utf8''李家壕煤矿上下煤层同采工作面合理错距研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘摘要要 在近距离煤层开采过程中，需要重点研究上下煤层开采过程中围岩应力场的分 布。在上煤层开采过程中，两层煤之间的岩层受到上煤层底板采动应力的影响，引 起下煤层开采时顶板及围岩的应力状态发生改变，且由于受到上煤层的采动影响， 下煤层开采时顶板可能比较破碎，这也会对下煤层的安全高效开采带来隐患。要保 证近距离煤层群的安全开采，首先需要事先了解煤层开采过程中围岩应力场的变 化、上下煤层顶底板运动规律，在弄清以上规律以后，采用科学合理的开采方法进 行开采。本文针对李家壕煤矿 2.2 煤层和 3.1 煤层近距离同采的现场实际，综合采用 现场实测、理论分析、数值计算等研究方法，对近距离煤层开采覆岩失稳运动规 律、上下煤层开采工作面围岩应力分布规律、工作面合理错距以及下煤层工作面回 采巷道合理布置等进行了系统研究。 首先，通过对 2.2 煤层、3.1 煤层现场钻孔窥视以及钻孔取芯测定，得出 2.2 煤 层和 3.1 煤层顶板岩层无论是煤、泥岩还是砂质泥岩、粗砂岩，其力学强度均较 低，且岩层比较破碎。 其次，通过理论计算、数值模拟和现场实测相结合，得到上煤层 2.2 煤层开采 条件下，其底板岩层的最大破坏深度为 38m 左右，下煤层 3.1 煤层开采受到上煤层 工作面采动的影响，其顶板岩层较破碎。且 2.2 煤层在开采过程中工作面后方 60m 范围内采空区未完全压实。 最后，采用 Flac3D数值模拟分析，研究了近距离煤层同采在不同的上下煤层工 作面错距情况下，工作面围岩应力分布和回采巷道变形情况，确定了上下煤层工作 面合理错距以及下煤层工作面回采巷道的合理布置。并分别对 2.2 煤层和 3.1 煤层同 采工作面矿压显现规律及回采巷道变形进行了现场实测分析。 本文的研究成果解决了李家壕煤矿近距离煤层上下煤层同采中的技术难题，对 于相似条件下浅埋近距离煤层的安全开采提供了有益借鉴。 关键词关键词工作面；合理错距；关键层；巷道布置 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 Abstract In the process of coal seam mining in close distance, it is necessary to focus on the distribution of the stress field of the surrounding rock during the mining of the upper and lower coal seams. During the mining of the upper coal seam, the rock stratum between the two layers of coal is affected by the mining stress of the upper coal seam floor, causing the stress state of the roof and surrounding rock to change during the mining of the lower coal seam, and due to the influence of mining on the upper coal seam, the coal seam may be broken when the coal seam is mined, which will also bring hidden dangers to the safe and high.efficient exploitation of the coal seam. To ensure the safe mining of coal seams at close distances, it is necessary to first understand the changes in the stress field of the surrounding rock during coal mining, and the laws of movements of the upper and lower coal seams. After clarifying the above laws, we must use scientific and rational mining s to carry out the mining. This paper aims at the practical site of near.distance mining of 2.2 and 3.1 coal seams in Lijiahao coal mine, and adopts field measurement, theoretical analysis, numerical calculation and other s to study the law of motion of overburden instability in close.range coal mining. The stress distribution law of surrounding rock of coal seam working face, reasonable offset distance of working face, and reasonable arrangement of mining gateway in coal face are systematically studied. First of all, through on.site borehole peeping and core drilling of the 2.2 coal seam and 3.1 