杭来湾煤矿30101综采工作面矿压规律研究.pdf

论文题目杭来湾煤矿 30101 综采工作面矿压规律研究 工程领域矿业工程 硕 士 生郝 雷 签名 校内导师柴 敬 签名 校外导师温克珩 签名 摘 要 随着榆神府矿区的开发，我国学者对浅埋长壁工作面矿压显现规律和覆岩移动变形 规律进行了深入的研究。然而，对基岩厚度较大、松散载荷层较小的近浅埋长壁工作面 的矿压显现规律和覆岩移动变形规律研究甚少，对近浅埋长壁工作面来压机理尚未形成 统一的认识。因此，研究和掌握近浅埋长壁工作面的矿压显现规律和覆岩移动变形规律 对榆神府矿区近浅埋工作面的安全开采具有重要指导意义。 本文以杭来湾煤矿30101近浅埋长壁工作面为例，采用现场观测、相似材料模拟和 理论分析相结合的方法对近浅埋长壁工作面矿压显现规律和覆岩移动变形规律进行了 研究。通过对30101工作面地质特征和现场矿压观测数据进行了分析，得出了该工作面 矿压显现规律；利用相似材料模型实验对支架工作阻力、覆岩移动变形规律、支承压力 分布特征进行了模拟研究，在相似模型实验中构建了用于检测上覆岩层移动变形的光纤 光栅传感系统，并应用该系统对上覆岩层移动变形进行了检测分析；基于岩层控制关键 层理论对该工作面矿压显现规律及工作面来压机理进行了分析，得出了该工作面来压机 理。 研究表明，杭来湾煤矿30101工作面矿压显现规律明显，来压强度较大，来压期间 支架工作阻力较大；基本顶初次来压步距为50m，周期来压步距1420m，周期来压步距 和强度呈现大小周期相间的特征，且工作面中部来压频率明显大于端头。通过岩层控制 关键层理论对杭来湾煤矿30101综采工作面来压机理进行了分析，分析结果与现场观测 和模型实验结果相吻合。在相似模型实验中光纤Bragg光栅传感器对上覆岩层的移动变 形具有较好的检测效果，其检测结果与岩层移动规律一致。 关 键 词近浅埋煤层；矿压显现；矿压观测；相似材料模拟；岩层移动 研究类型应用研究 * 本文得到国家自然科学基金41027002的资助 Subject Study on Underground Pressure Behavior of 30101 Fully Mechanized Face in Hanglaiwan Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Hao Lei Signature InstructorChai Jing Signature InstructorWen Ke-heng Signature ABSTRACT With the development of the Yushenfu mining area, the deep research on the law of underground pressure and the law of failure of overlying rock for longwall faces in typical shallow coal seams have been made. However, there is little research on near shallow coal seams, with thick bedrock and thin relax layer. There is no unified understanding to the underground pressure and root weighting mechanism for near shallow coal seams. it is important for us to study and grip the law of underground pressure and the law of failure of overlying rock, which will have an important guiding significance for the safe explotion for longwall face of near shallow seams in Yushenfu mining area. Taking 30101 near shallow seam longwall face of Hanglaiwan coal mine for example, This paper make research on the law of underground pressure and the law of failure of the overlying rock for longwall faces of near shallow seams, through fied measurement, similar material simulation and theoretical analyzing. Through the analysis of geological characteristics and fied measured data of 30101 coal faces, the law of underground pressure is received. The work resistance of supports, the law of failure of overlying rock and the abutment pressure distribution laws are simulated by simulate material model test. The Fiber Bragg Grating sensing system for monitoring the displacement of the overlying rock is established. The process of failure of overlying rock is determinate and analyzing through Fiber Bragg Grating sensing system. Based on dominant stratum theory for control of strata movement, the pressure behaviors and ground pressure mechanism of the 30101 face are theoretically analyzed, and the pressure mechanism is obtained. The study indicates that the underground pressure behavior of the 30101 face in Hanglaiwan coal