浅埋近距煤层过煤柱矿压显现规律研究.pdf

万方数据 万方数据 论文题目浅埋近距煤层过煤柱矿压显现规律研究* 工程领域矿业工程 硕 士 生彭钰博 签名 指导教师柴敬 签名 温克珩 签名 摘要 浅埋近距煤层上层开采结束后遗留的煤柱对下层开采影响很大，经常导致下部煤层 开采矿压显现明显，甚至诱发冲击矿压等事故。因此本文以哈拉沟煤矿 12101 工作面为 工程背景，对浅埋近距下煤层开采过煤柱时覆层垮落特征、裂隙演化规律及采场应力分 布特征进行研究，对后续类似工作面的安全生产和稳定开采具有一定指导意义。 论文建立下煤层工作面进煤柱、过煤柱、出煤柱（过空巷）三个不同阶段煤柱上方 关键块体结构的力学模型，并对其稳定性进行了分析。通过 FLAC3D模拟软件和相似材 料模拟实验，对过煤柱时围岩应力分布和覆岩运动规律进行监测，将光纤 Bragg 光栅传 感器与 PPP-BOTDA 技术应用到模拟实验中，对上覆关键层变形移动进行监测。结合 12101工作面现场矿压观测数据，对工作面末采阶段过煤柱时的矿压规律进行分析。 研究表明，哈拉沟煤矿 12101工作面在过辅回撤巷道时，上覆 1段煤柱整体随亚关 键层在巷道底鼓破断线处回转，导致工作面压力突然增大，出现强矿压显现；进煤柱、 过煤柱和出煤柱时的超前支承压力峰值分别为 2.64 MPa、2.79 MPa 和 3.26 MPa，应力 集中系数平均为 1.48。工作面过 1段煤柱时超前支承压力从上覆煤柱转移至 12101工作 面，出辅回撤巷及排矸巷时应力峰值达到最大，塑性区分析表明浅埋煤层开采条件下， 工作面顶板呈切落式破断。现场监测结果表明在过空巷时支架支护阻力明显大于过煤柱 阶段时支架的支护阻力。在相似模型中光纤 Bragg 光栅监测结果与岩层移动规律一致， 且过辅回撤巷时光纤 H1 的布里渊频移曲线右侧峰值发生突增，证明了上覆煤柱在此阶 段发生整体下沉，导致出现强矿压显现。 关 键 词浅埋近距煤层；过煤柱；光纤传感技术；覆岩结构；矿山压力显现 研究类型应用研究 *本文得到国家自然科学基金（51174280）的资助 万方数据 万方数据 Subject Research on the underground pressure of crossing coal pillar in shallow close distance seam Specialty Mining Engineering Name Peng Yubo Signature InstructorChai Jing Signature Wen Keheng Signature ABSTRACT The coal pillars left in the upper coal seam have great influence on the mining of the lower coal seam in shallow close distance seams, and it often leads to the obvious roof weighting in mining of the lower coal seam, even inducing rock burst and other accidents. Therefore, this paper take condition of 12101 working face in Halagou Coal Mine, strata caving characteristics, crack evolution law and stress distribution characteristics when mining under pillars in the lower coal seam are studied, and it has guiding significance for safety production and stable mining of similar working face. Through establishing the mechanical model of upper key block structure in three different stages which are entering pillars, crossing pillars and out of the pillars, and the stability of key block structure is analyzed. By FLAC3D simulation software and similar material simulation experiment, when mining crossing pillars, the stress distribution of the surrounding rock and the law of overlying strata are monitored, FBG and PPP-BOTDA are used in the simulation experiment to monitor the transation and movement of the overlying key strata. Combining with the underground pressure observation data of the working face, the law of underground pressure when mining crossing the pillars at the final stage is analyzed. It shows that the overlying pillars rotate at the pucking fracture line of roadway with the inferior key strata, and it leads to the pressure increase of working face suddenly, strong pressure is happened. The maximum values of the advance abutment pressure transfers when entering pillars, crossing pillars and out of the pillars are 2.64 MPa, 2.79 MPa and 3.26 MPa, the average factor of stress concentration is 1.48. The advance abutment pressure is transfered from overlying pillars to 