浅埋煤层群覆岩裂隙带发育规律及围岩控制技术研究.pdf

分类号分类号 TDTD325325 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 10424 10424 学位论文学位论文 浅埋煤层群覆岩裂隙带发育规律及浅埋煤层群覆岩裂隙带发育规律及 围岩控制技术研究围岩控制技术研究 张张 洪洪 清清 申请学位级别申请学位级别硕士硕士学位学位 专业专业名名称称矿业矿业工程工程 指导教师姓名指导教师姓名谭谭 云云 亮亮 职职 称称教教 授授 副副指导教师姓名指导教师姓名张张 为为 民民 职职 称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二〇〇一七一七年年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 浅埋煤层群覆岩裂隙带发育规律及围岩浅埋煤层群覆岩裂隙带发育规律及围岩 控制技术研究控制技术研究 作者姓名作者姓名 张洪清张洪清 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业专业名称名称 矿业矿业工程工程 研究方向研究方向 矿山压力矿山压力与岩层与岩层控制控制 指导教师指导教师 谭云亮谭云亮 职职 称称 教教 授授 副副指导教师指导教师 张为民张为民 职职 称称 高级工程师高级工程师 论文论文提交日期提交日期2017 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY ON THE DEVELOPMENT LAW OF THE FRACTURED ZONE AND THE DESIGN OF ROADWAY CONTROL OF THE SHALLOW COAL SEAM GROUP A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhang Hongqing Supervisor Professor Tan Yunliang College of Mining and Safety Engineering May 2017 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 本人完本人完全了解全了解山东科技山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所大学有关保留、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）） 硕士生硕士生签名签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查学位论文审查认定书认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内，按照在规定的学习年限内，按照培养方案培养方案及个人培养计及个人培养计 划划，完成了课程，完成了课程学学习，成绩合格习，成绩合格，修满规定学分，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论；在我的指导下完成本学位论 文文，，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。 导师导师签名签名 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 高家梁煤矿目前主采 2-2 上、2-2 中煤层。煤层群开采后，覆岩会形成较大 范围的裂隙带，如果裂隙带与地表水贯通，易造成地表水的流失，破坏生态环 境，由于两层煤的间隔层较薄，下层煤开采对导水裂隙带影响极大；下煤层巷 道，受采空区及煤柱影响，支护困难，变形较大。本文以高家梁煤矿浅埋煤层 群开采条件为背景，采用理论分析、数值模拟和现场监测相结合的方法，研究 浅埋煤层群开采覆岩裂隙带发育规律，并对巷道支护参数进行设计，获得的主 要结论如下 （1）由数值模拟结果可知，20107 和 20307 面回采后导水裂隙带高度分别 为 33.5m，122m；通过现场探测测得 20107 和 20307 工作面回采后导水裂隙带 高度分别为 32.50m和 120.40m。煤层群开采时，上煤层覆岩受采动影响，产生 “活化”现象，其过程可分为 6 个阶段；建立了破断覆岩二次“活化”结构力 学模型， 提出了煤层群开采裂隙带发育高度判别方法， 计算得到 20107 和 20307 工作面回采后导水裂隙带高度分别为 27.54m和 129.67m。综合数值模拟、现场 观测、经验公式和理论计算的结果，发现重采时经验公式的误差很大，初采和 重采时修正公式的误差均较小， 修正公式可以较为准确地预计导水裂隙带高度。 （2）建立了锚杆组合压缩岩梁结构力学模型，推导出了可稳定顶板压缩岩 梁厚度的计算公式；分析了巷道埋深、普氏拱两帮扩展宽度、岩层加锚后单轴 抗拉强度对可稳定顶板压缩岩梁厚度的影响；以可稳定顶板压缩岩梁厚度的计 算公式为基础，计算得出锚索长度大于 2.99m，并对锚索长度进行了校核。 （3）对浅埋煤层群底煤层巷道围岩应力进行了数值模拟，通过对实体煤下 方巷道与采空区下方巷道围岩应力的对比分析发现 在采空区下方掘进巷道时， 巷道两帮的垂直应力集中区域向底板转移，垂直应力峰值明显增大；巷道顶板 的水平应力集中现象减弱，巷道底板的水平应力集中现象则显著增强；巷道两 帮的最大主应力集中现象减弱，巷道底板的最大主应力集中现象则显著增强。 以上结论说明，受上煤层工作面回采卸压影响，采空区下方巷道围岩应力集中 现象逐渐由顶板向底板转移，有利于巷道顶板和两帮的支护。 （4）通过理论计算和数值模拟，确定了采空区及煤柱下巷道的支护方案， 现场观测显示， 煤柱下方巷道受应力集中影响围岩变形量明显大于采空区下方， 但是最大不超过 40mm，锚杆（索）受力、围岩应力及离层量也均在安全可控 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II 的范围之内，说明巷道围岩变形在支护后得到了有效控制。 关键词关键词浅埋煤层群，覆岩“活化” ，导水裂隙带，围岩结构，采空区及煤 柱，支护设计 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III Abstract 2-2u coal seam and 2-2m coal seam is the main mining seam of Gaojialiang coal mine. Overlying rock will a larger range of fractured zone and fractured zone if conducted with surface water after coal mining, which is easy to cause the surface water erosion, destruction of the ecological environment. Because the interval between two layers of coal is thin, the 2-2m mining has great influence on the water flowing fractured zone. Roadway under goaf and the coal pillar has a large deation. Based on the background of shallow buried coal mining conditions in Gaojialiang coal mine, by means of theoretical analysis, numerical simulation and in-situ monitoring, study the development law of overburden rock fracture zone in shallow buried coal mining, and design the supporting parameters. The main conclusions obtained are as follows 1 The simulation results indicate that after 20107 and 20307 working face mining, the height of water flowing fractured zone is 33.5m, 122m; According to the detection, the height of the water flowing fractured zone of the 20107 and 20307 working face is 32.50m and 120.40m respectively. After coal seam group mining, the overlying strata of upper coal seam are affected by mining, and the phenomenon of “activation“ is produced, the process can be divided into 6 stages; the “activation“ structural mechanics model of broken rock is established, a for determining