安山煤矿大巷煤柱合理尺寸研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 zone; “saddle type“ is the typical stress state of coal pillar stability，and “arching“ is the typical stress state distribution of coal pillar instability failure. Using the elasto-plastic limit equilibrium theoretical calculation ， the reasonable width of coal pillar protection in Anshan coal mine is calculated to be 39m. Considering safety and reliability， theoretical calculations show that reasonable coal pillar width of Anshan coal mine should not be less than 40m. . Through physical and similar materials and numerical simulation studies， when the width of the coal pillar is 45m， there are no obvious cracks in the coal pillars and the surface， and there is a large nuclear area in the coal pillars. When the pillar width is 42m， the stress concentration factor reaches 3.45， and the entire pillar is Due to plastic failure， the coal pillars are in an unstable state. Therefore， the results of the simulation study suggest that the width of coal pillars in the Anshan coal mine shall be no less than 45m. Finally， in the field engineering application， it is shown that under the mining geological conditions of the Anshan coal mine， when the width of the pillar protection coal pillar is 45m， it is safe and reliable. Key words Roadway Pillar; Theoretical calculation; Numerical Simulation ; Similar material simulation ; Coal pillar instability mechanism; Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及研究意义 ................................................................................................... 1 1.1.1 论文选题背景 .................................................................................................... 1 1.1.2 论文选题意义 .................................................................................................... 1 1.2 国内外的研究现状及发展趋势 ................................................................................... 2 1.2.1 采场上覆岩层活动规律研究现状 ..................................................................... 3 1.2.2 煤柱强度理论研究现状 ..................................................................................... 6 1.2.3 煤柱留设宽度研究现状 ..................................................................................... 8 1.3 论文拟研究的主要内容及研究目标 ........................................................................ 10 1.3.1 论文研究的主要内容 ...................................................................................... 