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论文题目屯宝煤矿综放开采顶煤弱化研究 专 业采矿工程 硕 士 生沈 超 （签名） 指导教师邓广哲 （签名） 摘 要 煤体注水弱化技术是改善坚硬厚（高瓦斯）顶煤冒放性、处理坚硬顶板、防治冲击 矿压、改善煤层透气性和防治煤与瓦斯突出等的有效技术途径，是一项煤矿安全高效开 采的保障技术，具有安全、环保、高效、经济等优点。合理的注水参数是煤层注水措施 取得良好弱化效果的关键，因此研究合理的注水参数不仅可以有效的提高回收率，还可 以最大限度的节省人力物力，实现安全、高效的目的。 本文采用理论分析、数值模拟和现场试验等研究方法对屯宝煤矿坚硬顶煤的注水弱 化技术进行了较为系统的研究，所做的主要工作及结果如下 （1）利用相似材料模拟分析了屯宝煤矿上覆岩层垮落过程及变形破坏过程。 （2）缓倾斜煤层开采顶煤垮落形态沿工作面倾斜方向呈不对称拱形特征，当工作面 长度一定时，夹矸厚度、顶煤强度、开采高度等是顶煤最大断裂高度（∑hmax） 、最大断 裂高度距工作面下端出口距离（x0）的主要影响因素，各因素对∑hmax影响程度依次为 夹矸厚度顶煤强度采煤高度；对 x0的影响程度依次为顶煤强度夹矸厚度采煤高 度。 （3）提出和实施了缓倾斜煤层综放工作面顶煤超前预注水弱化技术，优化了注水工 艺和参数。 （4）坚硬顶煤弱化的注水现场试验表明，煤层注水弱化了煤体的整体力学性能，顶 煤破碎块度明显降低，工作面回采率提高了 19，原煤产量增加 320t/d，粉尘浓度降低 27％，抑制了煤自然发火。 关 键 词坚硬顶煤；弱化；数值模拟；注水参数 研究类型应用研究 Subject Research on Weakening technology of Top-coal Caving Mining of Tun Bao mine Specialty Mining Engineering Name Shen Chao （（Signature）） InstructorDeng Guangzhe （（Signature）） ABSTRACT The weakening technology of coal injection is an effective technical way to improve the caving of hard thick gas top-coal, treat the hard roof, prevent the rock burst, improve seam permeability and prevent the outburst of coal and gas, is a safe and efficient security technology of coal mine exploitation, with the advantages of safety, environmental protection, efficiency, economy. Reasonable water injection parameters are the key of a good weakening effect which the water injection of coal seam takes. The research on reasonable water injection parameters can not only effectively improve the recovery rate, it also save manpower and material resources to achieve safe and efficient purpose. Studied by orthogonal test, theoretical analysis, numerical simulation and field trials and other research s Tun Bao mine hard top-coal injection weakening technology for a more systematic study, the major work done and the results are as follows 1 The use of similar material simulation analysis Tun Bao mine overburden caving process and the deation and failure process. 2 Gently inclined seam longwall top coal caving along the face tilt direction was asymmetric arched characteristics, in face length under certain conditions, the angle of coal seam top coal strength, mining height is the roof fracture height Σhmaxmaximum breaking height from the the face lower exports distance of x0 the main factors of various factors on the impact of Σhmax angle of coal seam top coal strength coal mining height; x0 degree of influence top coal strengthstrata dip coal mining height. 3 Proposing and implementing a steep seam fully mechanized caving face top coal weaken ahead of pre-injection technology to optimize the injection process and parameters. 4 Weakening tests of hard top-coal the coal have shown that,water injection weakens the whole mechanical property of coal mass and reduces the size of top-coal broken and increases recovery ratio of top coal by 19 ,the production of raw coal 320t/d. It can reduce 23 of dust concentration，and suppress coal spontaneous combustion. Key wordsHard top coal; Weakening; Numerical simulation; Water injection parameter Thesis Application Research 目 录 I 目 录 1 绪论...................................................................................................................................1 1.1 论文选题的背景和意义...........................................................................................1 