厚松散层薄基岩下近距离厚煤层组开采覆岩破坏特征及应用研究.pdf

分类号分类号TDTD82 82 密密 级级公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1 104240424 学学 位位 论论 文文 厚松散层薄基岩下近距离厚煤层组开采厚松散层薄基岩下近距离厚煤层组开采 覆岩破坏特征覆岩破坏特征及应用及应用研究研究 李李 振振 鲁鲁 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张张 文文 泉泉 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二○○一一八八年年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 厚松散层薄基岩下近距离厚煤层组开采厚松散层薄基岩下近距离厚煤层组开采 覆岩破坏特征及应用研究覆岩破坏特征及应用研究 作者姓名作者姓名李李 振振 鲁鲁 入学时间入学时间 2015 年年 9 月月 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 研究方向研究方向矿矿山灾害预测与防治山灾害预测与防治 指导教师指导教师张张 文文 泉泉 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 2018 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期 2018 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY AND APPLICATION ON CHARACTERISTICS OF OVERBURDEN FAILURE IN CLOSE DISTANCE THICK COAL SEAM GROUP MINING UNDER THICK UNCONSOLIDATED LAYER AND THIN BEDROCK A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Li Zhenlu Supervisor Professor Zhang Wenquan 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。 导导师签名师签名 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 本文以高庄煤矿西三采区浅部近距离厚煤层组为工程研究背景，综合运用 了现场调研、资料收集及统计分析、理论分析、室内试验、数值模拟以及现场 试验等多种研究手段，对研究区域基岩和第四系底部地层的空间分布特征、沉 积组合结构特征、岩性特征以及阻水隔砂特性进行了系统的研究，分析研究了 煤层组在不同赋存条件下开采时的覆岩破坏特征。主要工作及结论如下 1）通过现场调研、资料以及数据的整理统计分析和现场试验发现研究区 域附近第四系下组是由粘土质层和砂质层交互沉积而成，第四系下组上段底部 具有厚度大且稳定的粘土层，第四系下组下段含水层和底含均为弱含水层；基 岩厚度较薄，上部有风氧化带，均属弱含水层。 2）根据钻孔的现场取芯情况及室内试验测试结果表明第四系下组粘土具 有良好的隔水性，砂层内砂质粒径小、透水性较差；基岩为中硬偏软类岩石， 基岩柱呈“上软下硬”结构，基岩风氧化带内的岩石，强度明显降低且粘土成分 增加，能够有效抑制采动裂隙的发育。 3）对近距离厚煤层组覆岩破坏特征进行了分析，在此基础上，利用 UDEC 数值模拟软件对不同基岩厚度、煤层组间距以及煤层组厚度下煤层组开采时的 覆岩破坏特征进行了模拟研究，根据模拟结果，分析了各因素对煤层组开采时 覆岩坏特征的影响。 4）综合运用数值模拟及理论计算，得到煤层组工作面均采用综放开采工艺 开采时， 所需留设的防砂煤岩柱高度， 并确定了合理的开采方案对其进行开采， 同时进行了实例验证和应用。 研究成果对高庄煤矿及地质条件类似的厚松散层薄基岩下近距离厚煤层组 的回采具有一定的参考意义。 关键词关键词厚松散层；薄基岩；近距离厚煤层组；破坏特征；防砂煤岩柱 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT II ABSTRACT Taking the shallow close distance thick coal seam group in Xisan mining area of Gaozhuang coal mine as engineering background, a variety of research s including on-site investigation, data collection and statistical analysis, theoretical analysis, laboratory tests, numerical simulations, and field tests were applied to research and analysis the spatial distribution of the bedrock and the quaternary bottom strata and the characteristics of their combined sedimentary structures in the study area. The characteristics of lithological characteristics and water resistance perance are analyzed, the characteristics of the structure of the coal seam group and the characteristics of the overlying rock failure under different storage conditions are analyzed and studied. The main work and conclusions are as follows 1 Through field investigation, statistical analysis and field test, it was found that the lower Quaternary Group near the study area was ed by the alternating deposition of clayey and sandy layers, and that the lower part of the lower section of the Quaternary lower section had a large thickness. In the stable clay layer, the lower aquifer and bottom of the lower Quaternary ation are all weak aquifers; the bedrock is thin and the upper part has a oxidized zone, which is a weak aquifer. 2 According to the field coring and laboratory test results of drilling hole, it is shown that the clay in the lower Quaternary system has good water resistance, the sandy grain size in the sand layer is small and the permeability is poor, and the bedrock is medium hard and soft rock, and the permeability of the clay in the sand layer is small and the permeability is poor. The bedrock pillar has the structure of “upper soft and lower hard“. The strength of the rock in the oxidized zone of bedrock wind decreases obviously and the composition of clay increases, which can effectively restrain the development of mining fracture. 3 Analysis of overburden damage characteristics of close thick coal seam group, on this basis, the failure characteristics of overlying rocks in mining coal seams with different thickness of bedrock, spacing of coal seams and thickness of seams are simulated by UDEC software. According to the simulation results, the influence of various factors on the bad characteristics of overlying rock in coal seam mining is analyzed. 4 By means of numerical simulation and theoretical calculation, the height of coal pillars for sand-proff should be retained when the coal seam group working face 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT III is fully mechanized mining, and the reasonable mining scheme is determined and exploited. At the same time, example verification and application are carried out. The research results have certain reference significance for the mining of the near-thick coal seam group under the thick loose bed and thin bedrock in Gaozhuang coal mine and similar geological conditions. Keywords thick unconsolidated layer; thin bedrock; close distance thick coal seam group; failure characteristics; coal pillars for sand-proff 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 I 目目 录录 摘摘 要要 .................................................................................................................... I 目目 录录 .................................................................................................................... I 1 绪绪 论论 .............................................................................................................. 1 1.1 研究目的及意义 ................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................................. 2 1.3 主要研究内容及技术路线 ................................................................................................. 4 2 工程背景概况工程背景概况 .................................................................................................. 6 2.1 矿井地层结构特征 ............................................................................................................. 6 2.2 矿井地质构造特征 ............................................................................................................. 8 2.3 矿井水文地质条件 ............................................................................................................. 8 2.4 研究区域概况 ..................................................................................................................... 9 3 研究区域工程地质特性分析研究区域工程地质特性分析 ........................................................................ 11 3.1 研究区域附近第四系地层特征分析 ............................................................................... 11 3.2 薄基岩的特征分析 ........................................................................................................... 