10 1.3.2 论文研究方案 .................................................................................................. 10 1.3.3 论文预期达到的目标 ...................................................................................... 10 1.3.4 技术路线 .......................................................................................................... 11 2 安山煤矿地质概况及煤柱稳定影响因素分析 .................................................................. 12 2.1 矿井地质概况 ............................................................................................................. 12 2.1.1 研究区概况 ...................................................................................................... 12 2.1.2 地层特征及地质构造 ...................................................................................... 12 2.1.3 水文地质条件 ................................................................................................... 14 2.1.4 其他地质条件 .................................................................................................. 15 2.2 含煤地层与主采煤层特征 ........................................................................................ 15 2.2.1 含煤地层 .......................................................................................................... 15 2.2.2 5-2煤层特征 ................................................................................................... 15 2.3 大巷煤柱稳定性影响因素 ......................................................................................... 17 2.4 本章小结 ..................................................................................................................... 18 3 大巷煤柱上覆岩体结构及其稳定性研究 .......................................................................... 19 3.1 大巷煤柱上覆岩层破断的结构特征 ......................................................................... 19 3.1.1 大巷掘进后的覆岩结构及失稳条件 ............................................................... 19 3.1.2 工作面回采过程中的覆岩结构及失稳条件 ................................................... 21 3.2 大巷煤柱的支承压力分布规律 ................................................................................ 24 3.3 大巷煤柱应力分布动态演变过程 ............................................................................ 26 万方数据 目录 II 3.4 大巷煤柱稳定性基本条件素及其破坏形式 ............................................................ 27 3.4.1 煤柱保持稳定的基本条件 ............................................................................... 27 3.4.2 煤柱的破坏形式 .............................................................................................. 