1.1.1 选题的背景.....................................................................................................1 1.1.2 选题的意义.....................................................................................................2 1.2 本课题研究的现状...................................................................................................2 1.2.1 综放开采难冒煤层开采技术发展现状..........................................................2 1.2.2 水力致裂应用国内外研究现状......................................................................1 1.2.3 煤层注水弱化国内外研究现状.....................................错误错误未定义书签未定义书签。。 1.3 本文的主要工作 ......................................................................................................8 1.3.1 研究目标 ........................................................................................................8 1.3.2 研究内容 ........................................................................................................8 1.3.3 技术路线 ........................................................................................................9 2 屯宝煤矿 1192 工作面相似模拟研究 .............................................................................10 2.1 相似材料模拟实验.................................................................................................10 2.2 相似材料模型........................................................................................................11 2.3 1100 相似模拟实验................................................................................................12 2.4 实验结果分析........................................................................................................14 2.4 本章小结................................................................................................................16 3 缓倾斜煤层综放开采影响因素分析...............................................................................17 3.1 计算方法................................................................................................................17 3.2 计算参数................................................................................................................21 3.3 实验方案................................................................................................................23 3.4 数值计算模型........................................................................................................23 3.5 数值模拟结果........................................................................................................25 3.6 数值模拟结果分析.................................................................................................27 3.6.1 单因素极差分析...........................................................................................27 3.6.2 多因素回归分析...........................................................................................30 3.7 本章小结................................................................................................................32 4 屯宝煤矿综放开采顶煤应力分布规律研究....................................................................33 4.1 工作面应力分布特征数值模拟 .............................................................................33 4.1.1 三维数值计算模型.......................................................................................33 4.1.2 数值计算参数的确定...................................................................................33 目 录 II 4.1.3 