条带式Wongawilli采煤法覆岩与地表沉陷特征研究.pdf
全日制硕士学位论文 申请人姓名 白二虎 指 导 教 师 郭文兵 教授 学 位 类 别 工学硕士 专 业 名 称 矿业工程 研 究 方 向 采动损害与保护 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二二〇〇一一五五年年六六月月 条带式条带式 Wongawilli 采煤法覆岩采煤法覆岩与与地表沉陷地表沉陷特征特征研究研究 万方数据 中图分类号中图分类号TD325 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 条带式条带式 Wongawilli 采煤法覆岩与地表沉陷采煤法覆岩与地表沉陷 特征特征研究研究 Study on overburden strata and surface subsidence characteristic of strip Wongawilli coal mining technology 申请人姓名申请人姓名 白二虎白二虎 申 请 学 位申 请 学 位 硕士硕士 学 科 专 业学 科 专 业 矿业工程矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 采动损害与保护采动损害与保护 导师导师 郭文兵郭文兵 职称职称 教授教授 提 交 日 期提 交 日 期 2015-04 答 辩 日 期答 辩 日 期 2015-06 河南理工大学 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 条带式条带式 Wongawilli 采煤法覆岩与采煤法覆岩与地表沉地表沉 陷陷规律研究规律研究 ,是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外,不包含任何其他个人或集体已经公开发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明 确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文 的规定,即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和 电子版,允许论文被查阅和借阅,允许将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索和传播,允许采用任何方式公布论文内容,并可以采用 影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 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。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 致致 谢谢 本论文是在导师郭文兵教授的悉心指导下完成的。三年来郭老师为我营造了 优良而又宽松的学习环境,并且在学习、科研和生活方面都给予了极大的关心、 支持和帮助。从论文的选题、研究思路到论文的撰写、成稿,无不凝聚着导师的 心血。师从三载,收获颇丰,感触亦深,使我在学业上取得了较大的进步,科研 和实践能力也得到了全面的锻炼,而且将是学生今后继续努力的动力,这也是郭 老师传授给学生最宝贵的财富。在此,谨向郭老师致以深深的敬意和衷心的感谢。 感谢河南理工大学能源学院对我的培养,感谢矿压、采矿教研室全体老师和 其他授课老师在课程学习方面提供的极大帮助。 感谢师兄弟黄广帅、娄高中、徐飞亚、李圣军、王金帅、刘大超、杨达明、 于秋鸽、王遵义、李超、董大坤在论文写作过程中所给予的帮助和支持。感谢能 源学院 2012 级硕士研究生在生活和学习上的热情帮助。 感谢父母对我的养育之恩,更感谢他们多年不辞辛苦的供我上学,正是由于 他们的关怀和支持,我才能顺利完成硕士研究生阶段的学习和生活,再次向他们 表示由衷的感谢。 感谢本文中所引用文献的各位著、编、译者。 最后,感谢百忙之中抽出宝贵时间评阅论文的各位专家、教授们。由于时间 原因和作者的水平有限,恳请各位专家对本文的批评、指正,不胜感激。 白二虎 2015 年 4 月 万方数据 I 摘摘 要要 随着煤炭的不断开采,适合长壁开采的资源越来越少, “三下”压煤几乎遍及 每个矿区,为解放这些村庄下压煤,延长矿井服务年限,有效保护地表建(构) 筑物,需要对村庄下采煤方法进行研究。 本文针对漳村煤矿 1309 工作面村庄下压煤,采用理论研究、模拟试验及预计 分析相结合的研究方法,进行了条带式旺格维利采煤覆岩与地表沉陷特征研究。 首先,将条带开采和旺格维利采煤法相结合提出了条带式旺格维利采煤法,并给 出了五种巷道布置方式。其次以漳村煤矿地质采矿条件为基础,采用 FLAC3D 数 值模拟软件建立了数值模拟原型,将两种不同巷道布置方式的应力场、位移场及 塑性区进行对比分析,结果表明双巷单翼式优于单巷双翼式开采;然后结合相似 模拟试验及关键层理论,对条带式旺格维利采煤上覆岩层的变化规律以及煤柱稳 定性进行研究,结果表明条带式旺采煤柱能够很好地控制覆岩变形,煤柱稳定性 较好。最后,对 1309 工作面进行方案设计,具体包括确定采留宽尺寸、巷道布置、 工作面设备、支护及生产系统等问题,并采用概率积分法对工作面开采后的地表 移动变形进行了预计,结果表明条带式旺采地表建筑物损害程度在Ⅰ级影响范围 之内。 研究说明,条带式旺格维利采煤既能也有效的保护地表建筑物,又能提高煤 炭资源的开采效率。 关键词关键词条带开采;旺格维利采煤法;条带式旺格维利采煤法;地表沉陷; 岩层移动 万方数据 III Abstract With the exploitation of the coal, less and less coal resource left can be extracted by long wall mining, coal under “three-body” exists almost every mining area. In order to liberate coal under village, extend the service life of coal mine, and effectively protect the surface buildings at the same time, coal mining under village was studied. In this paper, based on coal mining under village of 1309 working face in Zhangcun coal mine, data analysis, theoretical research, simulation experiment and prediction analysis were used, the characteristics of overburden strata and surface subsidence of strip Wongawilli were studied. Firstly, the strip Wongawilli was put forward based on the strip mining and Wongawilli, then five roadway layouts were put forward. Secondly, based on the geological and mining conditions of Zhangcun coal mine, numerical simulation model was established by FLAC3D, stress field, displacement field and plastic zone of two roadway layouts were comparative analyzed. The results demonstrate that double entry and single wing was better than single entry and double wing. Combine with similar