28 3.5 本章小结 .................................................................................................................... 28 4 大巷煤柱合理尺寸理论计算及模拟研究 .......................................................................... 30 4.1 大巷煤柱合理宽度理论计算 .................................................................................... 30 4.2 大巷煤柱合理宽度物理相似模拟研究 ..................................................................... 30 4.2.1 实验原始参数的确定 ...................................................................................... 32 4.2.2 相似材料模型的铺设及开挖方案设计 .......................................................... 33 4.2.3 实验结果分析 .................................................................................................. 35 4.3 大巷不同宽度煤柱应力及变形数值模拟研究 ......................................................... 39 4.3.1 回采过程中覆岩变形分析 .............................................................................. 40 4.3.2 回采过程中应力分析 ...................................................................................... 42 4.4 煤柱合理尺寸综合分析与确定 ................................................................................. 46 5 工程应用 .............................................................................................................................. 48 5.1 研究区地质采矿条件 ................................................................................................ 48 5.2 回风大巷监测方案设计 ............................................................................................ 49 5.3 监测效果分析 ............................................................................................................ 52 5.3.1 钻孔应力分析 .................................................................................................. 52 5.3.2 顶板离层分析 .................................................................................................. 53 5.3.3 巷道围岩收敛分析 .......................................................................................... 54 5.3.4 现场情况 .......................................................................................................... 55 5.4 本章小结 .................................................................................................................... 56 6 结论与展望 .......................................................................................................................... 57 6.1 结论 ..................................................................................................................... 