计算本构方程...............................................................................................34 4.1.4 原始地应力的确定.......................................................................................34 4.1.4 工作面倾向应力分布规律 ...........................................................................35 4.1.5 工作面走向应力分布规律 ...........................................................................36 4.1.6 工作面两巷不同位置应力分布....................................................................39 4.2 围岩位移分布数值模拟.........................................................................................41 4.2.1 注水前位移分布特征...................................................................................41 4.2.2 注水后位移分布特征...................................................................................42 4.3 围岩塑性区分布数值模拟.....................................................................................44 4.3.1 顶煤注水前塑性区分布特征........................................................................44 4.3.2 顶煤注水后塑性区分布特征........................................................................46 4.6 本章小结.................................................................................................................49 5 煤层注水现场试验应用 ..................................................................................................50 5.1 屯宝煤矿基本条件.................................................................................................50 5.2 试验工作面基本情况.............................................................................................50 5.3 煤层注水弱化的钻孔布置参数 .............................................................................51 5.4 煤层注水参数及系统的设计..................................................................................52 5.4.1 煤层注水参数的设计...................................................................................52 5.4.2. 煤层注水系统..............................................................................................54 5.5 项目现场实施情况.................................................................................................55 5.6 工作面放煤效果分析.............................................................................................56 5.7 本章小结................................................................................................................60 6 结论.................................................................................................................................61 致 谢 ...........................................................................................................................62 参考文献..........................................................................................................................63 附 录 .............................................................................................................................67 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文选题的背景和意义 1.1.1 选题的背景 据 2008 中国可持续发展战略报告 ， 到 2010 年煤炭在一次性能源生产和消费中将 占到 70％左右；到 2050 年，煤炭所占的比例不会低于 50％。煤炭将在相当长一段时间 内仍然是主要能源，煤炭工业在国民经济中的基础地位具有不可替代性[1]。 综放开采过程中，顶煤在矿山压力、煤体自重、上分段残留煤与矸石重量及支架反 复支撑的共同作用下破坏、垮落形成松散无规则的块体堆，但遇到煤层硬度系数大于 1 以上的特厚煤层时，矿山压力较为缓和，仅靠上述作用不足以使硬度较大的顶煤破碎程 度达到放出要求，顶煤的自然跨落困难，放顶煤回收率也将随之下降[2]，需要对顶煤进 行人工预先弱化处理来解决。 煤体注水弱化技术是依据地压变化的基本规律和煤体地应力与节理分布特征，以压 力水源为诱导，充分利用煤体地应力场分布及其裂隙扩展作用为条件，通过动、静压力 水力致裂形成裂隙扩展和渗流传压作用，在顶煤中预先形成符合一定要求的破裂带，并 通过物理化学作用软化煤体，改变顶煤的整体结构和力学特性；之后，依靠矿山压力和 支架的反复支撑对顶煤不同部位的破碎作用，实现整个煤体的及时垮落和符合要求的破 碎块度，提高顶煤冒放性；同时避免顶板煤冲击压力倾向，延长支架使用寿命，提高 生产安全性[3]。 