coal seam, it was concluded that the 2.2 coal seam and the 3.1 coal seam roof rock layer are coal, mudstone, sandy mudstone, and coarse sandstone. Its mechanical strength is low and the rock layers are relatively broken. Secondly, through the combination of theoretical calculation, numerical simulation and on.site measurement, the maximum failure depth of the bottom rock layer under the mining conditions of the 2.2 coal seam in the upper coal seam is about 38m, and the mining of the lower coal seam 3.1 coal seam is affected by the coal seam working face. The impact of its roof rock layer is relatively broken. The gob of the 2.2 coal seam is not fully compacted within 60m behind the working face during mining. 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 Finally, Flac3Dnumerical simulation was used to study the stress distribution of the surrounding rock and the deation of the mining roadway in the case that the near.distance coal seams were produced with different offsets of the upper and lower coal seams, and the reasonable offset distances for the upper and lower coal seam working face were determined. Reasonable Arrangement of Mining Roadways in Coal Seam Working Faces . The on.site measurement analysis of the mine pressure behavior and the deation of the mining roadway in the same mining face of 2.2 coal seam and 3.1 coal seam were carried out respectively. The research results of this paper have solved the technical difficulties in the simultaneous mining of the upper and lower coal seams in the close coal seam of the Lijiahao coal mine, and provided a useful reference for the safe mining of shallow.buried and near.distance coal seams under similar conditions. Key Words Working face; reasonable deviation; key layer; roadway layout 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 目目录录 摘要.................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................II 1 文献综述.............................................................................................................1 1.1 采场围岩稳定性的现状......................................................................... 1 1.2 选题的目的和意义................................................................................. 3 1.3 研究方案及技术路线............................................................................. 