深部仰斜开采工作面覆岩变形破坏规律研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 I 深部仰斜开采工作面覆岩变形破坏规律研究深部仰斜开采工作面覆岩变形破坏规律研究 摘摘 要要 随着浅部资源的逐渐枯竭，深部开采成为世界各国资源开发的发展趋 势。而深部开采是一个复杂的课题，与浅部开采有着明显的区别，一些理 论还未完善，特别是对深部条件下的仰斜开采研究比较少，对深部仰采条 件下工作面覆岩破坏规律的认识还不全面，不足以指导实际生产。因此， 对深部仰斜开采工作面覆岩变形破坏规律的研究具有重要的意义。本文以 开滦集团唐山矿为地质背景，主要研究工作及结论有 （1）对深部仰斜开采工作面覆岩变形破坏机理进行的研究，包括针 对不同的开采角度，分别分析了不同角度下的工作面覆岩变形破坏形式， 得出当所采煤层倾角较小时（12以下），工作面覆岩的变形破坏形式可 划分为垮落带，裂缝带和弯曲带，当所采煤层倾角较大时，工作面覆岩的 变形破坏形式可分为岩层的垮落、弯曲及沿层理面的滑移；建立基本顶初 次来压与周期来压的力学模型，得出基本顶来压时的破断位置为上支承端 上表面，计算出基本顶的初次来压与周期来压步距分别为 112.68m、35.4m； 通过分析深部仰斜开采工作面前上方煤岩受采动及沿煤层向下的层向分力 的影响，得出工作面上方岩梁在工作面前方就有可能发生断裂，出现超前 裂隙。 （2）利用相似模拟实验通过对不同推进距离下工作面覆岩的垮落形 态、位移及应力变化进行分析，得出① 老顶的初次垮落步距约为 120m， 影响高度约为 30m，周期垮落步距约为 30m，影响高度约为 45m。受沿煤 层倾斜向下的层向分力的作用，老顶周期性垮落体的形状呈平行四边形， 一对平行线与煤层倾斜方向一致，一对平行线与工作面的推进方向形成一 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 个钝角，即垮落体有沿煤层倾斜方向向采空区一侧滑移的趋势。② 在仰采 工作面推进过程中，超前工作面 30-90m 位置会产生与工作面推进方向成 110-130的裂隙，裂隙的影响高度约为 105-199m，裂隙的产生导致工作 面覆岩的下沉量增大，裂隙附近的覆岩应力发生突然释放而减小。③ 在回 采及超前裂隙的作用下上覆岩层的破坏影响范围呈现出梯形演化规律。④ 在保护煤柱与工作面前方一定位置处会出现集中应力，在老顶发生初次垮 落时应力集中现象最明显，应力值分别为 33MPa、29.9MPa，应力集中系数 分别为 2.06、1.87。 （3）运用数值模拟的方法对不同推进距离的工作面覆岩的垮落形态、 位移与应力变化情况进行研究，得出① 老顶的初次垮落步距为 115m， 初次垮落影响高度约为 25m。周期垮落步距为 35m，周期垮落的影响高度 约为 40m。垮落后的岩体有向采空区滑移的趋势。② 工作面前方一定范围 煤岩与工作面后方保护煤柱会出现应力集中现象，边界保护煤柱一直处于 应力集中状态。当老顶初次垮落时应力值达到最大，保护煤柱处与前方煤 岩的应力值分别为 35MPa、32MPa。 （4）结合理论分析、数值模拟与相似模拟实验研究及煤矿实际情况， 提出深部仰斜开采下需注意的几个关键问题并提出了相应的防治措施。 关键词深部仰斜开采，覆岩变形，超前裂隙，相似模拟，数值模拟 太原理工大学硕士研究生学位论文 III THE LAWS RESEARCH OF DEEPRISE MINING COALFACE OVERBURDEN DEATION FRACTURE ABSTRACT Deep mining has become the development trend of world resources development with the gradual depletion of shallow resources. However, the deep mining is a complex subject, it has a clear distinction for shallow mining and some theory is not yet perfect, especially the research of deep rise mining relatively small, the law of face overburden destruction in deep rise conditions not comprehensive understanding thus insufficient to guide the actual production. Therefore,it has a great significance for deep rise mining study of overburden deation fracture. Based on geological date of Tangshan Mine of Kailuan Group in this paper, the main research work and conclusions 1 The mechanism study of deep rise mining study of overburden deation fracture, include inferred when the inclination of the coal layer is small 12 or less, deation and destruction in the of overburden strata can be divided into caving zone, fractured zone and bend zone,when the inclination of the coal layer is large, deation and destruction in the of overburden strata can slip into rock collapse, bending and along bedding planes; breaking draw position when the basic roof pressure on the upper end surface of the support, calculated for the first time the basic roof to initial pressure and pressure cycles step were 112.68m、35.4m in based on mechanical model basic roof initial pressure and pressure cycles; drawn work surface above rock beam 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV there fracture may occur in the square in front of the work and cracks appeared ahead by analyzing the face of the deep rise mining coal above the work by the rock mining and influence along the downward component of the layer to the seam. 2 Analysis promoting different collapse distance overburden rock displacement and stress utilize similarity simulation, reach conclusion①Main roof initial caving step distance of about 120m, the impact height of about 30m, cycle caving step distance of about 30m, affect the height of about 45m,by seam along the downward slant to the component layer, the shape of the upper roof caving cyclical body parallelogram, a pair of parallel lines and consistent seam inclination direction, the direction of advancing a pair of parallel lines ing an obtuse angle with the face, that collapse has body seam inclined in the direction towards the goaf side of the sliding trend. ② Dip mining face in advancing the process, ahead of the working face 30-90m position will produce crack and face advance direction of 110-130, the impact of fracture height of about 105-199m, overburden rock subsidence increases overlying rock stress fracture near the sudden release decreases due to the generation of cracks.