23 3.3 基岩风氧化带的特征分析 ............................................................................................... 26 3.4 基岩及基岩风氧化带的富水情况分析 ........................................................................... 28 3.5 本章小结 ........................................................................................................................... 29 4 近距离厚煤层组覆岩破坏特征分析近距离厚煤层组覆岩破坏特征分析 ............................................................ 30 4.1 近距离厚煤层组结构分析 ............................................................................................... 30 4.2 上煤层开采覆岩破坏特征 ............................................................................................... 30 4.3 下层煤开采覆岩破坏特征分析 ....................................................................................... 31 4.4 本章小结 ........................................................................................................................... 34 5 厚松散层薄基岩下近距离厚煤层组开采覆岩破厚松散层薄基岩下近距离厚煤层组开采覆岩破坏特征数值模拟分析坏特征数值模拟分析 ... 35 5.1 数值计算模拟方法选取 ................................................................................................... 35 5.2 数值模拟软件介绍 ........................................................................................................... 35 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 II 5.3 数值模型的建立 ............................................................................................................... 36 5.4 模拟方案的确定 ............................................................................................................... 38 5.5 煤层组基岩厚度变化对覆岩破坏特征影响的模拟分析 ............................................... 40 5.6 煤层组间距变化对覆岩破坏特征影响的模拟分析 ....................................................... 47 5.7 煤层组厚度变化对覆岩破坏特征影响的模拟分析 ....................................................... 53 5.8 煤层组开采覆岩导水裂隙带发育高度模拟分析 ........................................................... 60 5.9 本章小结 ........................................................................................................................... 67 6 工程实例验证及应用工程实例验证及应用 .................................................................................... 68 6.1 防砂煤岩柱留设可行性分析 ........................................................................................... 68 6.2 防砂煤岩柱实践应用 ....................................................................................................... 70 6.3 实例验证及应用 ............................................................................................................... 73 6.4 本章小结 ........................................................................................................................... 76 7 主要结论与展望主要结论与展望 ............................................................................................ 78 7.1 主要结论 ........................................................................................................................... 78 7.2 展望 ................................................................................................................................... 79 参考文献参考文献 .............................................................................................................. 80 攻读硕士期间的主要研究成果攻读硕士期间的主要研究成果 .......................................................................... 85 致致 谢谢 .................................................................................................................. 87 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents 1 Contects 1 Introduction ........................................................................................................ 1 1.1 Research Purposes and Significance ....................................................................................................... 1 1.2 Research Status in China and Abroad ..................................................................................................... 2 1.3 Main Sdudy Contents and Technology Route ......................................................................................... 4 2 Engineering Background ...................................................................................... 6 2.1 Mine Strata Structure Features ................................................................................................................ 6 2.2 Mine Geological Structure Features ........................................................................................................ 8 2.3 Mine Hydrogeological Conditions .......................................................................................................... 8 2.4 Study Area Overview .............................................................................................................................. 9 3 Engineering Geology Characteristics Analysis of the Study Area ......................... 11 3.1 ation Characteristics Analysis of the Unconsolidated Layers in Quaternary of the Study Area .. 11 3.2 Analysis of Characteristics of Thin Bedrock ........................................................................................ 23 3.3 Analysis of Characteristics of Wind Oxidized Zone ............................................................................. 26 3.4 Analysis of Rich Water Situation of Bedrock and Bedrock Wind Oxidation Zone. ............................. 28 3.5 Chapter Summary.................................................................................................................................. 29 4 Analysis on Overburden Failure Characteristics of Close Thick Coal Seams .......... 30 4.1 Analysis of Characteristics of Close Disance Tthick Coal Seam Group ............................................... 30 4.2 Failure Characteristics of Overlying Rock in Upper Coal Seam Mining .............................................. 30 4.3 Analysis on Overburden Failure Characteristics of Lower Coal Mining .............................................. 31 4.4 Chapter Summary.................................................................................................................................. 34 5 The Numerical Simulation Analysis of Characteristics of Overlying Strata Failure In Close Coal Seam Group Mining under Thick Unconsolidated Layers Thin Bedrock ........................................................................................................................ 35 5.1 Choice of the Numerical Simulation ........................................................................................ 35 5.2 Introduce of the Numerical Simulation Software .........................