多煤层开采覆岩结构演化规律及矿压控制研究.pdf

分类号分类号TD325 密密 级级 公公 开开 U D C 622 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 多煤层多煤层开采开采覆岩结构演化覆岩结构演化规律及规律及 矿压控制矿压控制研究研究 赵军赵军 申请学位级别申请学位级别博士学位博士学位 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宋宋 振振 骐骐 职职 称称教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二〇〇一一八八年年六六月月 万方数据 论文题目 多煤层多煤层开采开采覆岩结构演化覆岩结构演化规律及规律及 矿压控制矿压控制研究研究 作者姓名 赵赵 军军 入学时间 2013 年年 9 月月 专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向 矿山压力矿山压力与与其控制其控制 指导教师 宋宋 振振 骐骐 职 称 教教 授授 论文提交日期 2018 年年 6 月月 论文答辩日期 2018 年年 5 月月 授予学位日期 2018 年年 6 月月 万方数据 STUDY ON THE EVOLUTION OF OVERBURDEN STRUCTURE AND GROUND PRESSURE CONTROL OF MULTIPLE COAL SEAMS A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhao Jun Supervisor Professor Song Zhenqi College of Mining and Safety Engineering June 2018 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博士学位论文，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博士学位论文，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。 博士生签名博士生签名 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 博士生签名博士生签名 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 研究生研究生赵军赵军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规定，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。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 山东科技大学博士学位论文 摘要 Ⅰ 摘摘 要要 煤层群开采在我国多数矿区普遍存在，如新汶矿区、平顶山矿区、西山矿 区、淮南矿区、大同矿区、井陉矿区等。煤层群开采后其顶板多次损伤破坏， 顶板结构及破裂范围与单层煤开采不同，破断的顶板将通过遗留煤柱向下传递 压力，造成底部煤层工作面附近应力场发生改变，在下煤层开采时部分区域压 力增大，工作面易出现压架、倒架等现象，而且可能会诱发冲击地压等动力灾 害事故发生。 大同矿区多个矿井属于侏罗系煤层开采，侏罗系赋存煤层较多，间距较小， 且煤层顶板一般为坚硬的整体砂岩或砂砾岩，属典型的坚硬顶板条件下的煤层 群开采。本文以大同矿区晋华宫煤矿开采为例，采用理论分析、室内试验、数 值模拟及现场测试等研究方法，对多煤层开采覆岩结构演化规律及灾害防治进 行了研究。论文主要研究内容及取得的创新成果如下 （1）通过岩石单轴压缩、三轴压缩及声发射试验，基于岩石破裂展布分形 特征对 Hoek-Brown 强度准则进行了修正， 得到了不同破裂条件下岩石试件表面 裂纹的分维数，为揭示多煤层开采覆岩破裂演化力学机理奠定了基础。 （2）采用相似材料模拟和基于修正 Hoek-Brown 准则的数值模拟，研究了 多煤层开采顶板破断结构演化规律、下部煤层不同采高及间隔层厚度对上部坚 硬岩层破裂演化的影响，阐明了不同开采条件下煤层群破断顶板新增范围及遗 留煤柱应力传递规律。 （3）针对晋华宫煤矿煤层群开采特点，建立了多煤层破断顶板结构演化模 型；分析研究了下部煤层呈现“强矿压”的致灾机理，提出了不同煤层开采时 破断顶板发育扩展高度预计方法，得到了“遗留煤柱-破断顶板结构”共同作用 下工作面支护强度的计算公式，为多煤层开采顶板控制提供了依据。 （4）通过对 14煤层工作面和超前支承压力进行监测，获得了多煤层开采 时上部煤层遗留煤柱集中应力对下部工作面矿山压力的影响。 （5）提出了相应的煤柱与底板卸压爆破方案，设计了合理的卸压爆破参数 并在现场实施，通过电磁辐射及矿压观测结果验证了卸压爆破的有效性。 关键词关键词煤层群，覆岩结构，演化规律，Hoek-Brown 准则，遗留煤柱 万方数据 山东科技大学博士学位论文 摘要 Ⅱ Abstract Coal seam group mining is common in many mining areas in China, such as Xinwen mining area, Pingdingshan mining area, Xishan mining area, Huainan mining area, Datong mining area, Jingxing mining area. The roof damages for many times after upper coal seam mining, the roof structure and the rupture range is different from single coal mining. The breaking roof strata stress will transfer downwards through the residual coal pillar, causing the stress field changed near the mining face in the lower coal seam. Therefore, the stress in some regions will increase when mining the lower coal seam, leading to support break-off, falling and rock burst. Many coal mines in Datong mining area belongs to the Jurassic seam mining. The number of minable coal seam is large, and the distance between the Jurassic coal seam groups is small. The coal seam roof is generally hard sandstone or sand conglomerate, which is a typical coal seam group