③ Overburden showing the evolution ladder in mining and the role of the damaging effects of lead fractures.④Protection pillar and a certain position at the front of the face will be concentrated stress occurs in the main roof breaking down at first when the most obvious stress concentration, stress values were 33MPa、29.9MPa, stress concentration coefficients were 2.06、1.87. 3 Using numerical simulation to promote different s from the collapse of overburden, displacement and stress changes in the study, reach conclusion①Main roof initial caving step distance of about 115m, the impact height of about 25m, cycle caving step distance of about 35m, affect the height of about 40m. Rock has collapsed backward to the goaf slip trend.②A range of face and rear face in coal and rock protective pillar will occur stress 太原理工大学硕士研究生学位论文 V concentration, protect the border pillar has been in a state of stress concentration. When the main roof first collapse stress reaches the maximum stress protection at the front pillar of coal were 35Mpa、32Mpa. 4 Put forward several key issues in deep rise mining combined with theoreticalanalysis,numericalsimulation,similaritysimulationand experimental study of the actual situation of coal mine. Proposed the corresponding control measures. KEY WORDSdeep rise mining, overburden deation, advance crack, similarity simulation, numerical simulation 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目目 录录 第一章 绪论.....................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义........................................................................................................1 1.2 相关研究动态.....................................................................................................................2 1.2.1 国内外深部开采研究动态.....................................................................................2 1.2.2 国内外倾斜长壁开采研究动态.............................................................................4 1.2.3 深部仰斜开采工作面覆岩变形研究现状............................................................5 1.3 问题的提出.........................................................................................................................8 1.3.1 主要研究内容及手段.............................................................................................8 1.3.2 研究技术路线..........................................................................................................9 第二章 深部仰斜开采工作面覆岩变形破坏机理研究............................................................11 2.1 仰斜开采工作面覆岩变形破坏形式.............................................................................11 2.2 仰斜开采基本顶的力学分析.........................................................................................13 2.2.1 仰斜开采基本顶的运动和初次来压特点..........................................................13 2.2.2 仰斜开采基本顶的周期来压特点......................................................................16 2.2.3 仰斜开采工作面前方覆岩的变形特点..............................................................18 2.3 深部仰斜开采工作面覆岩变形破坏的主要影响因素...............................................19 2.3.1 深部开采对工作面覆岩变形破坏的影响..........................................................19 2.3.2 仰采角度对工作面覆岩变形破坏的影响..........................................................21 2.3.3 采高对工作面覆岩变形破坏的影响..................................................................21 