3 1.3.1 研究方案.......................................................................................3 1.3.2 研究内容.......................................................................................3 1.3.3 技术路线.......................................................................................4 1.3.4 本论文创新点...............................................................................4 2 巷道围岩结构测试与分析................................................................................5 2.1 巷道围岩结构......................................................................................... 5 2.1.1 仪器的选取及工作原理...............................................................5 2.1.2 试验流程.......................................................................................5 2.1.3 测站布置.......................................................................................6 2.1.4 顶板围岩观测结果分析...............................................................7 2.2 地质力学性质测试与分析..................................................................... 7 2.2.1 岩芯的钻取及结果分析...............................................................7 2.2.2 岩石物理力学参数测定.............................................................10 2.3 本章结论............................................................................................... 11 3 长壁工作面底板岩体破坏范围分析计算.......................................................11 3.1 矿区基本情况........................................................................................ 12 3.2 工作面底板岩体破坏范围分析计算................................................... 12 3.2.1 半无限体上均布载荷问题求解.................................................12 3.2.2 长壁工作面底板岩层破坏深度分析.........................................14 3.2.3 长壁工作面底板岩层破坏深度 Flac3D模拟.............................16 3.3 地质雷达实测长壁工作面底板岩层破坏深度................................... 22 3.3.1 地质雷达的工作原理.................................................................22 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 3.3.2 底板破坏深度理论计算.............................................................23 3.3.4 地质雷达现场应用实践.............................................................24 3.3.5 探测图像分析处理.....................................................................25 3.4 工作面推进方向上煤层底板应力分布规律....................................... 27 3.5 本章结论............................................................................................... 31 4 上下煤层同采工作面的合理错距数值模拟研究...........................................32 4.1 理论分析................................................................................................ 32 4.2 模型的建立............................................................................................ 32 4.3 模型结果分析....................................................................................... 