57 6.2 展望 ..................................................................................................................... 57 致 谢 ...................................................................................................................................... 58 参考文献 .................................................................................................................................. 59 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 论文选题背景 煤炭是我国的主要能源，一直以来所占比例都在70以上，近年来随着各种新能源 的出现，煤炭占比有所下降，但仍较高，2017年煤炭在能源中占比60.5，从目前的发 展形势来看，在今后相当长一段时间内我国的能源生产和消耗主要还是煤炭 [1]。煤炭的 形成过程漫长，属于是一种不可再生的、储量有限的资源，因此着眼于未来的可持续发 展，在开采过程中必须珍惜煤炭资源，安全高效的进行开采，努力减少不必要的资源损 失，具有很重大的意义。 煤矿开采过程中由于工艺、技术等原因需要留设各类的安全保护煤柱，多年的开采 过程中，各矿区留设的各类安全煤柱也积压了大量的煤炭储量，通过对数对矿井留设的 各类安全煤柱的统计计算，安全煤柱所占的储量在59567863万t，平均每个矿井约为 6500万t，基本占到矿井总地质储量的10以上[2]，也是很大的一部分煤炭资源。通过对 神府矿区数对新建矿井的设计和生产矿井的实际情况调查统计， 一侧大巷安全煤柱留设 有30m、40m、60m、80m甚至部分地区达到120m，大巷两侧安全煤柱总宽度最大能达 到240m，造成了煤炭资源的极大浪费 [3]。 安山煤矿隶属于陕西涌鑫矿业公司，设计生产能力为120万t/年，井田位于庙哈孤矿 区东南部，北部、南部为小煤矿整合区，西部与沙梁井田相邻；地质资源储量223.59Mt， 设计可采储量115.65Mt，井田内可采煤层共6层，分别为5-2、5-2 上及2-2、3-1、4-2、5-1号煤， 5-2煤层为井田主要可采煤层，该煤层结构较简单，厚度稳定，煤类单一，分布面积大， 属稳定型煤层；5-2煤层平均厚度为2.28m，埋深133.55～384.04m，平均埋深222.2m，区 内松散层厚3.30～164.80m，平均55.67m。 安山煤矿综采工作面原设计保护煤柱为80m，但实际回采过程中工作面保护煤柱留 设为100m。 安山煤矿目前已完成对2008工作面进行末采及回撤工作， 以2008工作面为例， 工作面长度275m，煤层厚度为2.3m，容重为1.36t/m3，保护采煤柱实际为100m，计算可 得保护煤柱所占2008工作面资源为8.60万t，使资源不能有效回收，严重浪费了大量的煤 炭资源，且吨煤造成生产成本增大，严重影响了矿井的经济效益和可持续发展。 1.1.2 论文选题意义 安山煤矿综采工作面原设计保护煤柱为80m，实际回采过程中保护煤柱为100m，严 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 重浪费资源，使资源不能有效回收，间接造成成本增大，利润降低。 根据安山煤矿实际情况，井田整体呈狭长状，故为了有效回收资源，节约煤柱的留 设量，大巷沿井田边界布置，而井田边界地表存在零散分布的村落，井田范围内靠近工 作面最近的住户的保护煤柱宽度约为96m，村庄保护煤柱示意图如图1.1所示。由于这些 建（构）筑物的存在，使得大巷煤柱最终无法回收，为减小大巷煤柱对煤炭资源的浪费， 必须对煤柱进行研究， 本文主要对大巷煤柱即工作面停采线和大巷之间煤柱尺寸留设进 行研究，分析工作面超前支承压力的影响范围和峰值位置、停采线与大巷间煤柱上的支 承压力分布规律、应力分布的动态演变过程，研究工作面回采过程中前方煤柱及稳定后 破坏特征及影响因素，在保证满足保持大巷围岩稳定的需要的前提下，确定安山煤矿大 巷的合理宽度，提高矿井的回采率，不仅可以提升本矿井的回采率及经济效益，减少煤 炭资源的浪费，还可以为周边矿井煤柱留设提供参考，为安山煤矿的安全高效开采提供 理论依据和技术保障。 25m25m 大巷煤柱 96m 村庄边界线 维护带边界 井田边界线 村庄保护煤柱边界线 村庄 图1.1 矿井地表村庄保护煤柱留设示意图 1.2 国内外的研究现状及发展趋势 煤柱的合理留设宽度与煤层开采后上覆岩层的活动引起的支承压力分布规律及岩 层垮落稳定形态、 煤柱留设的宽度理论分析及计算计算、 煤柱的强度及稳定理论有关系， 本节重点介绍这三个方面的相关国内外研究现状。 万方数据 1 绪论 3 1.2.1 采场上覆岩层活动规律研究现状 长壁开采方式下回采工作面上覆岩层活动规律是采矿学科的基础内容之一， 20世纪 以来，采矿工程界的国内外许多学者、科研人员及一线工程技术人员对采煤工作面回采 后采场围岩的应力分布状态、上覆岩层的变形移动破坏规律、回采时工作面的各类矿压 显现现象进行了相关的研究和总结分析， 国内外学者在研究这个问题的过程中提出了各 种采场矿山压力的假说，其中具有代表性的假说有压力拱假说、悬臂梁假说、预成裂隙 假说、铰接岩块假说、砌体梁-关键层理论、传递岩梁假说、“S-R”稳定性原理等；这 些假说大部分都是在总结现场某些方面的矿压显现特征， 结合岩石力学等方面的理论总 结提出的，不同的假说理论适用于不同的覆岩结构特征，通过假说也能很好的解释顶板 来压、前方支承压力变化等相关的矿压规律，为解决生产实际中的一些问题提供了理论 基础[49]。 