多年冻土层下大倾角煤层开采覆岩结构及其运动规律研究.pdf

万方数据 Study on Structure Characteristics and Movement Laws of Overlying Strata under Permafrost Layer in Steeply Dipping Seams Mining Dissertation ted to Xi’an University of Science and Techmology In partial fulfillment of the requirement For the degree of Doctor of Engineering By Shang Tielin School of Energy Engingeering Dissertation Directed by Professor Suo Yonglu June, 2017 万方数据 万方数据 万方数据 护岩梁结构下沉运动，引起多年冻土层“板盖”倾斜方向和走向方向受力的不均衡，在 倾向方向多年冻土层“板盖”两侧拉应力较大，容易产生拉破坏。进一步的弹性力学计 算得出多年冻土层走向初次垮落步距为 180.98m、周期垮落步距为 41.18m，其数值远 比正常岩层大。 相似材料模拟实验、数值模拟和采场矿压理论分析结果说明多年冻土层下大倾角 煤层的开采形成的覆岩破坏结构非常复杂， 除了部分煤层老顶中存在关键层结构的破断 外，还有倾斜旋转复合顶板结构运动、 “厂”形上保护岩梁结构的整体突发性失稳、多 年冻土层“板盖”结构的特殊破断过程等矿压现象。多年冻土层下大倾角煤层开采覆岩 结构及其运动规律研究结论了丰富煤矿开采理论， 对娘姆特煤矿及木里煤田的其他煤矿 煤碳安全、高效、绿色开采具有重要的科学价值和现实意义。 关 键 词多年冻土层；大倾角煤层；覆岩结构；运动规律；板盖 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 ventilated gateway, then the structure of whole shear fall, sinking are ed. A ‘plate cover’ structure hanging on the ‘厂’ structure, which moves out of sync with coal rock strata of lower part in deation, fracture and caving, and separation state happerns in between them. Thirdly, the findings of numerical simulation of FLAC3D are as follows. In the process of close distance coal seams mining, plastic failure happens in the surrounding rock of roof and floor among coal seams, and each interpenetrates as a whole. In combination with different monitoring points’ movement law of displacement and equivalent shaded pictures features of displacement, that explains the inner causes of the ation of inclined rotating composite roof structure and ‘厂’ structure for protection rock beam in similar material simulation experiments in laboratory from the process of microcosmic plastic failure. The plastic failure of permafrost layer is discontinuous state between permafrost layer and lower coal rock. It is shown that the biggest sinking value is in the middle of ‘plate cover’ of permafrost layer in the curve of sinking displacement from surface displacement monitoring point and equivalent shaded pictures features of displacement. But its sinking value is smaller than that of the coal and rock under it. That is the internal cause of separation structure. It is found in the further analysis that the thickness change of permafrost layer makes no difference for plastic failure features and movement law. And the more Integral , the more thick. At last, it is concluded mechanical mechanism on failure and movement of the composite roof structure and a ‘厂’ structure , using the theoretical analysis of rock beam fracture. And mechanical mechanism on collapse and deation of the permafrost ‘plate cover’ structure , using the thin plate theory analysis. Because of the rotating movement of composite roof structure and the sinking movement of ‘厂’ structure of protecting rock beam causes the imbalance stress of permafrost layer ‘plate cover’ in the inclination direction. Therefore, the tension of inclined direction is far larger than that of strike, which would cause tension failure on the left and right side of ‘plate cover’. Furthermore, the elastic mechanics calculation show that the value of first weighting interval for permafrost layer is 180.98m, and the value of periodic weighting length for permafrost layer is 41.18m, which is far larger than common rock. It is shown from the similar material simulation expriments analysis of laboratory, numerical simulation of FLAC3D and mine pressure theory that the structure characteristics under permafrost layer in steeply