34 5 煤层回采巷道合理布置方式研究...................................................................40 5.1 上工作面两侧底板应力分布规律........................................................ 40 5.2 同采煤层回采巷道布置方式选择....................................................... 43 5.3 外错式巷道布置合理错距的确定....................................................... 45 5.3.1 巷道两帮应力分布规律模拟结果分析.....................................45 5.3.2 巷道顶底板应力分布规律模拟结果分析.................................48 5.3.3 巷道顶底板及两帮位移变形规律模拟结果分析.....................51 5.3.4 巷道围岩破坏分布范围模拟结果分析.....................................52 5.4 小结....................................................................................................... 55 6 结论和展望.......................................................................................................56 6.1 结论........................................................................................................ 56 6.2 展望........................................................................................................ 57 参考文献..............................................................................................................58 在学研究成果.......................................................................................................62 致谢...............................................................................................................63 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1- 1 文献综述文献综述 1.1 采场围岩稳定性的现状采场围岩稳定性的现状 我国煤炭资源丰富，长期以来煤炭作为国家的能源支柱，为国家经济发展 作出了重大贡献。然而我国煤层赋存条件千差万别，地质条件多样性和复杂性 直接决定着煤炭企业的经济效益。如何在不同的条件下，选择合理的开采技 术，提高煤炭回收率，实现矿井的高产高效是煤炭企业一直关心的问题。近年 来近距离煤层的开采问题越来越引起人们的广泛关注[1-.3]。显然，对于近距离煤 层群开采技术的研究是一个亟待解决的课题。随着开采技术的提高，开采强度 的加大，特别是近年来高产高效技术的发展，多年的开采已使部分矿区的中厚 煤层储量逐渐减少，导致一些矿区的大量优质煤层资源接近枯竭，促使近距离 煤层的开采问题迅速进入了人们的视野，引起高度关注。煤炭作为不可再生资 源，今后几十年内将继续作为能源支柱在我国国民经济中占有重要地位，为促 进国民经济持续向前发展。国家对煤炭资源开采的政策支持以及管理力度日益 加大，为避免在煤层开采中只开采优质煤层，而丢弃条件相对较差的煤层，造 成煤炭资源的严重浪费，所以近距离薄煤层如何选择合理的开采方法变的至关 重要[4-9]。 对于近距离煤层而言，由于煤层间距离小，上下煤层开采的相互影响比较 大。在上煤层开采过程中，采动应力将通过层间岩层向底板深部传递，引起下 煤层周围应力场发生改变，应力出现重新分布。在近距离煤层开采条件下，必 须掌握同采采场引起的顶板岩层运动规律，继而采用科学、合理的同采技术， 减少上下煤层间相互采动的影响。近距离煤层同采工作面采用合理的错距是减 小采场相互采动影响的重要因素，上、下两煤层工作面错距太大，将影响两工 作面的生产组织，增加巷道的维护时间和成本；工作面错距太小，则上、下煤 层采动影响严重，工作面围岩难以控制。因此，对选择合理的工作面错距可以 有效避免两煤层开采所造成的不利影响，保证上下两工作面安全生产的研究越 来越重要了[10]。 采场矿压显现的根源是由于工作面采动引起上覆岩层产生移动，上覆岩层 岩性、层位、厚度及构造条件的不同，使上覆岩层出现不同的移动规律；上覆 岩层结构形式决定着顶板运动特征，同时也是决定顶板控制方法的关键因素。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2- 对于这一问题，诸多学者曾提出了各种采场矿山压力假说[11-13]，都以不同方式 对采场覆岩结构的特征进行了分析，并能解释实际生产中采场各种矿压显现特 征，因此这些理论和假说对于实际中岩层控制具有一定指导意义，而国内外学 者专门针对近距离煤层的矿山压力显现及覆岩移动规律的研究成果相对较少。 