simulation experiment and key stratum theoretical analysis, overburden strata transport mechanisms and pillar stability were studied. The results showed that strip Wongawilli pillar could control deation of overburden strata well, pillar stability was good. Finally, the scheme of 1309 working face was designed, specific including mining and pillar width, roadway layout; equipment in working face, support system and production system. surface movement and deation after working face extraction was calculated by probability integral , the results demonstrated that the damage degree of surface buildings was within I degree. Based on the research above, strip Wongawilli can liberate coal under village, protect the surface buildings effectively and also can improve the recovery rate of coal resources. Keywords strip mining; Wongawilli mining ; strip Wongawilli coal mining ; surface subsidence; strata movement 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................. I Abstract ......................................................................................................................... III 目目 录录 ............................................................................................................................. V 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 选题的意义及背景 ........................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................... 2 1.3 研究内容和方法 ............................................................................................... 4 1.4 技术路线 ........................................................................................................... 5 2 条带式旺格维利采煤技术布置方式条带式旺格维利采煤技术布置方式 .......................................................................... 7 2.1 条带式旺格维利采煤技术的来源 ................................................................... 7 2.1.1 条带开采技术 ........................................................................................ 7 2.1.2 旺格维利采煤技术 ................................................................................ 9 2.1.3 条带式旺格维利采煤技术的提出 ...................................................... 10 2.2 条带式旺格维利采煤技术布置方式 ............................................................. 10 2.3 本章小结 ......................................................................................................... 14 3 条带式旺采地表沉陷规律数值模拟研究条带式旺采地表沉陷规律数值模拟研究 ................................................................ 15 3.1 FLAC3D 软件原理介绍 .................................................................................. 15 3.2 数值模拟模型的建立 ..................................................................................... 15 3.2.1 数值模型建立的基本原则 .................................................................. 15 3.2.2 数值模型范围的确定 .......................................................................... 16 3.2.3 边界条件及初始应力场的确定 .......................................................... 16 3.2.4 参数的确定 .......................................................................................... 17 3.3 模拟结果及分析 ............................................................................................. 18 3.3.1 应力场分析 .......................................................................................... 18 3.3.2 位移场分析 .......................................................................................... 21 3.3.3 塑性区分析 .......................................................................................... 25 3.4 本章小结 ......................................................................................................... 