12101 working face when crossing the pillar section 1, The pressure comes to the maximum when mining out of the auxiliary roadway and expelling gangue 万方数据 roadway, The analysis of plastic zone shows that the roof of the working face is cutting down broken. The results of site monitoring show that the support resistance is bigger when acrossing abandoned roadway than acrossing the coal pillar. In the similar simulation, the Bragg grating monitoring results are consistent with the law of rock movement, and the maximum value in the right of the Brillouin curve of the fiber H1 is increased suddenly, it shows that the whole overlying pillar sinks in this stage, and it leads to strong pressure behaviors. KeywordsShallow close distance seam; Crossing coal pillar; Optical fiber sensing technology; Strata structure; Underground pressure behavior Thesis Applied Study *This paper is financially supported by the National Natural Science Foundation of China 51174280 万方数据 目录 I 目录 1 绪论绪论 ................................................................................................................................................................... 1 1.1选题背景及意义 ............................................................................................................................... 1 1.1.1选题背景 ................................................................................................................................ 1 1.1.2研究意义 ................................................................................................................................ 2 1.2国内外研究现状 ............................................................................................................................... 2 1.2.1浅埋近距煤层国内外研究现状 ..................................................................................... 2 1.2.2浅埋近距煤层过煤柱矿压规律研究现状 .................................................................. 4 1.2.3光纤传感技术在矿业工程领域的应用 ....................................................................... 4 1.3研究内容、研究方案及技术路线 ............................................................................................. 5 1.3.1研究内容 ................................................................................................................................ 5 1.3.2研究方案 ................................................................................................................................ 6 1.3.3技术路线 ................................................................................................................................ 6 2 浅埋近距煤层过煤柱关键岩层稳定性分析浅埋近距煤层过煤柱关键岩层稳定性分析 ....................................................................................... 8 2.1工程背景 ............................................................................................................................................. 8 2.2重复采动覆岩关键层结构分类 .................................................................................................. 