mine is remarkable, and the weighting strength is relatively large.The support resistance is relatively large when weighting, and the pressure of the face has the character of higher in the middle and lower in two sides.The first weithing subtangent of the basic roof is 50m, and the average subtangent of periodic weighting is1420m. The subtangent and strength of periodic weighting is with the character of large and small circle change, and the weithing frequency is obviously higher in the middle than in two sides. Based on dominant stratum theory for control of strata movement, the ground pressure mechanism of the 30101 fully mechanized face in Hanglaiwan Coal Mine is analyzed. The analysis results fits well with the results of field observation and model experiment. The process of the failure of overlying rock is simulated. FBG sensors have preferable testing results for development of the overlying rock, and the testing results agree with the law of the development of the strata. KeywordsNear Shallow Seams；Pressure Behaviors；Strata Control Observation； Similar Material Simulation；Strata Movement Thesis Application Study * This paper is financially supported by the National Nature Science Foundation 41027002 目 录 I 目 录 1 绪论 ....................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义 ................................................................................................1 1.1.1 选题背景 .........................................................................................................1 1.1.2 研究意义 .........................................................................................................2 1.2 浅埋煤层国内外研究现状及发展趋势 .....................................................................3 1.2.1 国外研究现状 ..............................................................................................3 1.2.2 国内研究现状 ..................................................................................................4 1.3 近浅埋煤层国内外研究现状 ....................................................................................7 1.4 光纤 Bragg 光栅传感技术在矿山模型实验中的应用 ..............................................8 1.5 论文研究内容及技术路线 .......................................................................................9 1.5.1 研究内容 .........................................................................................................9 1.5.2 论文技术路线 ................................................................................................ 10 2 杭来湾煤矿 30101 工作面矿压显现规律观测研究 ......................................................... 11 2.1 杭来湾煤矿 30101 工作面概况 .............................................................................. 11 2.1.1 矿井地层及构造 ............................................................................................ 11 2.1.2 矿井煤层特征 ................................................................................................ 