dipping seams mining.caused by steeply dipping seams mining is very complicated. In addition to key stratum structures in the upper roofs of some seams, there are such rock pressure phenomena as the movement of inclining and rotating composite roof structure, the sudden unstability of ‘厂’ structure for protecting rock beam and 万方数据 special fracture process of ‘plate cover’ structure of permafrost layer. The conclusion on structure characteristics and movement laws of overlying strata under permafrost layer in steeply dipping seams mining enriches coal mining theory, which is important scientific value and practical significance for the safe, effective and green mining in Niangmute coal mine and other diggings in Muli coal field. Key words permafrost layer; seeply dipping seams; structure characteristics; movement laws; plate cover Thesis Applied Research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 .................................................................................................. 1 1.1.1 选题背景 ........................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ........................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................................... 2 1.2.1 多年冻土物理性质和力学特性国内外研究现状 ........................................... 2 1.2.2 大倾角煤层开采覆岩结构及运动规律国内外研究现状 ............................... 6 1.3 研究内容和研究目标 ................................................................................................ 12 1.3.1 研究内容 ......................................................................................................... 12 1.3.2 研究目标 ......................................................................................................... 12 1.4 研究方法和技术路线 ................................................................................................ 13 1.4.1 研究方法 ......................................................................................................... 13 1.4.2 技术路线 ......................................................................................................... 13 2 娘姆特煤矿多年冻土物理力学性质 ................................................................................... 15 2.1 娘姆特煤矿多年冻土层分布特征 ............................................................................ 15 2.1.1 煤矿概况 ......................................................................................................... 15 2.1.2 多年冻土层分布及地貌特征 ......................................................................... 16 2.2 娘姆特煤矿多年冻土物理特性 ................................................................................ 18 2.3 娘姆特煤矿多年冻土力学参数测试 ........................................................................ 20 2.3.1 试件加工制作 ................................................................................................. 20 2.3.2 多年冻土力学参数测试 ................................................................................. 21 2.4 多年冻岩力学参数测试分析 .................................................................................... 25 2.5 本章小结 .................................................................................................................... 27 3 多年冻土层及煤层顶板破断结构特征相似材料模拟实验 ............................................... 28 3.1 相似材料模拟实验理论基础 .................................................................................... 28 3.2 实验方案 .................................................................................................................... 30 3.2.1 多年冻土层实验模拟材料的配制 ................................................................. 