mining condition under hard roof. In this dissertation, using the Datong mining area of Jurassic coal mining as an example, theoretical analysis, laboratory test, numerical simulation and field test and other research s are used, the evolution of overburden structure and ground pressure control of multiple coal seams is studied. The main research content and the innovative achievements include 1 By uniaxial compression, triaxial compression and acoustic emission test, the Hoek-Brown strength criterion is modified based on the fractal feature of rock fracture distribution, and the fractal dimension of rock specimen under different crack condition is obtained which lays a foundation to study the mechanical mechanism of crack evolution of the overburden in mining multiple coal seams. 2 The similar material simulation and modified Hoek-Brown criteria are used, and the evolution and breaking roof structure of multiple coal seams mining and the influence of different mining height and interval layer thickness of the lower coal seam on the evolution of upper hard rock break is studied, and the newly increased range of breaking roof structure and evolution of stress transfer of residual coal pillar 万方数据 Ⅲ are revealed under different mining conditions. 3 According to the mining characteristics of coal seam group in Jinhuagong mine, the evolution model of breaking roof group structure of multi coal seams is established firstly. Based on the analysis of the disaster causing mechanism of the lower coal seam with strong pressure, the development and extension height of breaking roof group when mining successive coal seams are derived, and the ula of mining face support strength is given under the interaction of “residual coal pillar and breaking roof group structure”, and reasonable working resistance of support is obtained. 4 Based on the monitoring of ground pressure of the coal face and abutment pressure in advance in 14 coal seam, the concentrated stress caused by the residual coal pillar of the upper coal seams to the lower mining face was analyzed. 5 The corresponding schemes of coal pillar and the floor blasting were proposed and the reasonable blasting parameters were designed. The floor blasting scheme was applied in the field and it was proved valid according to the results of electromagnetic radiation and ground pressure observation. Keywords coal seam group, overburden structure, evolution rules, Hoek-Brown criterion, residual coal pillar 万方数据 山东科技大学博士学位论文 目录 Ⅳ 目目 录录 1 绪论绪论 ....................................................................................................... 1 1.1 论文研究背景及意义 ................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................... 2 1.3 需进一步研究的问题 ................................................................................. 8 1.4 论文研究内容与技术路线 ......................................................................... 8 2 大尺度岩体破裂的大尺度岩体破裂的 HOEK-BROWN 准则修正准则修正 ............................. 11 2.1 现场生产地质条件及岩石试样钻取 ........................................................ 11 2.2 室内试验方案 ........................................................................................... 