近距离煤层开采覆岩运动及台阶断层活化规律研究.pdf

分类号TDγ5 UDC 申 诮 学 位 级 别 指 导 教 师 姓 名 副 指 导 拽 岫 胎 各 密 级公开 单位代码10姒4 学位论文 近距离煤层开采覆岩运动及台阶断层活 化规律研究 赵亚鹏 眦枷 矿业工程 职 栅 副 教 授 职 称高级 工 程师 山 东 科 技 大 学 二○ 一八年六月 万方数据 论文题目论文题目 近距离煤层开采覆岩运动及台阶断层活化规律 研究 近距离煤层开采覆岩运动及台阶断层活化规律 研究 作者姓名作者姓名 赵赵 亚亚 鹏鹏 入学时间入学时间 2015 年年 9 月月 专业名称专业名称 矿业工程矿业工程 研究方向矿山灾害预测与防治研究方向矿山灾害预测与防治 指导教师指导教师 张 培 森张 培 森 职职 称称 副副 教教 授授 副指导教师刘 国 利副指导教师刘 国 利 职职 称称 高高 级级 工工 程程 师师 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 2018 年年 6 月月 万方数据 STUDY ON OVERLYING STRATA MOVEMENT IN CLOSE DISTANCE SEAM MINING AND THE ACTIVATION LAW OF STEP FAULT A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Zhao Yapeng Supervisor Professor Zhang Peisen Vice Supervisor Senior Engineer Liu Guoli College of Mining and Safety Engineering June 2018 万方数据 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,除了所列参考文献和世所公 认的文献外,全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名郑业Jl l 日 期石 叼‘ /、∫2 万方数据 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 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,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 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 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 师生阅读、浏览。 保密的学位论文在解密后适用本授权 硕士生签名妃业 翮号 日 期加⒔t 犭、 | 2 多 〃刂7 万方数据 学位论文审查认定书 研究生 彡 鄹业 刚备 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, 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。 导师签名 日 期v 闷.彡 丨 2 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘要摘要 本文以柴里煤矿实际地质情况为出发点，采用理论分析、相似材料模拟试 验及数值模拟等研究手段，并考虑底板承压水的作用，对临近台阶断层区域近 距离煤层下行开采过程中的覆岩运动、顶底板应力变化以及台阶断层的活化规 律等进行了研究，得出的主要成果或结论如下 （1）通过弹塑性力学分析，构建了覆岩垮落、煤层底板突水、断层活化等 力学模型，得到底板突水和断层活化的判据，并求得上部煤层和下部煤层的极 限破断水压和底板破坏深度， 结果表明， 下部煤层由于受到上部煤层开采扰动， 其底板破坏深度进一步增加，剪切及拉伸极限水压值均小于上部煤层。 （2）通过相似材料模拟试验，发现覆岩垮落结构可细分为“悬臂梁、砌体 梁、过渡结构”三类，其垮落形式也对应有三种；针对柴里煤矿近距离煤层开 采，下部煤层覆岩垮落呈现出“随挖随垮” 、 “无明显周期来压” 、 “很难形成梁 式结构”的特点，这与上部煤层覆岩垮落区别明显。 （3）对断层研究发现，由于断层的“屏障”及“吸附”作用，顶板集中应 力很难越过断层， 故越靠近断层， 应力集中程度越明显； 与上部煤层开挖相比， 下部煤层开挖的垮落步距变小，支承压力亦远小于上部煤层。 （4）数值模拟研究表明，支承压力与含水层水压成正比，而二级台阶断层 受力由于受到一级台阶断层的应力阻隔，其受力明显减小；塑性破坏区随煤柱 的不断缩小逐渐由“圆拱形”向“马鞍形”过渡，并最终变为“中部马鞍，整 体圆拱”的型态；而通过对应力的动态监测，发现上部煤层开采后，下部煤层 开采会造成采空区与工作面两端不同的作用效果， 采空区卸压加剧， 受力减小， 工作面两端应力集中程度升高，应力变大。 关键词关键词近距离煤层；台阶断层；断层活化；相似材料；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II Abstract In this paper, Chaili Coal Mine actual geological conditions as the starting point, by means of theoretical analysis, similar research means of experiment and numerical simulation, and considering the confined water effect，we discussed the movement of overburden, the stress change of roof and floor and the activation law of step fault during the process of downlink mining of associated step fault in close range coal seam. The main conclusions or conclusions obtained are as follows 1 Through the elastoplastic mechanics analysis, the mechanical models of overlying rock collapse, water inrush from coal seam floor and fault activation are constructed, and the criteria of water inrush and fault activation are obtained, and the ultimate breaking water pressure and bottom failure depth of the upper and lower coal seams are obtained. The results show that the bottom coal seam is disturbed by the mining of the upper coal seam, and the bottom failure depth of the coal seam is further increased, and the shear and tensile ultimate water pressure are less than the upper coal seam. 2 Through the simulation test of similar materials, it is found that the overburden structure can be divided into three types “cantilever beam, masonry beam, transition structure“, and its collapse also corresponds to three kinds. During the mining of close coal seam, the collapse of the overlying strata in the lower coal is characterized by “collapse with the excavation“, “no obvious periodic pressure step distance“ and “hard to a beam type structure“, which is distinct from the overlying strata collapse of the upper coal. 3 The study of fault found that because of the “barrier“ and “adsorption“ of the fault, the stress of the roof is difficult to cross the 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III fault, so the closer to the fault, the more obvious the degree of stress concentration is. Compared with the excavation of the upper coal seam, the collapse step of the lower seam is smaller and the support pressure is far less than the upper coal. （4）The numerical simulation shows that the support pressure is directly proportional to the water pressure of the aquifer, and the stress of the two step fault is obviously reduced by the stress barrier of the first step fault, and the plastic failure zone is gradually transferred from the “round arch“ to the “ saddle shape “with the increase of the step distance, and eventually becomes the “central saddle, the whole round arch“. It is found that the lower coal mining will result in different effects on the two ends of the goaf and the working face after the upper coal mining. The pressure relief of the goaf is aggravated, the stress is reduced, the stress concentration at both ends of the working face increases and the stress becomes larger. Key words close distance coal sea ; step fault ; fault activation ; similar material ; numerical simulation 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 ....................................................................................................... I 目目 录录 .....................................................................................................IV 1 绪论绪论 ....................