12 2.1.3 杭来湾煤矿 30101 工作面概况 ..................................................................... 13 2.2 杭来湾煤矿 30101 工作面矿压观测 ....................................................................... 15 2.2.1 矿压观测方法 ................................................................................................ 15 2.2.2 矿压观测结果 ................................................................................................ 16 2.2.3 杭来湾煤矿 30101 工作面矿压显现规律 ..................................................... 24 2.3 本章小结 ................................................................................................................. 24 3 杭来湾煤矿 30101 工作面相似材料模拟实验 ................................................................. 25 3.1 相似模型实验设计.................................................................................................. 25 3.1.1 相似材料模拟实验理论 ................................................................................ 25 3.1.2 模型相似比.................................................................................................... 27 3.1.3 模型尺寸及配比 ............................................................................................ 27 3.1.4 模型实验测试方法 ........................................................................................ 28 3.2 实验结果分析 ......................................................................................................... 29 3.2.1 工作面来压判据 ............................................................................................ 29 3.2.2 覆岩破断及工作面矿压显现 ......................................................................... 30 3.2.3 上覆岩层移动变形特征 ................................................................................ 36 目 录 II 3.2.4 支架工作阻力分析 ........................................................................................ 39 3.2.5 支承压力分布特征 ........................................................................................ 40 3.2.6 光纤 Bragg 光栅传感器检测结果分析 ......................................................... 42 3.3 本章小结 ................................................................................................................. 45 4 近浅埋煤层长壁工作面来压机理研究 ............................................................................ 47 4.1 近浅埋煤层的关键层判别 ...................................................................................... 47 4.1.1 关键层的定义及特征 .................................................................................... 47 4.1.2 关键层的判别理论 ........................................................................................ 48 4.1.3 杭来湾煤矿 30101 工作面关键层判别 ......................................................... 49 4.2 近浅埋工作面双关键层结构特征 .......................................................................... 50 4.2.1 近浅埋工作面双关键层的复合效应 ............................................................. 51 4.2.2 近浅埋工作面主亚关键层矿压模型 ............................................................. 