史元伟教授等采用解析法、数值分析方法对于近距离煤层开采的相互影 响、煤柱下方底板岩层应力分布特征以及分层跨落法开采、条带开采等的围岩 应力分布特征等进行了研究，为下煤层开采技术应用及围岩控制设计提供了理 论指导[14-17]。 郭文兵、刘明举教授[18-20]等用相似理论和光弹性力学模拟实验，对多煤层 群联合开采条件下采场围岩应力分布特征及相互影响关系进行了系统的研究， 得出了煤层开采时采场围岩应力分布特征、应力集中程度及其相互影响的范围 和影响程度，研究结果对确定煤层群开采顺序及区段煤柱和回采巷道合理布置 具有一定得理论指导和实际意义，为多煤层群同采生产提供了参考依据。 邓雪杰教授[21-22]通过实验室相似模拟对近距离煤层下煤层顶板结构及其矿 压显现进行了研究，得出下煤层开采时其顶板破坏严重且围岩应力较大；工作 面矿压整体上较大，但周期来压不明显的理论。 孙春东、杨本生教授[23-25]等针对阳邑煤矿极近距离煤层同采工作面，通过 数值模拟及现场实测，提出了极近距离煤层同采下煤层顶板形成了“砌体梁大结 构和压力拱小结构组合构成的采场双结构”顶板模型，为下煤层顶板控制提供了 理论指导。 张百胜教授[26-28]等通过现场实测和理论分析，研究了极近距离下煤层采场 矿压显现的基本规律和特征，构建了下煤层开采的“块体一散体”顶板结构模 型，揭示了极近距离下煤层开采顶板垮落机理；并从理论上确定了极近距离下 煤层工作面支架载荷的计算方法，为下煤层采场围岩控制提供了理论基础。 近距离煤层开采的矿山压力显现特征、顶板控制等与普通单一煤层开采相 比均具有特殊性，现有的煤层开采理论和技术不完全适用近距离煤层开采。目 前，国外关于近距离煤层开采系统研究还不太成熟，国内主要是对近距离煤层 开采实践和经验的定性总结[28-33]。因此，深入系统地研究近距离煤层开采时采 场的围岩结构、应力分布特征及矿压显现规律，从而确定合理的近距离煤层开 采技术，对于近距离煤层安全、高效生产具有重要意义。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3- 1.2 选题的目的和意义选题的目的和意义 （1）掌握李家壕煤矿近距离煤层联合开采条件下，煤层围岩物理力学性质 以煤层开采时围岩移动变形和破坏规律； （2）确定近距离煤层同采条件下，合理的上下煤层工作面错距，避免上下 煤层工作面采动应力相互叠加引起的工作面顶板破碎、难以控制的问题，保证 上下煤层工作面的安全高效回采。 1.3 研究方案及技术路线研究方案及技术路线 1.3.1 研究方案研究方案 （1）收集李家壕煤矿工作面钻孔柱状资料，并对 2.2 煤层和 3.1 煤层围巷 道围岩结构、地质力学性质测试与分析； （2）确定李家壕煤矿综采工作面覆岩失稳运动规律、顶板活动特征以及煤 层开采引起的底板应力分布特征和底板岩层破坏规律； （3）运用 FLAC3D等数值模拟软件，分析确定李家壕煤矿近距离煤层同采 工作面的合理错距，并对上下煤层开采工作面回采巷道的合理布置方式进行研 究。 1.3.2 研究内容研究内容 针对万利矿区李家壕煤矿浅埋深、薄基岩、厚松散层表土具体地质条件， 结合李家壕煤矿煤岩层物理力学参数，对上下煤层同采条件下围岩变形失稳规 律、应力场分布、工作面矿压显现规律等进行研究。其主要内容如下 （1）现场调研和分析李家壕煤矿生产地质资料，实测分析 2.2 煤层和 3.1 煤层顶板岩层岩性特征、结构特征及力学参数和性质； （2）采用理论分析、数值模拟研究方法，分析浅埋长壁工作面开采影响 下，岩层应力分布规律和破坏范围； （3）采用现场实测和理论分析相结合的研究方法，基于浅埋煤层长壁工作 面顶底板岩层移动变形和破坏规律，确定李家壕煤矿近距离煤层同采同采工作 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4- 面的合理错距，并对下煤层工作面回采巷道的合理布置以及支护参数的确定进 行分析。 1.3.3 技术路线技术路线 本文研究采用的研究方法和研究手段主要包括现场调研、理论分析、数值 计算、现场实测等。论文研究的技术路线如图 1.1 所示。 图 1.1 技术路线图 1.3.4 本论文创新点本论文创新点 （1）浅埋煤层长壁工作面开采影响下底板应力分布规律和破坏范围分析； （2）浅埋煤层长壁工作面开采影响下底板破坏范围确定； （3）上下煤层同采工作面合理错距及回采巷道合理布置的确定。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5- 2 巷道围岩结构测试与分析巷道围岩结构测试与分析 2.1 巷道围岩结构巷道围岩结构 从地质力学角度来看，井工煤矿开采煤层的顶底板物理力学参数的差异取 决于岩层中物质成分、结构特征、沉积作用的压实作用以及后期地质构造的作 用等。由于沉积环境的不同以及地质构造活动的差异，岩层岩性存在显著的差 异，且岩层的节理裂隙分布情况也会随地质作用呈现不同的差异。根据现有理 论，煤矿采掘工作面顶板分为伪顶、直接顶板、基本顶板。这是根据采掘工程 过后顶板的冒落情况及冒落特征分类的，其中直接顶板随煤层的采掘过后直接 垮落的部分，其物理力学强度较低，随采随落。基本顶板则是物理力学强度较 大，垮落过程中能形成承载结构，一方面承载其上部岩层的压力，另一方面对 采掘工作面施加作用力。进行采掘活动之前，弄清围岩顶板结构特征、围岩节 理裂隙发育情况，可以指导采掘工作的安全进行。本章采用钻孔窥视以及地质 力学性能测试，得出了李家壕煤矿近距离煤层开采工作面围岩物理力学性质， 为后续的研究奠定了基础。 2.1.1 仪器的选取及工作原理仪器的选取及工作原理 根据本章的研究目标以及矿井现场开采情况，结合矿井岩层柱状图，首先 应该准确掌握所需探测区域的岩层岩性、岩层结构特征及其相应的位置。选取 实验巷道之后，进行整条巷道内的大面积观测，以全面准确的了解岩层情况。 观测仪器采用 TYGD10 型岩层钻孔探测仪（如图 2.1），其主要是通过钻孔内 节理裂隙的分布情况来反映观测区域围岩的地质赋存特征，主要由探杆、带摄 像头的探头，显示器等几部分组成。