9 2.3过煤柱时关键层块体结构力学分析....................................................................................... 11 2.3.1进煤柱阶段关键层块体结构稳定性分析 ................................................................ 12 2.3.2过煤柱阶段关键层块体结构稳定性分析 ................................................................ 13 2.3.3出煤柱（过空巷）阶段来压机理分析 ..................................................................... 14 2.4 本章小结 ........................................................................................................................................... 15 3 下煤层开采过煤柱相似材料模型实验下煤层开采过煤柱相似材料模型实验 .............................................................................................. 16 3.1 相似材料实验设计 ........................................................................................................................ 16 3.1.1 相似材料模拟实验理论 ................................................................................................. 16 3.1.2模型相似比 ......................................................................................................................... 18 3.1.3模型尺寸设计及配比 ...................................................................................................... 18 3.2 实验测试方法 ................................................................................................................................. 20 3.2.1 PPP-BOTDA 分布式光纤传感技术 ........................................................................... 20 3.2.2光纤 Bragg 光栅（FBG）测试 .................................................................................... 22 3.2.3底板支承压力测试 ........................................................................................................... 23 万方数据 目录 II 3.2.4位移测试 .............................................................................................................................. 24 3.3试验过程及垮落现象 ................................................................................................................... 24 3.4实验结果分析 ................................................................................................................................. 30 3.4.1关键层变形 ......................................................................................................................... 30 3.4.2光纤 Bragg 光栅监测 ...................................................................................................... 36 3.4.3底板压力传感器监测 ...................................................................................................... 40 3.5本章小结 ........................................................................................................................................... 46 4 下煤层开采过煤柱数值模拟计算下煤层开采过煤柱数值模拟计算 ........................................................................................................ 47 4.1模型的建立 ...................................................................................................................................... 