2.3.4 推进速度对工作面覆岩变形破坏的影响..........................................................22 2.4 本章小结...........................................................................................................................23 第三章 深部仰斜开采相似模拟研究.........................................................................................25 3.1 相似模拟实验理论...........................................................................................................25 3.2 相似模拟实验设备..........................................................................................................26 3.3 相似模拟实验模型的设计.............................................................................................28 3.3.1 实验原型概况........................................................................................................28 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 3.3.2 模型的设计............................................................................................................29 3.3.3 实验测点的布置....................................................................................................32 3.3.4 工作面的开挖及数据采集...................................................................................33 3.4 相似模拟实验工作面覆岩破坏特征分析....................................................................34 3.4.1 工作面推进过程中覆岩的破坏情况..................................................................34 3.4.2 工作面覆岩变形破坏应力分析.......................................................................... 39 3.4.3 工作面覆岩变形破坏位移分析.......................................................................... 45 3.5 本章小结...........................................................................................................................50 第四章 深部仰斜开采工作面覆岩变形破坏数值模拟............................................................53 4.1 深部仰斜开采模型的建立.............................................................................................53 4.1.1 UDEC 模拟岩块运动的原理................................................................................53 4.1.2 计算模型................................................................................................................55 4.1.3 模拟过程................................................................................................................57 4.2 数值模拟与结果分析......................................................................................................58 4.2.1 工作面推进过程中覆岩变形及位移分析..........................................................58 4.2.2 工作面推进过程中的应力分析.......................................................................... 63 4.3 本章小结...........................................................................................................................66 第五章 深部仰斜工作面开采关键的问题.................................................................................67 5.1 深部仰斜工作面片帮问题的研究.................................................................................67 5.1.1 仰斜开采煤壁片帮的主要形式.......................................................................... 67 5.1.2 深部仰斜工作面煤壁片帮的防治......................................................................70 5.2 深部仰斜工作面顶板支护的研究.................................................................................71 5.2.1 仰斜开采工作面支架的下滑问题研究..............................................................71 5.2.2 仰斜开采工作面支架与围岩的作用关系..........................................................72 5.2.3 深部仰斜开采工作面支架的注意事项..............................................................73 5.3 超前裂隙对工作面的影响及防治.................................................................................74 5.4 本章小结...........................................................................................................................77 第六章 结论与展望.......................................................................................................................79 