤层开采覆岩破坏规律相似模拟研究 ................................................ 28 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - IV - 3.2.1 模型设计 .............................................................................................. 28 3.2.2 模型制作及观测 .................................................................................. 28 3.2.3 试验过程及覆岩破坏高度 .................................................................. 30 3.2.4 覆岩破坏规律分析 .............................................................................. 30 3.2.5 相似材料模拟实验结论 ...................................................................... 31 3.3 B10 煤层开采覆岩破坏高度数值模拟研究 ................................................ 32 3.3.1 模型的建立 .......................................................................................... 32 3.3.2 模拟结果分析 ...................................................................................... 33 3.4 实验数据综合对比分析 ................................................................................ 36 3.5 本章小结 ........................................................................................................ 37 第 4 章 B10 煤层综放开采覆岩破坏规律实测研究 ............................................... 39 4.1 实测工作面概况 ............................................................................................ 39 4.2 钻孔孔位与结构 ............................................................................................ 39 4.3 观测内容与分析 ............................................................................................ 41 4.3.1 采后“两带”钻孔钻进揭露地层情况 .............................................. 41 4.3.2 钻孔冲洗液漏失量观测结果分析 ...................................................... 42 4.3.3 钻孔彩色电视成像观测结果分析 ...................................................... 47 4.4 半固结砂岩含水层下综放开采覆岩破坏规律成因分析 ............................ 65 4.5 本章小结 ........................................................................................................ 66 第 5 章 结论 ............................................................................................................... 67 参考文献 ..................................................................................................................... 68 致 谢 ......................................................................................................................... 70 导师简介 ..................................................................................................................... 71 企业导师简介 ............................................................................................................. 71 作者简介 ..................................................................................................................... 