52 4.3 杭来湾煤矿 30101 工作面来压机理分析 ............................................................... 54 4.3.1 主亚双关键层的破断对工作面矿压的影响.................................................. 54 4.3.2 杭来湾煤矿 30101 工作面矿压显现规律分析 .............................................. 55 4.4 本章小结 ................................................................................................................. 55 5 结论及展望 ....................................................................................................................... 57 5.1 结论 ......................................................................................................................... 57 5.2 展望 ......................................................................................................................... 57 致 谢 ................................................................................................................................... 59 参考文献 ............................................................................................................................. 60 附 录 ................................................................................................................................... 64 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 随着世界经济全球化进程的推进，我国的经济发展正保持一种持续、平稳的增长趋 势。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。长期以来，煤炭在我国一次能源生产和消费构成 中比例始终保持在 70以上[1]。根据研究预测，我国未来一次能源消费中煤炭仍将占据 主导地位，即使到 2050 年，煤炭在我国一次能源消费结构结构的比例也不会低于 35[2,3]。近年来，我国煤炭产量总体保持快速增长势头，我国煤炭的生产和消费一直居 世界第一位。根据专家预测，到 2020 年我国煤炭产量占世界煤炭产量的比例会上升到 50左右[4]。 随着我国东部赋存条件好、距地表浅的易开采的煤炭资源日益枯竭，我国煤炭战略 重点西移势在必行[5]。我国西部地区煤炭资源丰富，尤其是陕北侏罗纪煤田是我国探明 煤炭储量最大的煤田，约占全国煤炭储量的 25，被誉为世界七大煤田之一，且煤层埋 藏浅、赋存稳定、近水平、低灰、低硫、低磷、高发热量，开采条件，优越，开采效益 极佳，该是我国煤炭工业战略转移的首选地[6]。 我国上世纪 80 年代对榆神府矿区进行投资开发，该矿区主要由榆神和神府两个矿 区组成。 率先发展的是神府矿区， 从神府矿区开发来看， 其主采煤层埋深主要在 70150m 左右。煤层的主要赋存特征是浅埋深（150m 以内） 、薄基岩（3550m） ，厚风积沙覆层 （3060m）[7,8]。埋藏浅、基岩薄、上覆厚松散层是其典型的赋存特征。通过神府矿区 浅埋煤层的开采实践表明，由于开采引起了特殊的岩层控制问题主要有开采出现的贯 通裂隙，造成水砂溃入，工作面损毁，水资源严重流失，从而加剧了地表荒漠化，对本 来就脆弱的生态环境带来严重的影响；顶板覆岩出现全厚切落形成剧烈的矿山压力显 现，支架压死，地表出现台阶下沉，对矿井生产和安全带来灾难性危害[9]。 随着国民经济的不断发展，榆神矿区也逐步发展起来，该矿区的地质条件与神府矿 区不同，其埋藏较深（250m 左右） ，基岩较厚（100m 左右） ，其上有较厚的土层覆盖层 （厚度 150m 左右） 。就陕北矿区而言，不同类型的覆盖层，在开采过程中矿山压力也是 不一样的。而对于厚砂土层覆盖层、基岩较厚的煤层工作面具有与典型浅埋煤层具有不 完全相同的矿压显现规律，我国研究者目前对此研究的比较少。 光纤传感技术作为现代通信的产物， 是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 的一门崭新技术。相对于传统传感器，光纤传感器具有体积小、重量轻、可植入结构、 可复用以及无电磁干扰等优点，因而成为土木结构健康监测领域应用前景最好的传感元 件之一[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、应变的定性测量 [11,12]。 1.1.2 研究意义 随着神东矿区的开发，近 30 年来我国专家学者对浅埋煤层开采进行了深入研究， 有关学者利用关键层理论对典型浅埋工作面的矿压显现作出了的解释，并揭示了工作面 来压机理[13]。根据浅埋煤层的定义[14]，可将浅埋煤层分为典型浅埋煤层和近浅埋煤层 2 种1基岩较薄、松散层厚度较大的浅埋煤层，其顶板破断为整体切落形式，易于出现 工作面顶板台阶下沉，此类厚松散层浅埋煤层称之为典型的浅埋煤层。可以概括为埋 藏浅，基载比小，基本顶为单一关键层结构的煤层。2基岩厚度较大、松散层厚度较小 的浅埋煤层，其矿压显现规律一般介于普通工作面与浅埋煤层工作面之间，表现为两组 关键层，存在不明显的台阶下沉现象，可称为近浅埋煤层。神东矿区煤层埋藏浅，一般 为 150m 以内，基岩层较薄，表土层较厚的地质特点，煤层开采后，工作面上覆岩层垮 落至地表，易形成切落式破坏，矿山压力显现较为剧烈，工作面顶板出现台阶下沉，造 成支护设备毁坏，出现严重的顶板灾害事故，地表塌陷形成大量的地堑和裂缝，造成采 空区地表水资源严重破坏，加剧了地表荒漠化等问题，确定为第 1 种类型。