1915 年底，德国的 K.Stoke 提出了悬臂梁假说[10]，将采场上覆的岩层看作是一个 悬臂梁，后来得到了英国的 I.Friend[11]、苏联的格斯曼尔等人的认可；1929 年，德国学 者 W.Hack 和 G.Gillitzer 提出了压力拱假说。20 世纪 50 年代中期，苏联的学者阿申维尔 克出版了煤矿地下开采的岩层移动一书，详细的对煤层回采后覆岩活动进行的研究 分析；波兰学者从弹性基础梁理论出发，建立了薄煤层开采计算支承压力的结构模型； 70 年代后期， 由于长壁式回采工作面开采技术的快速应用发展， 煤层回采后出现了很多 新的矿压显现特征，前苏联的库兹佐涅夫在此基础上提出了“铰接岩块假说”，比利时 的拉夫巴斯克提出了的岩体“预成裂隙梁假说”。 国内也有很多学者通过对不同区域内、不同地质条件下、不同煤层的开采实践总结 分析，构建了许多矿山压力的计算模型，深入总结分析了覆岩的运动规律，并对矿压显 现和覆岩运动的致灾机理进行了深入研究，20 世纪 80 年代，该方面取得了很多重大的 理论突破和突飞猛进的发展，“砌体梁”、“传递岩梁”、“薄板理论”、关键层理论 有效的指导了工程实践，为后续的煤层开采提供了强有力的理论支撑。 1983 年， 中国矿业大学钱鸣高院士在总结长壁开采工作面矿压显现的基础上， 建立 了上覆岩层的“砌体梁”结构力学模型，并由此提出了关键层理论，为论证采场矿山压 力的各项控制参数奠定了基础[13]；后来钱鸣高院士根据采场上覆岩层断裂前后的特征， 提出了弹性基础梁模型，从理论上证明了顶板的“反弹”作用机理，并在 Winekller 弹性 基础理论上构建了不同支撑条件下的 Kiachnhoff 板力学模型， 详细分析了老顶断裂过程 形成砌体梁前后的作用机理， 并推演出了砌体梁各岩组受力的理论解和岩层内部的移动 曲线形态 [1620]。 1989 年，山东科技大学宋振骐院士“传递岩梁”提出了假说[13]，该假说以研究采 场上覆岩层的运动机理为中心，提出了煤壁前方内外应力场的概念，并指出了上覆岩梁 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 的运动形态，支架受力存在“给定变形”和“限定变形”两种工作方式，同时构建了工 作面的来压预测预报系统，为矿山压力和岩层控制奠定了基础。 西安科技大学石平五[14]教授从损伤力学的角度和采矿过程中能量变化原理分析了 矿压显现的相关问题；靳钟铭教授[15]在大同矿区顶板坚硬的条件下提出了采场岩层的 “悬梁结构”；贾喜荣教授[16]提出了采场岩层的“薄板矿压理论”；史元伟[17]等根据支承 压力逐层计算的综合方法去确定矿山压力的大小，完善了弹性基础梁的解法；姜福兴教 授[18]利用厚板力学理论，并根据不同的边界条件给出各类板的厚化系数表达式；康建荣 [19]详细分析了覆岩在采动影响下初次断裂前后的力学模型， 以固支梁形式分析切眼侧上 方的岩层受力，以悬臂梁形式分析工作面侧的岩层受力，并运用梁弯曲变形的理论计算 得出了采动覆岩断裂破坏的条件，得出了临界开采长度的计算模型。这些观点都对采场 的覆岩结构特征及运动破坏机理进行了推理和应用，补充完善了采场的矿山压力假说。 随着回采工作面的不断推进，采空区内的上覆岩体会不断发生垮落，并在垂工作面 的走向方向上形成砌体梁结构，对于煤柱留设来说，上覆岩层跨落后最后的稳定结构形 态决定了煤柱上方的受力特性，即煤柱支撑影响区 A 的受力结构[20]，如下图 1.2 所示 A-煤柱支撑影响区a-b；B-离层区b-c；C-重新压实区c-d； α支撑影响角；I垮落带；II裂缝带；Ⅲ弯曲下沉带 图1.2 长壁开采回采工作面上覆岩层移动规律 另外，诸多学者通过现场的矿压观测和数值模拟分析研究得出，煤层回采后围岩的 支承压力重新分布，在工作面前方一定范围内的煤柱上会形成支承压力集中的现象，支 承压力的分布曲线重点是分布范围和应力峰值两个参数；根据相关的研究统计表明，煤 柱上支承压力峰值位置一般在前方 4～8m 范围内的煤柱上， 且与工作面的回采高度密切 相关，大致相当于 2～3.5 倍的回采高度，支承压力升高区的范围在 15～30m 之间，应 力峰值点的增高系数约为 2～3 倍的原岩应力； 工作面前方 0～10m 范围内的煤柱受到应 力集中的影响较大，根据煤柱的破坏情况来确定塑性区宽度，为矿压及围岩控制提供基 万方数据 1 绪论 5 础 [2730]。 单侧工作面回采后，煤柱上的支承压力分布可以分为应力降低区、应力升高区、原 岩应力区， 其中应力升高区以峰值点为界限又可以分为应力升高塑性区和应力升高弹性 区，应力降低区对应于煤柱边缘的破裂区宽度 x0′，应力降低区和应力升高塑性区对应 于煤柱的塑性区宽度 x0，应力降低区和应力升高区对应于支承压力的影响距离 x1（下图 I、II、III 区），单侧工作面回采后煤柱上的支承压力分布曲线如下图 1.3 所示 垮落角 ⅠⅡⅢⅣ γH kγH x y I-应力降低区破裂区；II-应力升高区塑性区；III-应力升高区弹性区；IV-原岩应力区弹性区 图1.3 单侧工作面回采后煤柱上支承压力分布示意图 煤柱两侧都布置工作面时，两侧工作面回采之后，形成的支承压力会在煤柱上的某 些区域发生相互叠加，形成叠合支承压力，叠合后的支承压力应力增高系数可达 5～7， 如果峰值点叠加在一起的极限情况下甚至会更高； 