72 学位论文数据集 ......................................................................................................... 73 万方数据 引 言 - 1 - 引 言 新疆塔城和什矿区位于准葛尔盆地边缘西北侧，该地区聚煤环境为陆相沉积， 含煤地层为中生界侏罗系西山窑组，岩层主要以强度低、易风化、遇水疏松的中、 粗砂岩为主，其胶结性极差，基本为半固结状态。在该类顶板条件下，采动后半固 结含水砂岩遇水具有流动性，对工作面生产造成了涌水、溃砂威胁，是安全开采的 重大隐患。根据前期调研，新疆大南湖、五彩湾以及伊宁等矿区都涉及到半固结含 水砂岩条件下的安全开采问题。该类地层在我国东部的平庄、扎赉诺尔等矿区也有 揭露，因覆岩工程地质特性和覆岩破坏规律研究不足，发生过多起溃水、溃砂和压 架灾害。 搞清覆岩破坏规律是实现该类地质采矿条件下安全开采的根本前提，为此本文 以国能公司沙吉海矿井 B10 煤层上覆岩层为研究对象，对半固结砂岩综放开采条 件下覆岩破坏规律进行研究，有助于矿区目前急需解决的技术难题，研究成果将推 进新疆地区半固结含水砂岩下厚煤层开发力度，对于类似条件矿区具有良好的示范 作用。摸清该类地层综放开采条件下的采动破坏规律，也为我国东部平庄、扎赉诺 尔等顶板含水松散砂岩赋存的矿区提供较为合理的理论参考，具有广泛的现实意义 和前景应用。 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 2 - 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及问题的提出 1.1.1 矿井设计概况 国能公司沙吉海煤矿处于新疆塔城和什矿区内（井田面积为 30km2），为神 东电力公司和丰电厂的配套项目；该矿井设计采用反斜井开拓方式，5 个开采水平 （分别为555m 水平、355m 水平、255m 水平、155m 水平、0m 水平），建 设规模为 3.0Mt/a，设计开采年限为 65a；当前开采水平为555m 水平，首采 B10 煤层（平均厚度 5.38m）赋存深度 92～715m，采用综合机械化放顶煤工艺，顶板 管理为全部垮落法。通风方式为主、副斜井进风、回风立井回风的中央分列式通风 方式。 图 1 国能公司沙吉海煤矿位置交通图 Fig.1 The company Shajihai coal mine location traffic map 万方数据 第 1 章 绪论 - 3 - 1.1.2 矿井地质、构造赋存条件 1）矿井地层赋存条件 矿井地层主要有中生界的侏罗系及新生界的第三系构成。其中主要含煤地层为 中侏罗统西山窑组（分为 3 个主要含煤段）。 表 1 沙吉海矿井地层赋存状况一览表 Table 1 Shajihai coal mine geological status list 新生界 上更新全新 Q3-4pl 0.4～16 第三系 始新渐新统 乌伦古河 E2-3w 251～550 中生界 侏罗系 中侏罗统 头屯河组 J2t 55～255 西山窑组 上含煤段 J2x3 45～124 中含煤段 J2x2 68～148 下含煤段 J2x1 92～153 2）地质构造类型 本区域构造整体形态为复式向斜，断裂构造不发育；矿井位于区域构造复式向 斜的一翼，整体地层为单斜状态（倾角为 8～29），前期勘探通过二、三维地 震解释了断层 3 条，具体特征如表 2 所示 表 2 断层主要赋存特征 Table 2 Main features of faults 断层名称 走 向 倾 向 倾 角（） 落 差（m） 延展长度（m） F1（正断层） 北东 北西 45～55 0～50 3345 F2（正断层） 北东 北西 60～65 0～16 790 F3（正断层） 北东 南西 60～65 0～18 800 综上所述，根据地震控制与解释成果，矿井地质构造类型为简单型。 3）矿井地质水文条件 矿井共划分为 3 个含水层，自上而下分别为古近系乌伦古河组、侏罗系中统头 屯河组、侏罗系中统西山窑组；该地区气候属北温带大陆性干旱气候，降雨量小， 蒸发量大，且井田范围内无地表水库、径流，因此对含水层的补给度较小。 矿井在建设过程中，主要揭露头屯河及西山窑组两层含水层，其中头屯河组含 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 4 - 水层厚度为 160m；西山窑组含水层厚度为 70m，该含水层分为两层，上部赋存在 B12 煤层直接顶板与 B13-1 煤层底板之间，厚度为 63m；下部赋存在 B10 煤层泥 岩直接顶板之上，厚度为 7m；以上各含水层之间均赋存以煤线、泥岩、粉砂质泥 岩为主的隔水层，阻断了相互之间的水力联系。 上述含水层富水性差、透水性弱，赋水形式主要以微裂隙、孔隙水为主，各采 掘工作面涌水形式多表现为锚杆（索）渗水、滴水，顶板局部淋水；当前矿井正常 涌水量已达到 270m/h，为水文地质条件复杂性矿井。 1.1.3 B10 煤层赋存条件及顶底板状况 井田内的煤层赋存于中侏罗统西山窑组（J2x）上、中、下三个含煤段中，共 有 14 层可采煤层，各煤层的层间关系清楚，煤层平均总厚度为 26m，可采系数为 89.8。 B10 煤层为矿井的首采煤层，赋存于含煤地层中段；该煤层为全区结构简单、 稳定分布的中厚-厚煤层平均厚度为 5.38m，首采工作面范围内平均厚度为 6.5m；根据钻孔揭露，B10 煤层埋深介于 92.5～715 m，其埋深与厚度变化分布情 况如图 2、3 所示。 图 2 国能公司沙吉海矿井 B10 煤层等厚线图 Fig.2 In shajihai coal mine company B10 isopach map 万方数据 第 1 章 绪论 - 5 - 图 3 国能公司沙吉海矿井 B10 煤层赋存深度图 Fig.3 The company can shajihai mine B10 coal seam depth map B10 与 B12 煤层的平均层间距为 61m；实际揭露过程中，B10 煤层直接顶板 为 6-7m 厚的泥岩、泥质粉砂岩（局部缺失后，直接顶板为含水中砂岩），在其之 上为 9-11m 厚的含水粗砂岩、中砂岩及细砂岩、泥岩与砂岩互层；岩层具体分布 如图 4 所示。 