经过我国学 者的不断研究，许多典型浅埋煤层技术难题、问题都得到较好的解决，然而，对于第 2 类的近浅埋煤层研究的比较少，对岩体破裂与岩层移动过程的规律仍然缺乏完整和统一 的认识。 本文以榆神矿区厚基岩、厚松散层的杭来湾煤矿 30101 综采工作面为基础，研究其 矿山压力显现与上覆岩层运动规律，研究“支架－围岩”关系，研究支架工作阻力特征， 研究支承压力分布特征，对该矿以及榆神矿区近浅埋工作面确定支架合理的工作阻力、 支架合理选型等一系列关键技术问题的研究提供了参考；为确保工作面安全、高效的开 采提供了理论指导；为防止局部地区的地质环境恶化及沙漠化，探索合理的技术措施， 控制并减少因采矿引发的地质灾害，促进该矿区可持续发展均有极为重要的意义。 为了进一步研究光纤光栅传感器对模型岩层变形检测特性，在相似材料模型实验中 1 绪论 3 采用了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，拓宽了光纤光栅传感器的应用范围。 1.2 浅埋煤层国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 浅埋煤层在国外较少，国外较为典型的浅埋煤层是莫斯科近郊的煤田及美国西部的 阿巴拉契亚煤田。因此国外学者关于浅埋煤层顶板岩层控制方面的研究较少，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 [15]。该假说认为当煤层埋藏较浅时，在研究工作面矿压显现过程中可将上覆岩层视为均 质载荷。随工作面推进，顶板将沿煤壁斜上方垮落直至地表，工作面支架上所受的载荷 应考虑整体上覆岩自身重量的作用。当上覆岩层中有坚硬顶板组成的基本顶时，基本顶 断裂线一般在工作面煤壁内，工作面支架上的载荷按控顶区跨度计算上覆岩层全部重 量。显然，秦氏把上覆岩层运动的几何形态过分绝对化了，并且在对基本顶的分析过程 中，既没有涉及基本顶的断裂垮落过程，也未涉及破断后岩块的平衡条件。 在浅埋煤层工作面矿压显现方面，1981 年前苏联 B.B.布德雷克提出在煤层埋藏 深度约为 100m 且存在厚粘砂土层条件下，放顶时工作面支架会出现明显的动载现象， 约 12％的采区煤柱出现明显的动载现象。 浅埋煤层工作面顶板来压比较剧烈， 与普通采 场顶板初次破断形成的缓和来压有明显区别。20 世纪 80 年代初，澳大利亚 B.霍勃尔瓦 依特博士对新南威尔士安谷斯坡来斯煤矿浅部长壁工作面开采的一些矿压显现现象进 行了实测。该矿所开采煤层，顶板坚固稳定，为煤、页岩混层，工作面设计采高 2.6m， 煤层赋存平稳，初期煤层开采深度约为 70m，工作面长度为 135m。顶板破断及岩层移 动特征如下所述初次垮落步距为 10m。随工作面推进，沿工作面和采空区边缘的顶板 岩层大都形成垂直断裂，岩层破断角为 7690，采空区地表的最大下沉量为采高的 601.5m，最大下沉量的 85％发生于距工作面 40m 的采空区范围内，说明采空区及时 压实，靠近煤壁的上覆岩层迅速发生整体移动。实测工作面前方的上平巷顶底板移近量 较小，除超前支承压力区的最大位移量为 20mm 外，其他均小于 10mm。通过分析研究 认为这种现象的发生与煤层埋藏较浅，工作面上方覆岩产生“瓶塞”状破断有着密切 的关系。工作面支架载荷特征工作面共使用了 89 架支撑掩护式液压支架，液压支架 额定工作阻力 4500kN/架，初撑力为额定工作阻力的 80％；工作面来压时。液压支架有 明显的动载现象， 安全阀开启频繁。 上覆岩层破断时液压支架迅速的达到额定工作阻力， 但在 25 天内逐渐减小。液压支架的载荷特征是后柱大于前柱 [16]。 20 世纪 90 年代，澳大利亚的学者 L.Holla 对新南威尔士浅埋煤层长壁工作面开采 的上覆岩层的移动变形进行了实测研究[17]。 通过自煤层到地表的多层位钻孔锚固装置实 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 测得出，覆岩的垮落高度为工作面采高的 9 倍，覆岩在工作面推过后迅速移动。美国为 控制浅部开采引起的地表塌陷，浅埋煤层的开采多采用房柱式，主要进行了地表移动和 开采前地表岩层地震波探测与工程地质评价的研究工作。印度和南美国家主要开展了房 柱式开采地表沉陷预计和煤柱载荷确定的研究工作[1822]。 20 世纪 90 年代末，我国专家赵宏珠教授对印度浅埋煤层长壁工作面矿压显现规律 进行了比较深入的研究[2327]。PV 煤矿工作面埋深 65m，煤层倾角 57，工作面采高为 3m，上覆岩层中基岩厚度约为 40m 砂岩层，表土层厚度约为 3m。通过对工作面矿压实 测得出工作面顶煤、直接顶、基本顶之间都由下到上发生明显的离层现象，沿工作面 倾斜方向，顶板分段断裂并跨落，工作面矿压显现现象为煤壁前方顶底板移近量迅速 增大，采空区地表缓慢下沉。周期来压步距与地表裂缝间距几乎一致。由于支架工作阻 力比较大，因此工作面矿压显现不明显，并根据 PV 矿地质条件和支架与围岩的关系建 立了简单的力学模型。 1997 年中国煤矿机械装备公司向印度某公司出口了 3 套综采成套设备， 这些设备于 1998 年初相继在该公司的下属的 3 个煤矿投入使用， 在工作面回采过程中创立了 “浅埋 深地面爆破综采长壁采煤法” 。地面未爆破时综采工作面矿压显现特征1顶板大周期 来压步距较为稳定，呈大面积来压。2顶板小周期来压步距分布不均。3顶板来压强 度大，来压显现剧烈。4顶板来压速度快，立柱刚性支撑损坏支架。5支架受载及顶 板来压强度分布不均，全工作面支架受载不均。其表现为1后柱受载明显高于前柱； 2工作面中部支架受载高于两端；3工作面中部顶板来压强度高于两端。6大块岩石断 裂转动使支架推向煤壁。7顶板来压同时地表产生裂缝。 综上所述，国外对于浅埋煤层的研究总体上认为浅埋煤层开采上覆岩层的破断直接 波及到地表，支架有动载现象，顶板破断角大，地表下沉速度快，来压明显难以控制， 上覆岩层往往发生台阶下沉。然而，国外文献只对浅埋工作面长壁开采的矿压现象进行 了观察描述，大多数研究在于对矿压显现及地表塌陷现象观测研究和对矿压现象的简单 的力学分析，并未涉及到（近）浅埋煤层工作面长壁开采的矿压显现规律和覆岩移动变 形规律，更没有对（近）浅埋煤层工作面顶板矿压显现机理进行探讨研究。 1.2.2 国内研究现状 在国内，西安矿业学院对于浅埋煤层矿压规律的研究最早，候忠杰教授较为系统全 面地对神府矿区浅埋煤层进行研究。 1990 年， 侯忠杰教授通过对华能精煤神府公司的大 柳塔煤矿 C202 试采工作面的实测研究[28]认识到到煤层埋藏浅并代表工作面矿压显现缓 和，需要对浅埋煤层问题进行研究。随后候忠杰教授对不同条件的浅埋煤层工作面来压 规律和顶板破断机理