the development height of fracture zone in coal seam group mining is put forward. The results show that the height of water flowing fractured zone after 20107 and 20307 working face mining is 27.54m and 129.67m respectively. Combined with the results of numerical simulation, field observation, empirical ula and theoretical calculation, It is found that the error of empirical ula is very large in the second mining, the error of the correction ula of the initial mining and the twice mining is small, and the correction ula can accurately predict the height of the water flowing fractured zone. 2 Established bolt combination compression model and deducted a ula to calculate the stable thickness of roof compressed beam; the influence of the buried depth of the tunnel, the expanding width of the 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 IV two arch of the arch camber, and the uniaxial tensile strength of the rock stratum to the thickness of roof compressed beam are analyzed; the length of anchor cable is more than 2.99m based on the calculation ula of the thickness of roof compressed beam,and the length of anchor cable is checked. 3 The surrounding rock stress of roadway in shallow coal seam group is obtained by numerical simulation. Through the contrast analysis of the surrounding rock stress of the roadway under the coal seam and the goaf when the roadway is under the goaf, the vertical stress concentration area of the two tunnels in the roadway is transferred to the floor, the peak value of vertical stress increased obviously;the horizontal stress concentration of roadway roof is weakened. The horizontal stress concentration of roadway floor is significantly enhanced.The phenomenon of the maximum stress concentration of the two roadway is weakened.The maximum principal stress concentration of roadway floor is significantly enhanced. The above results show that the stress concentration of the surrounding rock under the goaf is gradually transferred from the roof to the bottom plate under the influence of the upper coal mining face. 4 The support scheme of roadway under goaf and coal pillar is determined through theoretical calculation and numerical simulation. Field observation display the influence of stress concentration on the deation of the surrounding rock under the coal pillar is greater than that in the goaf, but the maximum is not more than 40mm, the stress of bolt cable the stress of surrounding rock and the amount of abscission layer are all within the range of safety and controllability.It shows that the deation of surrounding rock of roadway is effectively controlled after supporting. Keywords shallow buried coal seam group, overlying rock “activation”, water flowing fractured zone, structure of surrounding rock, gob and coal pillar, support design 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 目目 录录 摘摘 要Ⅰ要Ⅰ 目目 录Ⅴ录Ⅴ 1 1 绪绪 论论1 1 1.1 项目研究背景及意义1 1.2 国内外研究现状2 1.3 研究内容及技术路线9 2 2 现场地质及开采条件现场地质及开采条件 1212 2.1 矿井地质 12 2.2 20107 工作面地质及开采条件 16 2.3 20307 工作面地质及开采条件 17 2.4 20314 工作面辅运顺槽地质及开采条件 18 2.5 本章小结 19 3 3 浅埋煤层群覆岩裂隙带发育规律研究浅埋煤层群覆岩裂隙带发育规律研究 2121 3.1 浅埋煤层群覆岩裂隙带数值模拟 21 3.2 浅埋煤层群覆岩裂隙带现场探测 23 3.3 浅埋煤层群裂隙带破裂演化模型 26 3.4 本章小结 34 4 4 浅埋煤层群底煤层巷道围岩结构模型及压力研究浅埋煤层群底煤层巷道围岩结构模型及压力研究 3636 4.1 浅埋煤层群底煤层巷道围岩结构力学模型 36 4.2 浅埋煤层群底煤层巷道围岩应力数值模拟 43 4.3 本章小结 47 5 5 采空区及煤柱下采空区及煤柱下围岩控制技术围岩控制技术研究研究 4848 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI 5.1 巷道支护参数设计 48 5.2 采空区及煤柱下巷道支护模拟 57 5.3 工程应用 61 5.4 本章小结 74 6 6 结论与展望结论与展望 7676 6.1 主要结论 76 6.2 创新点 77 6.3 展望 77 参考文献参考文献7878 致致 谢谢8383 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果8 84 4 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII Contents 1 Introduction ...................................................................................................1 1.1 The background and significance of project research .................................................................... 1 1.2 Research status at home and abroad ............................................................................................ 2 1.3 Research contents and technical route ......................................................................................... 