27 4 工作面上覆岩层变形规律的相似模拟试验研究工作面上覆岩层变形规律的相似模拟试验研究 .................................................... 29 4.1 相似模拟试验理论依据 ................................................................................. 29 万方数据 VI 4.1.1 相似理论 ............................................................................................... 29 4.1.2 相似准则 ............................................................................................... 29 4.2 相似材料模拟试验设计 .................................................................................. 30 4.2.1 试验目的 ............................................................................................... 30 4.2.2 原型地质条件 ....................................................................................... 30 4.2.3 相似材料的选取 ................................................................................... 30 4.2.4 相似系数的确定 ................................................................................... 31 4.2.5 相似材料的配比 ................................................................................... 32 4.3 关键层位置的判别 .......................................................................................... 35 4.3.1 关键层理论 ........................................................................................... 35 4.3.2 上覆岩层关键层位置的判别 ............................................................... 37 4.4 模型的制作及观测 .......................................................................................... 40 4.4.1 模型的制作 ........................................................................................... 40 4.4.2 测点布置 ............................................................................................... 41 4.4.3 模型开挖 ............................................................................................... 42 4.5 试验结果及分析 .............................................................................................. 43 4.5.1 第一轮开挖 ........................................................................................... 43 4.5.2 第二轮开挖 ........................................................................................... 45 4.5.3 第三轮开挖 ........................................................................................... 47 4.5.4 第四轮开挖 ........................................................................................... 49 4.6 本章小结 .......................................................................................................... 51 5 漳村煤矿建筑物下条带式旺格维利采煤方案设计漳村煤矿建筑物下条带式旺格维利采煤方案设计 ................................................. 53 5.1 矿井概况 .......................................................................................................... 53 5.1.1 井田位置 ............................................................................................... 53 5.1.2 井田地质特征 ....................................................................................... 53 5.1.3 水文地质特征 ....................................................................................... 54 5.1.4 工作面地质采矿条件 ........................................................................... 55 5.2 地表建筑物情况 .............................................................................................. 56 5.3 工作面开采设计 .............................................................................................. 57 5.3.1 条带开采采、留宽的确定 ................................................................... 57 5.3.2 巷道布置及工作面设备配备 ............................................................... 57 万方数据 VII 5.3.3 支护、开采工艺及生产系统 .............................................................. 