47 4.2力学参数的选取 ............................................................................................................................. 48 4.3模型开挖及结果分析 ................................................................................................................... 49 4.4本章小结 ........................................................................................................................................... 54 5 哈拉沟煤矿哈拉沟煤矿 12101 工作面矿压监测分析工作面矿压监测分析 .......................................................................................... 56 5.1工作面概况 ...................................................................................................................................... 56 5.2 矿压显现规律 ................................................................................................................................. 57 5.3 本章小结 ........................................................................................................................................... 61 6 结论结论 ................................................................................................................................................................. 62 致致 谢谢 .................................................................................................................................................................... 63 参考文献参考文献 ........................................................................................................................................................... 64 附附 录录 .................................................................................................................................................................... 69 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1选题背景及意义 1.1.1选题背景 当今世界，能源已成为政治和经济实力的硬通货，是国家之间力量等级体系的决 定因素，甚至是物质进步、国家成长和大国崛起的一个新筹码[1]。从中国能源结构来 看，中国是一个“富煤贫油少气”的国家，煤炭作为我国的主要能源，在国民经济建设 中具有重要的战略地位，煤炭工业是支撑我国国民经济发展的重要基础工业[2,3]。 我国榆神府矿区赋存着大量的浅埋煤层，埋藏浅、基岩薄、上覆厚松散层是其典 型的赋存特征[4]。浅埋煤层开采后的覆岩运移规律与常规埋藏煤层存在明显差异，顶板 破断的特征不同，造成的工作面和巷道矿山压力显现也不同[5]。神府矿区浅埋煤层开采 综采工作面矿压非但没有因采深浅而减小，反而出现异常强烈的矿压显现[6]，初次来压 期间，形成剧烈的矿山压力显现，支架压死，顶板出现台阶下沉，开采出现贯通裂 隙，造成水砂溃入，工作面损毁，对矿井生产和安全带来灾难性危害[7]。 长期以来，采矿界的研究成果主要集中在单一煤层开采的矿山压力显现及其控制 上，并且通过几十年的研究总结已经取得了巨大的成就，基本上分析清楚了不同厚度 煤层开采过程中顶板的活动规律及围岩的应力分布规律。但是，对浅埋近距离煤层群 开采过程中相互影响规律及控制研究相对较少，远不如对单一煤层开采研究得那样成 熟。在近距离煤层群开采过程中，由于地质条件、工作面布置方式等因素的影响，上 煤层开采后，常常会遗留很多煤柱。这些煤柱的存在往往会给下煤层工作面带来强烈 的矿压显现[8,9]；尤其是在出煤柱阶段，常易出现工作面的强矿压显现，剧烈来压时， 支架常易发生爆缸、压死、损坏等现象。遇到的上述采动损害问题都是由采动覆岩破 断运动所致，岩层控制的关键层理论为浅埋煤层采动覆岩破断运动规律的研究提供了 有力的理论工具。需对此类损害问题进行深入研究，以揭示其发生机理与产生条件， 提出防范对策[10]。 光纤光栅传感技术作为光纤传感技术的一种，由于其独特的优点而被广泛应用。 光纤光栅传感器的工作原理是直接或借助某种装置将被测量的变化转化为光纤光栅上 的应变或温度变化，从而引起光纤光栅 Bragg 中心波长的变化，通过建立并标定光纤 光栅中心波长的变化与被测量的关系，就可以由光栅中心波长的变化计算出被测量的 值，将光纤光栅传感器应用于相似模拟实验中，直接将光纤光栅传感器埋入岩层的变 形区，通过模型对开采过程中反射波长的变化的分析，实现了岩体内部应力、应变的 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 定性测量[11,12]。 1.1.2研究意义 近距离煤层开采在我国煤矿开采中占有很大的比重。