9 2 Geological and mining conditions ....................................................................................... 12 2.1 Mine geology .........................................................................................................................12 2.2 Geological and mining conditions of 20107 working face .............................................................16 2.3 Geological and mining conditions of 20307 working face .............................................................17 2.4 Geological and mining conditions of 20314 auxiliary roadway......................................................18 2.5 Summary ...............................................................................................................................19 3 study on the development law of fracture zone of overlying strata in shallow coal seam group ......................................................................................................................................... 21 3.1 Numerical simulation of fracture zone of overlying strata in shallow coal seam group......................21 3.2 On site detection of fractured zone in overlying strata in shallow coal seam group ..........................23 3.3 Fracture evolution model in shallow buried coal seams ................................................................26 3.4 Summary ...............................................................................................................................34 4 Study on the structural model and pressure of surrounding rock in shallow coal seam group ......................................................................................................................................... 36 4.1 Mechanical model of surrounding rock structure of roadway in lower coal seam .............................36 4.2 Numerical simulation of stress in surrounding rock of roadway in lower coal seam..........................43 4.3 Summary ...............................................................................................................................47 5 Research on roadway support design under goaf and coal pillar .................................... 48 5.1 Roadway support parameter design ...........................................................................................48 5.2 Simulation of roadway support under goaf and coal pillar.............................................................57 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VIII 5.3 Engineering application ...........................................................................................................61 5.4 Summary ...............................................................................................................................74 6 Conclusion and prospect ...................................................................................................... 76 6.1 Main conclusion .....................................................................................................................76 6.2 Innovative ideas ......................................................................................................................77 6.3 Expectation ............................................................................................................................77 Acknowledgement.................................................................................................................... 78 Reference .................................................................................................................................. 83 Academic achievements .......................................................................................................... 84 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 1 绪绪 论论 1.1 项目项目研究研究背景及意义背景及意义 近年来，我国煤炭产量、库存、消费等与以往相比有小幅下降趋势，但是 受中国资源赋存状态的影响，煤炭在中国能源结构中占比依旧很大，未来很长 一段时间煤炭依旧是中国最主要的一次能源[1]。目前，东部地区煤炭资源开发 利用率高，浅部煤炭资源已基本被开发利用，部分矿井进入深部开采期，东部 地区许多煤矿甚至面临资源枯竭的困境，根据我国煤炭资源的分布特点，决定 了在今后相当一段时间内煤炭资源生产和开发的重心一定是在中西部地区，并 持续西移[2]。我国西部广泛赋存着浅埋的侏罗纪煤田，储量丰富，可采煤层多、 煤层厚、煤质优良、构造简单、开采技术条件优越