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 .................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 .................................................................................................. 1 1.3 国内外研究现状存在的问题 .............................................................................. 9 1.4 研究内容及研究路线 .......................................................................................... 9 2 覆岩垮落及底板突水力学分析覆岩垮落及底板突水力学分析 ......................................................... 11 2.1 近距离煤层开采覆岩力学分析 ......................................................................... 11 2.2 承压水上采煤底板突水力学分析 .................................................................... 13 2.3 断层活化突水力学分析 .................................................................................... 18 2.4 本章小结 ............................................................................................................ 20 3 近距离煤层开采及台阶断层活化试验研究近距离煤层开采及台阶断层活化试验研究 .................................... 21 3.1 地质条件概况 .................................................................................................... 21 3.2 试验目的 ............................................................................................................ 22 3.3 试验理论依据 .................................................................................................... 22 3.4 试验设备 ............................................................................................................ 23 3.5 试验设计 ............................................................................................................ 24 3.6 模型制作及加载开采方案 ................................................................................ 26 3.7 试验结果分析 .................................................................................................... 28 3.8 本章小结 ............................................................................................................ 49 4 近距离煤层开采及台阶断层活化数值模拟研究近距离煤层开采及台阶断层活化数值模拟研究 ............................ 51 4.1 模型建立 ............................................................................................................ 51 4.2 研究内容与计算方案 ........................................................................................ 54 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 4.3 计算结果分析 .................................................................................................... 55 4.4 本章小结 ............................................................................................................ 88 5 结论与展望结论与展望 ......................................................................................... 90 5.1 结论 .................................................................................................................... 90 5.2 主要创新点 ......................................................................................................... 91 5.3 展望 .................................................................................................................... 92 参考文献参考文献 ................................................................................................. 93 致谢致谢 ......................................................................................................... 99 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ....................................................................... 100 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI Contents Abstract ........................................................................................................................ I Contents .................................................................................................................... IV 1 Introduction ............................................................................................................. 1 1.1 Raising of Project ...................................................................................................................... 1 1.2 Current research situation at home and abroad .......................................................................... 1 1.3 Existing problem and deficiency of the relevant research at home and abroad ......................... 