6.1 主要结论...........................................................................................................................79 6.2 不足与展望.......................................................................................................................80 太原理工大学硕士研究生学位论文 IX 参考文献..........................................................................................................................................81 致谢..........................................................................................................................................85 附录 A攻读硕士期间发表的学术论文...................................................................................87 附录 B攻读硕士期间参与的科研项目...................................................................................87 附录 C攻读硕士期间参加的学术会议...................................................................................87 太原理工大学硕士研究生学位论文 X 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 选题背景及研究意义 随着科技的进步和工业化程度的不断提高，世界人口以及经济的不断增长，全球能 源的需求量也在不断增加[1]。我国是一个能源消费的大国，在未来很长一段时间我国对 能源的需求将持续增加，但是，我国是一个多煤少油的国家，在我国现有的全部能源储 量中，煤炭资源所占比例高达 92。所以，煤炭资源对我国经济的发展依然有着很大的 影响，是我国现阶段的主体能源[2]。 当今，我国大部分的煤炭资源开采还是在地下进行的，在长期大规模的开采中，浅 部的煤炭资源在逐渐减少，地下开采逐渐向着深部进行。浅部资源在我国西部地区储量 虽然很丰富，但是西部地区水源匮乏，经济不发达，交通不便利，再加之其脆弱的生态 环境等制约，使得在西部地区实现煤炭的大规模集中开发在短期内难以实现。相关数据 显示， 国内煤矿在 1980 年的平均采深为 288m， 1995 年为 428m， 20 世纪末已经达到 500m， 煤矿的采深每年的增加量多达 8-12m[3]，我国煤矿向着深部开采的趋势明显。 此外，我国煤炭资源丰富，赋存条件复杂，其中倾角在 15以下的煤层大约占 80.38[4]，在较小的煤层倾角下，一般采用倾斜长壁采煤法。倾斜长壁采煤法相对于走 向长壁采煤法有许多优势。倾斜长壁采煤法，可简化生产系统，减少巷道的掘进量，简 化运输和通风系统，减少煤炭损失，提高了生产能力。国内外采煤国家越来越重视倾斜 长壁采煤法的运用，该方法已被某些国家列为开采倾斜煤层的主要方法[5]。倾斜长壁采 煤法一般又分为仰斜开采与俯斜开采，这两种开采方法各有优势仰斜开采时，支承压 力倾向于采空区一侧，使得部分煤体在自身重力和支承压力共同作用下容易出现自滑片 帮，与此同时，被挤压变形的煤体受煤层层向分力的影响也容易向采空区滑落形成片帮 [6]， 但是仰斜开采对于工作面的排水是有利的， 所以当所采煤层顶底板涌水量较严重时， 煤质较硬，为保证工作面的安全和工人良好的工作环境，这时一般采用仰斜开采[7]，当 所采煤层煤质较软，片帮严重，煤层顶底板涌水量不大时，一般采用俯斜开采。 而倾斜长壁采煤法对煤层上覆岩层的影响也与走向长壁采煤法有所不同，对仰斜开 采与俯斜开采分别介绍。在仰斜开采条件下，基本顶及其上覆岩层的重力将产生指向采 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 空区的层向分力，此时的基本顶处于受拉影响，有助于其断裂；在俯斜开采条件下，基 本顶及其上覆岩层的重力将产生指向采煤工作面的层向分力， 此时的基本顶处于受压影 响，阻止其断裂[8]。 深部条件下的倾斜长壁采煤法所引起的工作面覆岩变形破坏又有其自身的特点，深 部开采与浅部开采有着明显的“三高”，即高地应力，高地温，高底板承压水。其中 高地应力会使工作面覆岩的自重应力和构造应力增大，使得围岩和采场失稳[9-14]，尤其 在倾斜长壁采煤工作面，上覆岩层破坏明显，顶板管理更加困难。 当前，我国的倾斜长壁采煤法已趋于成熟，相应的配套设备及其技术水平也日趋完 善，倾斜长壁采煤法在我国的一些矿井也取得了较好的实践应用，如阳泉一矿丈八井， 大同燕子山矿，古交西曲矿等。与此同时，我国对深部开采的研究也在不断推进，众多 学者通过理论研究，实验室及现场试验取得了大量的成果。对倾斜长壁开采条件下上覆 岩层的破坏规律以及深部开采条件下上覆岩层的破坏规律做了大量的研究， 也取得了许 多有益的成果。但是，对深部仰斜开采工作面覆岩变形破坏规律的研究却较少，因此探 索和研究深部条件下仰斜开采工作面覆岩变形破坏规律， 提出深部仰斜工作面开采的关 键问题，并为类似条件下的煤矿开采提供理论指导就变得十分重要。 1.2 相关研究动态 1.2.1 国内外深部开采研究动态 1、深部开采的界定 随着世界各国煤炭资源的不断开发，各国的浅部资源逐渐枯竭，煤炭资源的开采不 断向深部推进，出现了深部开采。但是，我们发现尽管众多科技工作者已经围绕着煤炭 资源的深部开采做了大量的研究，对深部开采的“深部”却没有一个统一的定义。关于 深部的界定俄罗斯学者曾提出“深度”公式，该公式包含应力集中系数、岩体弹性模量、 岩体单轴抗压强度、岩石的极限拉伸变形等因素[15]。谢和平等曾提出用绝对深度来界定 深部，即在当前的煤矿开采现状下煤矿深部是指 700-1000m[16]。钱七虎等提出基于分区 破裂化现象来界定深部岩体工程从而得到深部岩体工程明确概念[17]。 李化敏等提出用隶 属函数方法下处理的“深井”概念，提出深井的临界深度为 650m 的结论[18]。李海燕等 从经济合理性方面对煤矿深部开采做了相应的研究[19]。 谢和平等通过对国内外地应力的 实际观测提出深部开采的界定本质应该归为力学问题，包括应力状态、应力水平和原岩 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 性质等，提出了亚临界深度、临界深度、超临界深度等概念，对煤矿的深部开采提出了 量化指标[20]。 世界各国对深部开采“临界深度”的定义和判别标准也各不相同。原苏联学者通过 巷道围岩在采深大于 600m 时变形强烈而把“临界深度”定义为 600m。德国把“临界 深度”定义为 800m。日本定义 600m 为“临界深度”。英国和波兰定义 750m 为“临界 深度”。通过对有深部开采历史的世界各国进行分析，我们认为当煤矿开采深度超过 600m 时，即为深部开采。 2、国外深部开采的研究现状 国外的一些主要产煤国家对深部开采起步较早，西德在 1960 年的平均开采深度为 600m，1987 年已达到 900m。原苏联在 80 年代末，600m 以下埋深的产量约占总产量的 一半。到 90 年代，国外一些国家的最大开采深度分别为德国 1713m，俄罗斯 1200-1400m，波兰 1300m，日本 1000m[21]。对深部开采科研方面的研究早在 80 年代初 就已开始。原苏联的一些学者曾于 1983 年提出 1600m 以上开采深度的研究建议，针对 此研究建议，西德还专门建立了一个特大模拟实验台进行了相似模拟实验研究。1989 年，岩石力学学会在法国举行，该会议重点对深部岩石力学问题进行了交流探讨并形成 了相关专著。一些有着深部开采历史的国家，如加拿大，南非，美国，波兰等国家投入 大量的人力和财力，政府机构，工业部门及科研机构密切配合开展深部开采的基础课题 研究。加拿大政府于 20 世纪 80 年代提出并开展了两个周期为 10 年的深部开采研究计 划。 南非政府于 20 世纪 90 年代末， 与相关大学和工业部门合作，