近距离煤层开采上部煤层自 身开采的问题不大，而上部煤层开采后残留的煤柱严重影响下部煤层的开采,经常导致 下部煤层开采矿压显现明显,并且诱发冲击矿压等事故。深入分析煤柱在近距离煤层或 煤层群开采过程中对下部煤层开采的影响，对下部煤层回采巷道的合理位置的选择， 工作面的推进速度的合理安排等意义重大。并且对于探寻由于煤柱影响导致冲击矿压 发生的机理有重大意义[13]。国内学者以往的研究中仅仅对工作面过集中煤柱时的矿压 显现规律进行了总结，而对于在此过程中发生强矿压显现的内在原岩却没有给出很好 的解释。 本文针对哈拉沟煤矿 12101 工作面过上覆集中煤柱时所面临的顶板控制困难、工 作面压力大、贯通质量差等问题进行深入研究。通过理论分析、模拟实验和数值模拟 计算对该工作面过煤柱阶段矿压规律进行研究，为后续类似工作面的安全生产和稳定 开采具有重大意义，并且在实验过程中引入光纤光栅传感监测技术，建立光纤光栅监 测系统，通过光纤光栅传感器对模型岩层内部变形进行检测，为实验岩石力学提供了 一种新的检测手段，具有重要的指导意义和实践意义。 1.2国内外研究现状 1.2.1浅埋近距煤层国内外研究现状 国外对于浅埋近距煤层矿压规律方面的研究工作不多，较早的有前苏联的秦巴列 维奇根据莫斯科近郊煤田浅埋深工作面矿压显现提出的台阶下沉假说。该假说指出当 煤层埋藏较浅时，上覆岩层可视为均质。随工作面推进，顶板将呈斜方六面体沿煤壁 斜上方垮落直至地表，支架上所受的载荷应考虑整个上覆岩重的作用。当有坚硬顶板 组成的老顶时，秦氏认为老顶断裂在煤壁内，支架载荷按控顶区跨度计算上覆岩层全 部重量。显然，秦氏把岩层运动的几何形状过分绝对化了，并且在对老顶的分析中， 既没有涉及老顶的破断过程，也未涉及老顶破断后岩块的平衡条件[14]。 1994 年，国外学者秦巴列维奇等人对浅埋煤层进行系统的分析，研究发现浅埋煤 层开采过后，煤层上方的顶板沿煤壁斜向上垮落直达地表，并且发现煤层基本顶在煤 壁内部断裂，相比其他普通的工作面，浅埋煤层开采时，工作面发生来压来压时非常 剧烈[14,15]。 1994 年，我国学者石平五教授采用物理相似模拟试验对神府煤田神东矿区的浅埋 煤层开采过程中的矿山压力与岩层移动进行研究，给出了浅埋煤层上覆岩层的断裂形 万方数据 1 绪论 3 式[16,17]。 1995 年，国外学者 B.霍勃尔瓦依特等人对浅埋煤层开采过程中顶板的破断特征进 行研究，分析认为埋深较浅的煤层在开采过后，上覆岩层的破断会直接影响到地表， 并且覆岩的破断距大，矿山压力显现剧烈[18,19]。南非学者针对浅埋煤层房柱式开采的 地表沉陷规律进行研究，同时对房柱式开采时的煤柱承担的载荷进行确定[2023]。 1996 年，中国工程院钱鸣高院士针对浅埋煤层覆岩移动规律进行研究，并基于关 键层理论给出了浅埋煤层覆岩形成复合关键层和顶板全厚切落的条件[24-26]。 1998 年，西安科技大学柴敬等人通过物理相似模拟试验在实验室内再现了浅埋煤 层工作面开采过程中上覆岩层移动和破坏过程[27]。 1999 年，西安科技大学黄庆享对浅埋煤层开采过程中煤层顶板的破断形式进行分 析，给出了浅埋煤层的基本顶的两个力学模型，即“短砌体梁”模型和“台阶岩梁”模型 [28,29]。 2007 年，太原理工大学宋选民等人对浅埋煤层开采工作面长度对矿压强度大小的 影响，研究表明，随着工作面长度的增大，采场液压支架容易受到冲击载荷的影响， 并冲击载荷明显大于液压支架的最大工作面阻力[30]。 2009 年，中国矿业大学许家林等人对浅埋煤层的关键层结构类型进行分类，分为 “单一关键层”结构类型和“多层关键层”结构类型，研究发现浅埋煤层覆岩中关键层为单 一关键层结构时，容易造成特殊的采动损坏现象[31]。 2013 年，马瑞、来兴平等通过对陕北冯家塔煤矿的 2和 4煤层间距 12m 的浅埋 条件下，通过对 4煤层过 2煤层的遗留区段煤柱区下开采开展的物理相似模拟，得出 遗留煤柱随着采空区范围的增大其应力呈增大趋势；当煤柱破坏后覆岩大范围移动， 且波及地表[32]。 2014 年，张向阳，常聚才等针对淮北矿业某矿特殊开采条件，可采煤层 3 层，除 中间煤层未采，其余两层煤均已回采完毕。中间煤层距上下煤层间距分别为 2.31m 和 8.59m，属于极近距离煤层群开采。通过多种分析方法相结合，得出在煤柱区附近的应 力集中现象明显，保证顶板岩层的完整度和稳定性是采场及巷道控制的重点[33]。 2016 年，黄庆享等通过对浅埋特大采高的大柳塔 52304 工作面回采的矿压实测数 据进行整理和分析，主要研究支架的初撑力、工作阻力对于支架围岩关系额定影响， 确定合理的支架工作阻力[34]；此外，提出了大采高覆岩中存在高位斜台阶岩梁结构 [35]。 2016 年，姜海军、曹胜更等针对浅埋煤层回采过程中，覆岩关键层的垮落过程和 机理进行数值模拟研究，同样得出了关键层的最终破断形式仍是以 O-X破断为主[36]。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 1.2.2浅埋近距煤层过煤柱矿压规律研究现状 在近距煤层群开采过程中，由于工程地质条件、维护巷道稳定等因素的影响，上 煤层开采后，常常会留设很多煤柱。下煤层工作面在开采过程中由于上覆煤柱的存 在，导致应力会重新分布，因此会引起强矿压显现；根据目前神东矿区现场监测结果 发现在出煤柱阶段时，矿压显现剧烈，支架容易发生爆缸、压死、损坏等现象。近些 年来我国采矿专家学者对此类问题也进行了一系列的研究，主要研究成果如下。 2010 年，鞠金峰研究指出控制煤柱上方关键块体的稳定性，直接影响到下层工作 面出煤柱是否发生动载矿压现象，同时从煤柱内部受力角度进行分析，指出煤柱上的 应力集中是导致工作面过煤柱区域与其他区域不同的直接原因[37]。 2013 年，鞠金峰等人在上述研究成果的基础上，通过物理相似模拟等方法，对工 作面出现压架事故的原因进行分析，最终发现是由于煤柱上方的关键块体的相对回转 运动造成两煤层间的单一关键层断裂，导致其上方煤柱整体沿着断裂线下沉，因此出 现工作面压架事故[39,40]。同年，兰奕文等人通过现场观测研究，指出可以在进煤柱之 前对煤柱提前进行爆破，通过释放其内部的应力集中，可以有效预防顶板破坏对支架 的冲击危害[41,42]。 2014 年，陈苏社等人通过大量的现场实测，表明在过煤柱阶段可以通过工作面调 斜、加快推进速度等技术措施，可以有效避免在此阶段出现动载矿压现象[43-46]。同 年，于斌等人研究得出煤柱条件下工作面开采的“煤柱-覆岩运动”联合作用机理[47]。 2015 年，彭海兵等人指出在距煤柱边缘 15m 位置处，是工作面最容易出现强矿 压显现的区域，而且空巷是应力集中区域，应该在过煤柱时加强对巷道的支护[48,49]。 2016 年，李行能等人探讨了下层工作面过上覆煤柱时出现的底鼓压架机理，指出 采用运输机底鼓处起底