30 3.2.2 相似材料模拟实验模型制作 ......................................................................... 31 3.3 多年冻土层和煤层顶板破坏特征分析 .................................................................... 35 3.4 多年冻土层地表下沉规律分析 ................................................................................ 46 3.5 相似材料模拟实验结论 ............................................................................................ 48 3.6 本章小结 .................................................................................................................... 49 万方数据 西安科技大学博士学位论文 II 4 多年冻土层及煤层顶板变形破坏特征数值模拟 ............................................................... 50 4.1 FLAC3D数值模拟模型建立 ...................................................................................... 50 4.1.1 FLAC3D计算模型 ........................................................................................... 50 4.1.2 模型边界条件及煤岩物理力学参数选取 ..................................................... 51 4.1.3 模型煤层开采与监测设计 ............................................................................. 52 4.1.4 模型煤层开挖塑性破坏形式和阶段 ............................................................. 53 4.2 煤层开采多年冻土层及顶板塑性破坏特征 ............................................................ 53 4.3 煤层开采多年冻土层及顶板运动规律 .................................................................... 61 4.3.1 煤层顶板运动规律分析 ................................................................................. 61 4.3.2 多年冻土层运动规律分析 ............................................................................. 64 4.4 不同冻土层厚度覆岩破坏与运动规律区别 ............................................................ 66 4.4.1 塑性破坏特征区别 ......................................................................................... 67 4.4.2 运动特征的差异 ............................................................................................. 68 4.5 计算机数值模拟结论 ................................................................................................ 70 4.6 本章小结 .................................................................................................................... 72 5 煤层顶板及多年冻土层破断力学机理分析 ....................................................................... 73 5.1 力学分析模型建立 .................................................................................................... 73 5.2 煤层顶板破断结构特征及运动规律力学分析 ........................................................ 74 5.2.1 梁结构破断基本理论 ..................................................................................... 74 5.2.2 煤层顶板破断及运动力学机理 ..................................................................... 75 5.3 多年冻土层破断结构特征及运动规律力学分析 .................................................... 81 5.3.1 薄板结构破断基本理论 ................................................................................. 81 5.3.2 多年冻土层破断及运动力学机理 ................................................................. 84 5.4 多年冻土层走向垮落步距分析 ................................................................................ 91 5.5 破断运动力学机理分析结论 .................................................................................... 94 5.6 本章小结 .................................................................................................................... 94 6 结论与展望 ........................................................................................................................... 95 6.1 结论 ............................................................................................................................ 95 6.2 创新点 ........................................................................................................................ 