61 5.4 地表移动与变形预计分析 ............................................................................. 65 5.4.1 地表移动变形预计方法及模型 .......................................................... 65 5.4.2 预计参数的确定 .................................................................................. 65 5.4.3 预计结果及分析 .................................................................................. 70 5.5 本章小结 ......................................................................................................... 74 6 结论与展望结论与展望 ................................................................................................................ 77 6.1 主要结论 ......................................................................................................... 77 6.2 展望 ................................................................................................................. 77 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 79 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 85 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................ 87 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的意义及背景 近年来,我国煤炭产量逐年递增,但是当前煤炭产量严重过剩,煤炭的经济 运行形势比较严峻,而部分矿区由于煤炭积累过多,面临着停产放假的局面。在 “十三五”期间及相当长的一段时间内,煤炭行业仍将面临中高速增长常态化、 能源需求强度下降、能源结构低碳化发展、煤炭开发和利用环境制约增强等不利 因素。然而随着大量的煤炭资源从地下采出,开采所引起的地表沉陷不仅破坏矿 区的生态环境,而且对地表建(构)筑物造成了严重的损害,同时也影响到矿区 乃至社会的稳定与可持续发展,煤层开采所引起的地表沉陷是亟待解决的社会和 环境问题[1]。我国矿井“三下”(建筑物下、水体下、铁路下)压煤量一百多亿吨, 其中建筑物下压煤八十多亿吨,居“三下”压煤之首[2]。在一些矿区,随着开采进入 后期,可采煤炭资源日趋减少,建筑物下采煤问题更为突出[3]。如果得不到有效解 决,不仅矿井服务年限将大大缩短,而且采动损害与保护、资源与环境的协调开 采问题将日益突出[4-6]。 控制地表沉陷是解决“三下”采煤问题的关键。目前国内所采用控制地表沉 陷的方法主要有条带开采、充填开采、房柱式开采、离层注浆、协调开采等[7-10]。 条带开采是将要开采的煤层区域划分为比较正规的条带形状,采一条、留一条, 使留下的煤柱能够支撑上覆岩层,地表只产生较小的移动和变形,目前已成为我 国建(构)筑物下压煤开采的有效途径[11-12]。但条带开采存在工作面搬家次数频 繁、开采效率偏低等缺点。充填开采是向采空区内充填水砂、矸石或粉煤灰等材 料以支撑上覆岩层[13]。目前在少数煤矿进行试验研究,由于充填投资较大、充填 与采煤工艺相互影响等原因应用不太广泛。房柱式开采是在煤层内掘进一系列的 煤房,煤房间用联络巷相连,形成近似于长条形的煤柱,煤柱可留下不采,用于 支撑顶板[14-15]。而 Wongawilli(旺格维利)采煤法是在房柱式采煤的基础上形成的 一种高效短壁柱式采煤方法,因最先在澳大利亚“Wongawilli”煤层中试采成功而得 名。该法的最大特点是工作面布置灵活,可回收边角煤以及综采不便回采的煤炭 资源,具有设备投资少、出煤快、设备运转灵活、工作面搬迁灵活、全员效率较 高等优势[16]。离层注浆技术已在多个矿区进行了工程实践,取得了一定的成效。 但工程实践表明离层注浆减沉效果并不理想[17]。协调开采利用合理布置工作面及 开采顺序,通过抵消部分地表变形,起到保护地面建筑物或水库坝体的目的[18-19], 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 但技术上实施难度较大。 “条带式旺格维利采煤法”是将条带开采的长壁布置方式与短壁柱式旺格维利 高效采煤工艺相结合,通过优势互补,形成一种新的建(构)筑物下采煤技术[20]。 该技术可以充分发挥条带开采和旺格维利采煤法各自的优势,克服了条带开采工 作面的搬家效率低以及旺格维利采煤通风条件差、煤柱长期稳定性差的缺点,实 现“三下”压煤安全高效回收。该技术是实现煤矿绿色开采的重要措施之一,对 更好地解放“三下”压煤,提高煤炭资源的采出率和开采效率、保护地表建(构) 筑物、矿区生态环境及改善矿区周边的工农关系具有重要意义。 1.2 国内外研究现状 国内外对条带开采及旺格维利采煤法均进行了研究。国外如波兰、前苏联、 英国等欧洲主要采煤国家在 20 世纪 50 年代就开始应用条带法开采建筑物下压煤, 取得了丰富的实践经验。我国先后在全国 10 多个省、数百个工作面进行了条带开 采实践,获得了大量的观测数据并取得了一定的研究成果[21-23]。旺格维利采煤法 在国外如澳大利亚等及我国部分煤矿也进行了试验研究[24-26]。主要研究现状如下 1 在条带开采研究方面在条带开采研究方面 关于地表移动与变形机理和规律研究,先后提出了主要的四种假说,即条带 煤柱的压缩与压入说、岩梁假说、托板理论及波浪消失说[27]。吴立新、王金庄等 提出的托板理论,认为地表最大下沉量是由煤柱压入底板量、煤柱压缩量、岩柱 压缩量、承重岩层压缩量和托板挠度所组成[28];钱鸣高院士等提出的关键层理论 认为在覆岩中存在一层或数层厚硬岩层,在覆岩移动中起控制作用[29];胡炳南、 杨伦等研究了条带开采地表沉陷的主控因素及地表移动规律[30]。 关于条带开采地表移动与变形预计研究条带开采地表移动与变形预计主要 是通过建立条带开采与全采地表移动预计参数的经验关系式,通过修正预计参数, 采用影响函数法或数学方法进行预计[27]。何国清、杨伦等提出了以剖面函数法和 典型曲线法的经验方法[31];邹友峰提出了条带开采地表沉陷预计的三维层状介质 理论[32];吴立新等给出了基于托板理论的预计方法[28];郭增长提出了适合极不充 分开采的概率密度函数法进行条带开采地表沉陷预计[33];戴华阳、王金庄给出了 非充分开采地表移动预计模型[34];郭文兵等研究建立了条带开采地表移动参数新 的计算方法[23]。 关于条带煤柱稳定性研究,提出了有效面积理论、压力拱理论、两区约束理 万方数据 1 绪论 3 论和极限平衡理论等。郭文兵等将条带煤柱破坏失稳视为非线性过程,建立了条 带煤柱的突变破坏失稳理论[35];方新秋、窦林名等对深部条带开采冲击矿压问题 进行了研究[36];王连国、胡炳南等研究分析了条带煤柱的破坏宽度及煤柱稳定性 问题[37-38];崔希民、缪协兴认为剪应力对煤柱强度和稳定性有影响,得出倾斜煤 层条带煤柱应力表达式[39];有关文献对煤柱的稳定性进行了研究[40]。 关于条带开采采留宽度优化设计研究A.H.Wilson 理论给出了煤柱在有无核 区承载能力与分担载荷的计算公式以及煤柱屈服带宽度的计算公式,在我国得到 了广泛应用[41];张华兴针对深部压煤提出了宽条带设计理念[42];郭惟嘉等对厚松 散层薄基岩条带开采尺寸进行了研究[43];张俊英等对多煤层条带开