对于大巷围岩的保护传统方法是两侧 都留设一定宽度的煤柱，隔离采空区并使大巷的位置避开支承压力增高区的影响，此时 根据留设煤柱的宽度不同支承压力的存在状态及煤柱上的分区也不相同， 从两侧的煤柱 边缘到中间依次会出现破裂区、塑性区、弹性区应力升高部分以及原岩应力区等，两侧 工作面回采时煤柱上的支承压力分布如下图 1.4 所示 x y 垮落角 γH kγH 垮落角 kγH ⅠⅡⅢ H I-破裂区；II-塑性区；III-破裂区 图1.4 两侧工作面回采后煤柱上支承压力分布示意图 由图 1.4 可知，根据留设煤柱的宽度不同，煤柱上的分区也不尽相同，假设工作面 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 回采后支承压力的影响范围为 L，留设的煤柱宽度为 H，则保护煤柱可能存在以下三种 分区的情况 1当 H2L 时，在煤柱中间的部分区域仍为原岩应力区，支承压力不会对该区域产 生影响，此时煤柱从两侧边缘到中间依次分别以破裂区、塑性区、弹性区应力升高部分 以及原岩应力区的形式存在。 22LHL 时，在煤柱中间两侧的支承压力升高区出现叠加，不存在原岩应力的 区域，支承应力的分布状态呈马鞍形，此时煤柱从两侧边缘到中间依次分别以破裂区、 塑性区以及弹性区应力升高部分的形式存在。 3当 H5 时，1.4a ；当/B H＜5 时，1.0a 。 二十世纪八十年代后期开始，我国学者在国外研究的基础上在煤柱的强度、宽度设 计、稳定性分析方面进行了大量的研究，也取得了丰富的成果。1984 年，白矛、刘天泉 等在弹性断裂力学的基础上，沿走向将采空区的剖面视为无穷大板中的一个长条形椭 圆， 且作用在边界上的载荷视为均布载荷， 运用复变函数等方法， 提出了大板裂隙理论， 并推导出煤柱上应力的计算公式            2 2 1 arr ra Fq x  （1.4） 2 2 arr ra Fq z    （1.5） 式中σx-煤柱的水平应力，MPa； σz-煤柱的垂直应力，MPa； q-煤柱承受的载荷；a-条带采宽； r-距煤壁边缘的距离；F-应力增大系数； 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 8 侯朝炯、马念杰、王金庄[26]等在 Allmif 理论的基础上，根据现场的实践经验总结和 大量的现场实测数据，根据煤柱上的应力分布和应力极限平衡区特征，从多个方面完善 了极限平衡理论，得出的计算公式有以下三种形式                  cotcottan 1cot tan2 2 2 0 CeCP eC eN M fx iz C M fx cz M fx z （1.6） 式中 c 煤柱的单轴抗压强度，MPa； z 应力极限平衡区的垂直应力，MPa； 0 N煤柱边缘处的垂直应力，MPa； M煤层的开采厚度，m； C煤层与顶底板岩层间的粘聚力，MPa； 煤层与顶底板岩层间的内摩擦角， （ ） ； f摩擦系数，tanf； 侧压系数， x y d d    ； x 应力极限平衡区的水平应力，MPa； tan系数， 1sin tan 1sin       i p支架对煤帮的支护阻力； p r应力极限平衡区宽度； q煤体原始垂直载荷； 1.2.3 煤柱留设宽度研究现状 煤柱留设宽度牵扯到矿井现场实际的问题，这方面研究的人员比较多，目前主要都 是根据工作面超前支承压力的分布规律、煤柱塑性区的扩展范围、弹塑性力学理论等为 基础，结合矿区具体的地质条件合理确定煤柱的最小宽度。 廖学东、桂和荣等通过分析采场上覆冒落孔的资料，得出顶板岩性结构、覆岩破坏 高度、裂隙发育等情况，以此为基础确定合理的煤岩柱留设宽度；杨本水、刘效云等重 点研究了覆岩破坏规律和矿山压力显现规律， 并在此基础上探索了缩小保护煤柱宽度的 机理和途径；张开智，夏均民等利用工作面前方煤柱上的钻孔煤粉量的变化来推测得到 超前支承压力的分布规律，确定超前支承压力的大小及影响范围等，为合理的煤柱留设 尺寸提供基础数据；伍永平、阎昌银、王从书等利用相似材料模拟实验，分析了不同开 万方数据 1 绪论 9 采条件下的应力分布特征及围岩变形情况， 得出了影响煤柱留设尺寸及围岩控制支护设 计的主要因素；贾喜荣、王丽在 Hustrulian 强度公式和 Bireniaweki 煤柱强度计算公式的 基础上， 运用数学及力学算法推导出了相邻工作面的回采巷道保护煤柱的临界宽度理论 计算公式；张国华等综合考虑了巷道的位置、巷道与煤层的高度厚度、顶板岩层的软硬 程度和完整程度等方面的因素，从实际应用的角度出发，将巷道围岩划分为 6 种组合类 型，而后根据 Mohr Coulomb 准则和 Kastner 方程，推导出了中厚煤层相邻工作面区段 煤柱留设宽度的理论计算公式；奚家米等人通过对不同煤柱宽度下巷道围岩变形情况、 支护结构受力大小等进行了现场实测，总结分析得出了巷道围岩变形、支护结构受力与 煤柱宽度之间的关系，有效的指导了区域的煤柱留设实践，同时也认为通过现场实测和 数值模拟相结合的方法来确定保护煤柱的宽度是一种科学、有效的方法，并通过现场的 观测结果认为留设的保护煤柱宽度至少应大于 20m[2731]。 侯朝炯、柏建彪，王卫军等通过长时间的现场实践总结，一方面发现相邻回采工作 面的顺槽之间即使留 1025m 的煤柱，顺槽围岩的应力及破碎情况仍比较严重，很难确 保巷道围岩的稳定，另一方面如果留设 30m 甚至以上的煤柱时浪费了过多的煤炭资源， 因此提出了留窄小煤住或者是采取措施沿空掘巷等思路， 在一定的条件了得到了很好的 应用； 侯朝炯通过研究还认为采取措施提高窄煤柱的承载能力也是保持巷道围岩稳定的 关键因素，采空侧边缘的巷道上覆岩层与巷道的支护体存在大小结构的关系，认