96 6.3 展望 ............................................................................................................................ 96 参考文献 .................................................................................................................................. 97 致 谢 .................................................................................................................................... 106 附 录 .................................................................................................................................... 107 万方数据 主要符号表 I 主要符号表 a工作面推进长度； b倾斜工作面长度； c粘结力； C模型与实体相似系数； d薄板宽度； D试件直径； 2e冻土层的长度； E薄板的弹性模量； 2f冻土层的宽度； A FA 点压应力； B FB 点压应力； G上覆岩层的重力； h老顶岩层的厚度、薄板厚度； t H多年冻土层厚度； s H第一区段开采上限深度； x H第一区段开采下限深度； S ID直径为 D 的非标准试件的点荷载强度指标值； 50 S I直径为 50mm 的圆柱体试件径向加载点荷载试验的强度指标值； z I断面中性轴（z 轴）的惯性矩； l模型和实体几何长度； c L初次垮落步距； z L周期垮落步距； m模型参数值； M点所在断面的弯矩值； A MA 点约束力矩； B MB 点约束力矩； p实际参数值； d q老顶板上部均布荷载； g q老顶的自身均布载荷； q煤层老顶全部均布荷载 dg qqq； t q冻土均布载荷； A RA 点支撑反力； 万方数据 西安科技大学博士学位论文 II B RB 点支撑反力； c R岩石抗压强度； t R岩石抗拉强度； t时间； y点离断面中性轴（z 轴）的距离； α煤层倾角； γ容重； t多年冻土容重 泊松比； σ正应力； 1 最大主应力； 3 最小主应力； c 抗压强度； s 抗剪强度； t 抗拉强度； w 抗弯强度； 内摩擦角； 切应力； ω薄板挠度； 拉普拉斯算子。 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 随着 21 世纪我国矿产资源开发重点向西部转移，煤炭资源开发已成为西部地区经 济发展的重要产业之一。木里煤田位于青藏高原北部大通河上游盆地中，地面海拔 35004300m，年平均气温-5.1℃，为大面积多年冻土层（永冻层）连续分布区，区域水 文地质条件完全为多年冻土层所控制[1-3]。木里煤田面积约 4800km2， 探明煤炭资源储量 约为 36 亿吨，主要为优质焦煤。木里煤田是我国重要的焦煤资源地，包括聚乎更、弧 山、江仓、外力哈达、热水、海德尔、默勒 7 个矿区 20 余个井田，其中江仓矿区划分 为 6 个井田，规模 6.0Mt/a。木里煤田优质焦煤资源的开发，对加快青海省经济社会可 持续发展具有十分重要的意义[3-7]。 娘姆特煤矿为江仓矿区规划中的四号井田，井田内共有可采煤层 12 层，煤层赋存 倾角平均 40 左右。 娘姆特煤矿地面标高达到3820～4000m 左右， 煤矿位于多年冻土带 内，冻土发育，整个井田范围遍布多年冻土层，第四系地层基本均为常年不化的多年冻 土层。冻土层厚度变化较大，第四系多年冻土层厚约 30～80m。 在木里煤田江仓矿区高原高寒这种特殊地质和气候条件下建设矿井和进行煤炭开 采，将遇到许多目前还没有解决好的一系列技术难题。除了高原矿区多年冻土的物理特 性和力学参数需要深入研究外[8-10]，煤炭开采过程中，上覆岩层特别是多年冻土层破坏 破断机理如何、破断几何结构特征如何、冻土破断结构稳定性如何、如何控制、是否出 现特殊矿压显现规律、多年冻土层对工作面的安全生产有何影响、如何实现高原高寒生 态脆弱地区煤炭开采与生态环境保护的协调可持续发展这些都是高原高寒矿区多年 冻土层条件下煤炭开采亟待研究和解决的重大科学技术问题。 1.1.2 研究意义 目前，涉及的冻土工程主要有寒区工业与民用建筑的地基处理；寒区公路、铁路 建设的路基处理；矿井建设中的人工冻结凿井工程等。建筑、铁路、公路、科研、煤炭 等部门及有关高等院校对冻土区工业与民用建筑的冻害、 严重的道路翻浆和人工冻结井 壁设计施工中等进行了大量的试验和理论研究工作。其中，青藏铁路、公路工程实践中 的研究成果大多集中在地表季节性冻土上建筑物的冻胀、融沉和水热迁移等方面。对高 原高寒地区煤层开采上覆大深度范围多年冻土的物理力学性质的相关研究还很少， 随着 万方数据 西安科技大学博士学位论文 2 木里煤田江仓等矿区寒区矿产资源和其它能源的开发， 对多年冻土层的物理性质和力学 特性等方面的研究已经迫在眉睫， 研究的结论是深入研究煤炭开采上覆多年冻土层的破 坏结构特征及其破断运动规律提供了理论基础。 在采矿工程领域中， 科研工作者已经对开采过程中上覆岩层的结构特征和运动规律 进行了大量卓有成效的研究。然而，高原高寒地区多年冻土层由于其中富含冰体，一般 厚度较大，在地表形成整体分布的坚硬板状壳体，其破坏破断内在本质机理与外在结构 特征势必与一般岩层不同。 煤层开采过程中上覆多年冻土层和岩层可能会发生大范围的 突然破断垮落而严重威胁生产安全，也会对开采地表沉陷，保护地表水资源和脆弱的生 态环境产生重要影响。目前，高原高寒冻土层条件下大倾角煤层开采的多年冻土层破坏 活动特征、覆岩结构状态、覆岩垮落破坏运动规律等还未见具体深入的研究。深入研究 高原高寒地区煤矿冻土层下大倾角煤层开采覆岩结构特征及其运动规律， 其研究结果对 多年冻土层下煤炭资源的安全、高效、绿色开采具有重要的科学价值和现实意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 多年冻土物理性质和力学特性国内外研究现状 目前，国内外关于多年冻土的研究成果主要集中在冻土的冻胀、融沉和冻土的力学 性质等方面。 研究结论对高原高寒矿区煤矿开采过程的冻土力学破坏特性研究具有极其 重要的借鉴意义和价值。 （1）国内外对冻土冻胀、融沉的研究现状 国外关于冻土力学特性的研究从 20 世纪 30 年代起始于前苏联， 研究成果比较有代 表性的是崔托维奇的世界上第一部冻土力学专著冻土力学基础 ，其中很多研究成果 指导了前苏联在冻土上的路基施工、房屋建设和煤矿矿井井筒冻结法施工等。进入 60 年代末和 70 年代初，欧美一些国家也逐渐开展了冻土的物理力学性质研究[11-13]。 寒冷地区建设工程受冻土冻胀的破坏较为严重， 国外很多学者对冻土的冻胀理论进 行了深入研究，Sill and Skapski、Gold 和 Everett 等人提出了毛细理论，认为在冻结缘的 固液动态平衡界面上，由于表面张力的差异，造成固相和液相的压力差，压力差是形 成分凝冰并引起冻胀的主要原因[14-16]。Harlan，Guymon 和 Luthin，Guymon，Hromadka 等提出了水动力模型理论，土的冻结被看做热耦合作用下导致水的迁移，冻结缘处的水 压力由 Clausius-Clapeyron 方程描述，水分迁移由修正的 Darcy 定律求得。研究认为， 当冰的含量超过孔隙的 85～90时冻土才会发生冻胀[17-20]。Miller 提出了次冻胀模型 理论，他假定冰透镜体生长在比冻结锋面温度低的区域，当冻结区土颗粒的有效应力降 为 0 时才会发生，当土中的孔隙压力超过上覆压力时，冻土就会产生冻胀。随着温度逐 渐降低冰压力不断增大，当颗粒间有效应力降低到零，冰透镜体才会产生[21-22]。Taber 万方数据 1 绪论 3 提出吸力是冻胀的驱动力，该理论认为，土颗粒表面的吸附水形成内部应力。随着温度 的降低，吸附水冻结，颗