为进一步了解煤层上覆岩层的物理力学特性，分别对具有代表性的岩层进行了 取样，并相应做了单轴、三轴抗压强度试验，结果为中砂岩、粗砂岩岩石单轴抗 压强度多在 10～20MPa 范围之内，细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩及泥岩单轴抗压 强度在 9.2～30MPa 范围之内，B10 煤层单轴抗压强度在 9-11MPa 之间。煤岩层均 较松软。 图 4 实际揭露 B10 煤层顶板岩层柱状 Fig.4 Practical disclosure of B10 coal seam roof rock strata column 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 6 - 2014 年 7 月由天地科技股份有限公司对矿井首采工作面（B1003W01 工作 面）进行了冲击危险性评价，其结果为弱冲击危险等级。 1.1.4 问题的提出 沙吉海矿井所属的新疆和什托洛盖矿区已探明地质储量约 970 亿吨，属新兴的 整装特大型煤田，为新疆煤炭基地的重要组成部分，目前神华集团、徐矿集团、庆 华集团等大型煤炭公司均已入驻矿区，开始开发利用矿区内丰富的煤炭资源。但由 于矿区内煤系地层属侏罗系地层，成岩年代晚，其煤层顶板之上的含水层属半固结 类砂岩，胶结性差、遇水易松散，地质条件十分特殊，仅在我国蒙东地区有类似地 质条件，目前国内对该类地层的特性及综放开采条件下的覆岩破坏规律研究都很 少。同时由于矿区内的煤炭资源规模化开发时间较晚，针对煤炭资源安全高效开采 的技术积累薄弱，特别是对此类特殊地质条件下的安全开采问题尚未进行深入研 究，因此如何实现含水松软砂岩条件下厚煤层的安全开采，是实现本矿区煤炭资源 安全高效利用必须解决的技术难题。本文以此为背景，在沙吉海煤矿先行开展了综 放开采条件下的覆岩破坏规律研究，旨在解决矿井半固结砂岩含水层下安全开采的 难题，丰富我国在半固结砂岩含水层下综放开采覆岩破坏高度方面的技术数据，为 国内类似条件矿井提供借鉴。 沙吉海煤矿在现场施工中共揭露两层主要含水层一是侏罗纪头屯河组砂岩含 水层，法线总厚度约为 160m，二是西山窑组含水层，法线总厚度约为 75m。以上 所揭露的含水层之间均夹杂多层由泥质岩类和煤线组成的相对隔水层。两个含水层 水赋存形式均为孔隙及微裂隙水，富水性弱至中等，含水层的岩层主要由强度低， 易风化及沙化、泥化的中粗砂岩组成，该类岩层胶结性差，基本为半固结状态。根 据我国东部类似条件矿井开采实践经验，煤层开采一旦波及半固结砂岩含水层，对 工作面不仅会产生充水影响，还有瞬间溃沙危险。为保证矿井在开采过程中不受上 部砂岩含水层充水和溃沙影响，沙吉海煤矿采取了井下钻孔疏放含水层及降低采厚 万方数据 第 1 章 绪论 - 7 - 控制覆岩破坏高度等防治水措施。上述手段虽取得一定效果，保证了矿井安全生 产，但增加了矿井的生产成本、降低了生产效率、浪费了煤炭资源，同时存在疏放 水工程与采掘活动交叉作业等隐患。基于此，沙吉海煤矿与科研单位合作提出了 “顶疏结合”的防治水技术方案，即对远离煤层的含水层留取防水煤柱，对覆岩破 坏高度范围内的含水层进行疏降开采，这样即可以增加采高而解放压煤量，又减少 了含水层疏放工程量，而实施这个方案的前提需对半固结砂岩含水层下综放开采的 覆岩破坏规律进行研究。 综上所述，开展半固结含水砂岩下综放开采覆岩破坏规律研究，为解决矿井开 采过程中顶板水害防治提供依据，确保矿井安全高效生产。 1.2 国内外研究现状 半固结含水砂岩下厚煤层开采问题属于水体下采煤的研究范畴，涉及学科较为 广泛，主要研究领域为采场顶底板的防治水以及上部岩层运移活动规律。 1.2.1 国外研究现状 国外对水体下采煤的研究起步于 18 世纪中叶及 19 世纪初，主要以英国、德 国、波兰、前苏联以及日本等国家为代表[1,2]。各国在对海下、河下、湖泊及含水 层下等煤炭资源回采期间结了大量的成功经验，并于 20 世纪八十年代逐步系统 化，先后形成了代表性理论并制定了相关的安全开采标准[3,4]。其中日本主要以海 下采煤研究为主，并制定了防水煤岩柱留设的标准（约 100m）；英国颁布了海下 采煤条例，明确了以拉伸变形作为水体下安全回采的判断标准，并对水体下回采的 采煤工艺、留设保护层总厚度等相关影响因素进行了规定[5,6]。前苏联对水体下采 煤的研究起步于现场，在大量的实测数据的基础上总结并规定了安全开采的深度 （约为为采厚的 20～75 倍），并综合煤层赋存因素、隔水层产状（岩性、厚度以 及分布等）以及开采强度、临界变形值等参数对水体下开采的安全区域进行了划 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 8 - 分。 1.2.2 国内研究现状 中国的水下采煤技术起步于 20 世纪 50 年代，先后在山东、安徽、江苏等产大 省对松散含水层及水体下的煤炭开采技术进行了大量的研究和实践，并对阜新清 河、河北绵河、龙口海域及微山湖下等大型水体下采煤技术开展了相关研究，通过 近 70 余年来的不断摸索和积累，国内在水体下安全采煤研究取得了丰硕成果，并 已经形成了具有中国特色的技术与理论，并于 2000 年颁布了建筑物、水体、铁 路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程。同时通过近几十年的研究，学者们不断 的实践总结，提出了多种理论。 1）关于水体下采煤的技术及理论研究现状 主要代表性的理论及技术为煤炭科学研究院北京开采所 1959 年基于采场上 部时空规律所提出的“上三带”理论[7]；钱鸣高、黎良杰根据沉积地层的层状结构 特征及覆岩破坏规律所提出的“关键层”理论[8-10]；目前广泛应用于采矿和地质等 工程的泛决策分析理论[11-13]；武强在综合分析含水层富水特征和覆岩冒裂高度的基 础上，结合煤矿顶板水害发生的机理与特点，分析确定矿井突水危险性，所提出的 “三图双预测”法理论[14-17]；煤炭科学研究总院开采设计研究分院康永华教授所提 出的以控水采煤的预测、监测、控制和设计技术为主要内容的水体下控水采煤技术 理论[18-21]。 从现场实践和应用来看，煤炭科学研究院所提出的“上三带”理论技术和水体 下控水采煤技术经过多