正常工作时，通过探杆将带有摄像头的探 头深入钻孔，探测钻孔孔壁图像，经液晶显示屏显示出来，进而分析钻孔内节 理裂隙的发育情况。 2.1.2 试验流程试验流程 （1）根据观测的要求和观测目的，结合矿井采掘接续情况以及现场生产实 际，选取李家壕煤矿 2.2、3.1 煤巷道进行钻孔探测。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6- （2）选定实验巷道之后，在观测范围内每隔 10m 向巷道顶板打钻孔，钻 孔孔径确定为 32mm，钻孔深度为 8.0m。钻孔钻进过程中对钻孔内的碎屑用水 进行冲洗，防止观测期间碎屑遮挡探头视线。钻孔完成后，对钻孔进行编号。 （3）钻孔施工完成后，通过探杆将带有摄像头的探头深入钻孔内缓慢移 动，并对探测结构按编号进行存储。 （4）分析钻孔窥视结果，根据实测的钻孔图片资料，结合矿井地质柱状 图，得出观测区域顶板结构以及顶板岩层的剖面图。 图 2.1TYGD10 型岩层钻孔探测仪 表表 2.1TYGD10 型岩层钻孔探测仪技术参数表型岩层钻孔探测仪技术参数表 钻孔孔径＞Φ32.0mm 钻孔长度20.0m 显示器参数2.50 英寸真彩屏 工作时间240min 存储器容量1024MB 外形尺寸286.0mm220.0mm96.0mm 2.1.3 测站布置测站布置 结合本章研究目标，为了详细了解矿井开采区域巷道顶板岩层性质及节理 裂隙分布情况，以及采动影响下围岩顶板物理力学性质、节理裂隙发育情况、 顶板岩层分层厚度、采动影响破碎范围等。初步确定实验巷道为 2.2 煤层回风 大巷，具体测点布置如下自联络巷巷口开始，每隔 50m 在巷道顶板布置一个 钻孔，钻孔孔径为 32.0mm，孔深 8.0m。李家壕煤矿 2.2 煤层回风大巷钻孔布 置如图 2.2。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 7- 图 2.2顶板钻孔布置图 2.1.4 顶板围岩观测结果分析顶板围岩观测结果分析 根据以上实测结果，整理得出 2.2 煤层回风大巷顶板依次为煤、砂质泥岩 和细砂岩。其中煤的厚度为 0.1m0.5m，砂质泥岩厚度为 3.5m4.5m，细砂岩 厚度为 1.5 m 2.5m。可以看出钻孔观测范围内，砂质泥岩和细砂岩厚度较大， 且砂质泥岩和细砂岩之间存在有厚度为 1.0m1.8m 的煤层。通过钻孔图片资料 的分析，可以得出巷道顶板岩层中砂质泥岩内节理裂隙均发育、围岩比较破 碎，且在顶板砂质泥岩中存在多处离层裂隙。而巷道顶板细砂岩岩层相对比较 完整，但是砂质泥岩和细砂岩界面处存在有明显的离层裂隙。另外，在钻孔钻 进过程中，由于顶板围岩力学强度的差异，在煤层以及砂质泥岩岩层中钻进 时，钻进速度稳定且较快，钻孔相对容易。而在细砂岩岩层内钻进时，钻进难 度增大，甚至常常出现钻头卡主和钻头退出困难的问题。 2.2 地质力学性质测试与分析地质力学性质测试与分析 对井工煤矿岩层岩石进行分类的重要依据就是岩层的物理力学参数，这也 是进行支护计算时的重要依据和参数。弄清顶板岩层的物理力学参数，进行采 掘区域围岩稳定性的分级和判定，可以进行针对性的支护设计，有利于现场的 生产管理和技术保证。同时，在进行数值模拟计算以及相似模拟实验的时候， 岩层的物理力学参数也是最基本的参数。因此，它具有特别重要的意义。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 8- 2.2.1 岩芯的钻取及结果分析岩芯的钻取及结果分析 （1）岩芯的钻取 为了保证采场控顶设计以及后续数值模拟计算的需要，根据李家壕煤矿现 场生产实际和煤岩层地质赋存情况。分别在 2.2 煤层和 3.1 煤层回采巷道钻取岩 芯，进行物理力学参数的实验室测定。 现场钻取岩芯的孔径为 35.0mm，钻孔深度为 8.0m。每处测点钻取两组岩 芯，钻孔地点根据现场巷道内水文地质情况、围岩赋存情况，在钻孔施工方便 的地点进行钻孔取芯工作。 （2）取芯结果分析 根据钻孔岩芯分析结果，得出 2.2 煤层回采巷道顶板岩层依次为砂质泥 岩、煤层、砂质泥岩，其中砂质泥岩物理力学参数较低，节理裂隙发育，砂质 泥岩之间夹有煤层，煤层强度也较低，夹煤厚度 0.3m0.4m，变化较小（见图 2.3）。砂质泥岩厚度 4.37 m 4.70m，砂质泥岩力学强度低，且水平节理裂隙 发育，岩性较软，遇水容易发生泥化。由于钻孔过程中需要用水冲洗钻孔，因 此在钻孔钻进过程中常常出现粘钻的现象。1 号岩芯顶板上方第 1.0m4.0m 段 的采取率最大为 67，2 号岩芯顶板上方第 1.0m2.0m 段的采取率最大为 73。 3.1 煤层回采巷道顶板岩层依次为煤层、泥岩、粗砂岩。其中煤的物理力学 参数低，泥质胶结；粗砂岩胶结程度也较差。3 号岩芯和 4 号岩芯夹煤厚度分 别为 0.6m 和 0.65m，3 号岩芯和 4 号岩芯泥岩厚度分别为 3.35m 和 2.78m，3 号岩芯和 4 号岩芯粗粒砂岩厚度分别为 0.65m 和 0.67m。由于钻孔过程中需要 用水冲洗钻孔，因此在钻孔钻进过程中常常出现粘钻的现象。 3.1 煤层顶板取芯完整性均较差，岩石力学参数强度也较低。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 9- 1 号岩芯2 号岩芯 图 2.3李家壕 2.2 煤主运巷岩芯 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -10- 3 号岩芯4 号岩芯 图 2.4 李家壕 3.1 煤岩芯 2.2.2 岩石物理力学参数测定岩石物理力学参数测定 根据上节研究结果，在 2.2 煤层和 3.1 煤层测点钻孔取芯的岩层岩性主要有 煤、泥岩、砂质泥岩以及粗砂岩。结合实验室测定结果见图 2.2。得出 2.2 煤层 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位