9 1.4 Research on contents and technique course ............................................................................... 9 2 Mechanical analysis of overlying strata and water inrush of floor ................... 11 2.1 Mechanical analysis of overlying strata in close seam mining ................................................ 11 2.2 Mechanical analysis of water inrush from the floor of pressurized water coal mining ........... 13 2.3 Mechanical analysis of fault activation ................................................................................... 18 2.4 Brief summary ......................................................................................................................... 20 3 Experimental study on close seam mining and step fault activation ............... 21 3.1 Researsh on survey of geological conditions of the region ..................................................... 21 3.2 Experiment objective ............................................................................................................... 22 3.3 Theory of experiment .............................................................................................................. 22 3.4 Experiment equipment ............................................................................................................. 23 3.5 Experiment design ................................................................................................................... 24 3.6 Model making and loading mining scheme ............................................................................. 26 3.7 Analysis of experiment results ................................................................................................. 28 3.8 Brief summary ......................................................................................................................... 49 4 Numerical simulation of close seam mining and step fault activation ............. 51 4.1 Establishment of the model ..................................................................................................... 51 4.2 Content and calculation scheme of the research ...................................................................... 54 4.3 Analysis of calculated result .................................................................................................... 55 4.4 Brief summary ......................................................................................................................... 88 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII 5 Conclusions and prospects ................................................................................... 90 5.1 Conclusions ............................................................................................................................. 90 5.2 Innovation ................................................................................................................................ 91 5.3 Prospects .................................................................................................................................. 92 Reference ...................................................................................................................................... 93 Acknowledgement .................................................................................................... 99 Main achievements during working on master dissertation .............................. 100 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 研究背景及意义研究背景及意义 改革开放以来，我国经济飞速发展，综合国力显著提升，人民生活水平不 断提高，而在取得这一系列的成就背后，是我国巨大的能源消耗，煤炭作为我 国消耗占比最大的一次能源，其对于国民经济的贡献是巨大的[1]，且在接下来 的几十年中，这一格局并不会发生显著改变，据相关资料预计，到 2020 年我国 一次能源消耗量中煤炭仍将占比达到 60[2-4]。 经过几十年的开采，我国赋存条件好及埋深较小的煤层被逐步开采完毕， 因而煤炭开采向着越来越深、地质条件越来越复杂的方向发展。很明显，开采 深度的增加，伴随着一系列的问题，其中矿压显现的加大以及地质构造揭露的 增多尤为明显，断层作为最常见的地质构造，是煤炭生产过程中多种事故的主 要根源[5-7]，此外为了留设断层防水煤柱，还会造成煤炭资源的浪费[8-9]，因此 对于煤炭开采过程中的断层研究，尤其是在大采深情况下的断层活化并进而引 起导水事故的研究具有十分重要的现实意义。 就我国而言，煤炭产区遍布全国各个区域，因而煤层覆存情况及地质情况 多种多样。随着开采技术不断进步以及开采条件好的煤炭资源逐渐枯竭，近距 离及极近距离煤层开采开始得到人们越来越多的关注。在我国众多的煤炭产区 中，近距离煤层及煤层群开采十分常见，如西山矿区、大同矿区、淮南矿区、 井陉矿区[10]等。对于近距离煤层开采，针对多数采取的下行开采方法，由于上 部煤层开采完毕，上覆岩层垮落，原岩应力得到释放并重新分布，故下部煤层 开采时， 必将受到上部已采煤层及上覆岩层的影响， 而这种影响又因煤层采高、 煤层间距、煤层岩性、有无关键层等多种因素影响，因此，对于近距离煤层及 极近距离煤层的多方面研究意义重大。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 近距离煤层研究现状近距离煤层研究现状 虽然近距离煤层十分常见，但是国内外并没有一个统一的对于近距离煤层 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 或者极近距离煤层的定义。 国内而言， 我国在 2004 年出版的 煤矿安全规程中 对近距离煤层进行了说明，其表述为“煤层群间距较小，且开采时彼此影响较 大的煤层” ，就其开采顺序来说，又具体分为上行开采和下行开采，顾名思义， 上行开采，即先开采下部煤层，后开采上部煤层，整体开采顺序向上，下行开 采和上行开采正相反，即先开采上部煤层，后开采下部煤层，整体开采顺序向 下，目前多数采区采用下行开采的开采顺序；国外而言，前苏联学者主要以煤 层群间距及顶板破坏带高度为依据对近距离煤层进行定义。 对于近距离煤层的研究 ， 国内外学者已经取得了大量的的可喜成果， 其成 果也较为广泛，对于今后近距离煤层的开采具有重要的指导作用，其主要研究 有 近距离煤层的巷道布置是煤层群开采时一个十分重要的研究内容， 根据上、 下巷道的前后位置关系，主要有三种巷道布置形式，分别为内错式、外错式和 重叠式[11-12]， 而三种形式的不同， 其下部煤层巷道的受力情况也有很大不同[13-14]， 一般来说，内错式布置巷道其受力最小，外错式布置巷道，其受力最大，而重 叠式则居中。