14 2.3 岩石裂纹分维数的计算 ........................................................................... 17 2.4 岩石常规压缩试验结果 ........................................................................... 19 2.5 HOEK-BROWN准则的修正 ........................................................................ 27 2.6 本章小结 ................................................................................................... 30 3 多煤层开采上覆坚硬岩层破断结构演化规律多煤层开采上覆坚硬岩层破断结构演化规律 ................................ 31 3.1 多煤层开采覆岩破断结构相似材料模拟 ............................................... 31 3.2 多煤层覆岩破裂结构数值模拟 ............................................................... 43 3.3 多煤层开采煤柱应力演化规律 ............................................................... 57 3.4 不同影响因素下顶板破断高度演化规律 ............................................... 60 3.5 本章小结 ................................................................................................... 63 4 多煤层破断顶板群结构演化及压力传递模型多煤层破断顶板群结构演化及压力传递模型 ................................ 65 4.1 引言 ........................................................................................................... 65 4.2 多煤层破断顶板群结构演化模型 ........................................................... 66 4.3 多煤层开采时破断顶板发育扩展高度计算 ........................................... 68 4.4 煤柱-覆岩破断结构作用下底部煤层工作面支架压力计算 .................. 76 4.5 本章小结 ................................................................................................... 82 万方数据 山东科技大学博士学位论文 目录 Ⅴ 5 多煤层开采矿压显现及防治技术多煤层开采矿压显现及防治技术 .................................................... 83 5.1 侏罗系下部煤层工作面矿压及超前支承压力显现规律 ....................... 83 5.2 侏罗系下部煤层工作面矿压控制技术 ................................................... 94 5.3 本章小结 ................................................................................................. 103 6 主要结论及展望主要结论及展望 ............................................................................... 104 6.1 主要结论 ................................................................................................. 104 6.2 创新点 ..................................................................................................... 105 6.3 研究展望 ................................................................................................. 106 参考文献参考文献 ............................................................................................... 107 致谢致谢 ....................................................................................................... 120 博士在读期间主要科研成果博士在读期间主要科研成果 ............................................................... 121 学学位论文数据集位论文数据集 ................................................................................... 123 万方数据 山东科技大学博士研究生学位论文 目录 Ⅵ Contents 1 Introduction..1 1.1 Background and significance of the research...1 1.2 Research status of domestic and overseas .......2 1.3 Existing problems and deficiencies8 1.4 Main research contents and approaches...8 2 Modification of Hoek-Brown criterion for large scale rock burst ..11 2.1 The geological and mining conditions.....11 2.2 Introduction to laboratory tests.....14 2.3 Calculation of fractal dimension of rock crack ......17 2.4 Conventional compression test results of rock19 2.5 Correction of HOEK-BROWN criteria...27 2.6 Brief summary.30 3 Evolution of breaking roof group structure of multiple coal seams.31 3.1 Similar material simulation of the structure of the strata of the overlying strata in the multiple coal seams...31 3.2 Numerical simulation of fracture group structure of overlying strata in multiple coal seams...43 3.3 Evolution law of the coal pillar stress in the multiple coal seams 57 3.4 Evolution law of roof breaking hight under different factors 60 3.5 Brief summary.....63 4 Structure evolution and pressure transfer model of roof group in multiple coal seams65 4.1 Introduction...65 4.2 Structure evolution model of broken roof group in multiple coal seams66 4.3 Calculation of the development and expansion height of broken roof group in multi coal seam mining......68 4.4 Support pressure calculation of working face in bottom coal seam under the action of residual coal pillar and broken roof group structure..76 4.5 Brief summary82 5 Strata behavior and control technology of multi coal seam mining..83 5.1 The law of the ground pressure of the coal face and the roadway in the lower Jurassic 万方数据 山东科技大学博士学位论文 目录 Ⅶ coal seam83 5.2 Coal mine pressure control technology of the lower Jurassic coal seam94 5.3 Brief summary103 6 Conclusion and Prospect104 6.1 Main conclusions104 6.2 Main innovative points105 6.3 The prospects106 References..107 Acknowledgements120 Scientific Research and Published Papers121 Dissertation data set123 万方数据 山东科技大学博士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 论文论文研究背景及意义研究背景及意义 我国是一个煤炭大国，已探明的煤炭量约占世界总量的 11.1，煤炭在我 国一次能源的消费中约占 70[1-2]，在国民经济发展中仍处于主导地位。煤层赋 存条件的多样性、复杂性，直接影响到煤炭生产效率及资源的回收率[3-7]。因此 针对不同开采环境，采取相应的技术措施，实现矿井的安全、高效生产，对促 进我国经济持续发展有着重要意义。 近年来随着煤炭资源开采强度的不断增大，部分矿区赋存简单、开采条件 好的煤层资源几近枯竭， 煤层群的开采问题逐渐引起人们的重视[8-10]。 煤层群开 采在我国多数矿区普遍存在，如新汶矿区、平顶山矿区、西山矿区、淮南矿区、 大同矿区、井陉矿区等。 对于煤层群开采，当煤层层间距较大时，上煤层开采对下部煤层开采影响 较小，矿压显现规律与单一煤层开采基本一致。但当层间距较小时，上部煤层 开采后其顶板多次损伤破坏，顶板结构及破裂范围与单层煤开采完全不同，破 断的顶板岩层将通过区段煤柱向下传递压力，造成底部煤层工作面附近应力场 发生改变，矿山压力分布与传统意义不同，在底煤层开采时部分区域压力增大， 导致冲击地压等动力灾害发生。 目前国内外学者重点在上覆岩层破坏分布形态、 煤层群开采覆岩破裂演化影响因素等方面开展了研究[11-13]。 然而，大量研究表明，坚硬顶板煤层群覆岩破断演化规律及灾害防治理论 体系还未建立起来，主要体现在①对于煤层群多次采动条件下坚硬岩层破裂 演化机理还不清楚；②煤层群底煤层开采时是否将进一步加深上煤层破断顶板 岩层破坏，由此引起的新破裂增量有多大还不清楚；③底部煤层采高和层间距 对上部坚硬岩层破断高度影响；④下部煤层工作面出现的“强矿压”显现形成 机理，目前还不清楚。 大同煤矿集团有限责任公司多个矿井属于侏罗系煤层开采，侏罗系煤层可 采煤层较多，煤层间距较小，且煤层顶板一般为坚硬的整体砂岩或砂砾岩，属 典型的坚硬顶板下的煤层群开采条件。现阶段许多矿井侏罗系煤层群上部煤层 开采完毕，在开采最下层煤时，工作面多次出现压架、倒架等现象[14-19]。 为此，本文以大同矿区煤层群开采为例，研究多次采动影响下坚硬岩层重 万方数据 山东科技大学博士学位论文 绪论 2 复损伤破坏演化规律，深刻揭示多次采动下岩层重复损伤的力学机理，解决煤 层群多次采动中的关键科学问题，以达到多煤层开采的安全性与科学性，防止 多煤层开采中的相关事故，为多次采动条件下工作面安全开采提供理论与技术 支持，对于指导岩层突发运动诱发相关灾害的防治也具有重大理论意义和实用 价值。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 适用于多次适用于多次损伤损伤的的岩体强度理论岩体强度理论 对复杂受力条件普遍适用、以应力应变为变量、能反映岩体的破环机理， 并表述岩体破坏规律的数学表达式，称为岩体强度准则[20]。岩石强度准则及本 构模型是进行岩石力学理论分析及数值模拟研究的基础。自 18 世纪以来，随着 人们对岩体强度理论的研究不断深入，现已形成两大类强度理论“经验强度 准则”和“理论强度准则” 。 “理论强度准则”包括最大正应力理论、最大剪应 力理论、最大正应变理论、八面体剪应力理论、Mohr-Coulomb 强度理论及双剪 应力理论[21-23]等。 “经验强度准则”则以实验为基础、近似描述岩体破坏机理， 众多学者出于对岩石强度特征的不同认识，已提出多种经验强度准则，如 Mohr-Coulomb 准则[24]、Hoek-Brown 准则[25]、Drucker-prager 准则[26]、Lade 准 则[27]等。 1900 年 Mohr O[28]提出较为全面的 Mohr-Coulomb 准则， 由于其简单的力学 原理和数学形式被广泛