首先，对坚硬顶煤的弱化可以改善顶煤的冒放性，顶煤的破坏和运移对支架的冲击 荷载减小，顶板的冲击矿压的危害以及顶煤垮落的块度减小，从而提高了回收率； 其次，通过注水弱化煤体，可以提高煤的含水率,从而降低了粉尘浓度； 再次，随着注水弱化后裂缝的破裂及扩展，其与原生裂隙和钻孔相连通； 最后，水具有吸热降温抑制煤炭氧化的作用，并且水对已经氧化自热升温的煤炭具 有散热冷却的作用，对综放开采采空区遗煤的自燃具有抑制作用。 高压注水弱化技术在坚硬顶煤的综放开采中具有明显的优点 （1）安全有利于瓦 斯的释放，降低了煤尘，防止了冲击地压和煤层自燃的发生； （2）环保能够降低放顶 煤及采煤过程中工作面的煤尘与其他有害气体的浓度； （3）高效工艺虽然比较简单， 但弱化的效率高； （4）经济成本低廉，并且能够与工作面生产平行作业，取得了很好 的经济效益。高压注水弱化技术在我国预防矿井动力灾害、防治煤与瓦斯突出、综放工 作面坚硬顶煤弱化方面得到了广泛的应用[4]。 西安科技大学硕士学位论文 2 1.1.2 选题的意义 由于综放开采中坚硬顶煤的存在，从而使顶煤的放出率大大的降低，工作面后方顶 板的悬露面积变大，容易出现采空区瓦斯超限和冲击地压等灾害事故。在综放开采中放 顶煤的安全高效性受坚硬顶煤的制约，所以我们有必要预先弱化坚硬顶煤。高压注水弱 化技术对弱化顶煤是非常有效的，可以改善坚硬特厚顶煤的冒放性、处理坚硬顶板、防 治冲击矿压、改善煤层透气性和防治煤与瓦斯突出，是一项煤矿安全高效开采的保障技 术；有利于放顶煤采出率的提高，有利于采空区安全性的提高，有利于整体经济效益的 提高。对坚硬顶煤的注水弱化机理研究，能够更好的完善煤体致裂软化理论，更能对现 场的注水弱化实践起到指导作用。 神新公司屯宝煤矿煤层为坚硬煤层， 由于顶煤坚硬 （煤 层局部硬度系数在 2 到 3 之间）冒放困难，因此研究屯宝煤矿坚硬顶煤注水弱化技术和 注水参数对解决该矿难冒放问题以及采出率的提高具有重要的意义。 1.2 本课题研究的现状 1.2.1 综放开采难冒煤层开采技术发展现状 宋选民、康天合、靳钟铭等从顶煤冒放性影响因素出发，运用传统的岩石力学观点 和现代分形力学理论， 结合现场观测和相似模拟实验研究， 辅之以正交有限元辅助试验， 系统全面地研究了顶煤冒放性和诸多影响因素的相关变化规律，并给出了诸影响因素的 临界值范围[5]。 康天合，宋选民，弓培林提出提高坚硬顶煤的冒放性，是坚硬煤层开采所面临的主 要技术难题之一[6]。 研究坚硬顶煤软化技术， 应该遵循顶煤冒放性的三因素评价标准（1） 基于煤层的自然条件，对综放的可行性进行粗略的估计，以此对顶煤的冒放性由一个大 致的了解； （2）将煤层的埋藏条件与实际的工程背景相结合，并考虑采取某些工艺上的 辅助破煤措施后，对顶煤的冒放性进行预测，至此，仅考虑技术上的可行性； （3）根据 第（2）层的分析，需对顶煤进行预处理，包括提高顶煤冒放性所进行的工程项目的合理 性，这时除了进行技术上的分析外，还应进行经济合理性的比较，最终形成对综放开采 可行性的综合评价。 曲民强、康天合、靳钟铭等运用相似材料模型试验，提出了顶煤冒放的桥拱式、半 拱式和柱式 3 种结构特征[7]；分析了影响顶煤冒放性的主要因素；运用数值方法得出了 各因素的影响规律、主次排序和权重；基于模糊数学理论，提出了预测顶煤冒放性的分 类方案。并运用全国 29 个主采煤层的分类结果验证了分类方案的正确性和实用性。 范世民、胡学军，杜正虎分别运用动态模糊聚类方法，以煤层强度、赋存深度、节 理裂隙发育程度、夹矸厚度、采空区充满程度、老顶级别、采放比等不同因素按模糊最 1 绪论 3 大隶属度原则综合评价顶煤冒放性。建立了模糊聚分析方法的数学模型，对顶煤冒放性 的模糊聚类分析进行运算，并分别对潞安矿区、彬长矿区的顶煤冒放性进行研究[8,9]。 闫少宏，尹希文对大采高综放开采主要基础理论问题，如大采高综放开采工作面参 数的确定、 煤壁片帮冒顶机理与防治、 提高工作面煤炭采出率、 大断面高煤帮巷道支护、 围岩活动规律与特种综放支架研发进行了探讨,以期推动这一技术的发展[10]。 目前，对坚硬顶煤的开采主要是对顶煤进行预先弱化处理，所采用的技术主要包括 深孔预爆破和煤层注水弱化。1997 年起邓广哲教授等人对坚硬煤层水力致裂综合技术 在现场进行了长期的系统研究[11-15]，并在实践中成功推广。1997～2002 年铜川矿务局 分别在下石节煤矿、陈家山煤矿、玉华煤矿等三个低位支架放顶煤工作面分别进行了长 期的水力致裂试验研究，取得工作面原煤生产能力增长 20以上的成功记录。2001 年 又对顶煤水力致裂条件下放顶煤支架选型设计与矿压作用规律进行了大范围研究。 2004 年对坚硬煤体预裂中存在的问题，采用地应力场控制下水压致裂的方法，通过来自铜川 矿区的九块大型煤块试件，研究了水压裂缝扩展行为的控制参数。在此基础上对水压裂 缝的形成、扩展与煤体渗透性改变、水压作用的关系，进行了系统的试验研究。克服了 常规小试件试验的局限性， 建立了起始渗透压力和最大破坏压力与煤样裂缝扩展变化过 程的对应关系，研究了水压裂缝破坏煤体结构的力学机制，为解决煤岩体介质材料中水 压裂缝扩展行为的控制提供了科学依据。 伍永平，李开放，张艳丽利用相似材料模拟和 RFPA 数值模拟方法研究了坚硬顶板 超前预爆破顶板弱化技术[16],分析了不同顶板特性条件下综放开采引起覆岩结构变化的 过程,得出覆岩冒落特征并总结了综采工作面矿压显现规律、工作面超前支承压力的分 布形态及其发展变化趋势。在此基础上,得到超前预爆破顶板弱化技术能有效地解决坚 硬顶板冲击矿压危害,有助于综放安全、高效开采和提高煤炭资源的回收率。 1.2.2 水力致裂应用国内外研究现状 水力致裂理论及技术是由于石油和天然气的开采而迅速发展起来的，之后，这一技 术被广泛应用于其它工程领域。水力致裂法最初的发展是单纯用水作为压裂介质，在设 定的钻孔封隔段内，岩体在高压水的作用下发生破裂，这种破裂形成的裂缝是沿岩体中 最小抵抗线方向，而产生的岩体裂隙一般是垂直于最小主应力方向的两条径向裂隙。而 近期的发展，则是以控制裂隙数目为目的的工艺技术[3]。 在1957年M.K休伯特和D.G费尔赫斯特讨论了水压致裂产生的张破碎合应力场的 关系[17]。 夏德格、凯尔、赫尔菲斯特和海姆森等对水压致裂法应力测量原理进一步做了研究 和探讨，把水力致裂模型简化为具有圆孔的无限大平板在两水平应力作用下的问题， 西安科技大学硕士学位论文 4 采用弹性力学解答，对水力致裂进行分析[18 ,19]。 邓广哲教授在 2004 年出版了煤岩体致裂软化理论与应用 ，通过对水力致裂方法 的长期研究与现场实验，总结出适合含瓦斯煤层水力致裂理论与技术体系。指出煤层致 裂软化理论的原理是充分利用地应力条件， 以注水软化增加顶煤破坏裂缝的数目和控制 其裂缝发展的形态为主要特征，通过压裂和物理化学软化作用，达到软化煤体、改变顶 煤的整体结构和力学特性，实现预先弱化顶煤的目的[4]。 邓广哲教授运用水压致裂法和 Griffith 理论，对地应力场中水压诱致岩体孔壁裂缝 扩展的过程进行了分析，将孔隙压力作用下孔壁裂纹的扩展过程分为 3 个阶段，即孔壁 破裂、第二次扩展、第三次破裂扩展阶段，且不同的破裂阶段分别对应着不同的水力压 力。分析了含内压裂纹的扩展压力与原始地应力场及围岩力学特性的关系，随着岩体埋 深由浅至深的逐渐增加， 水力致裂圆孔的孔壁破裂压力变化由2个阶段过渡为3个阶段， 且存在一个钻孔位置的临界埋深[4 ,20]。 邓广哲教授在 2001 年对坚硬顶煤中存在的问题，采用地应力场控制下水力致裂的 方法，研究了煤层地应力控制参数，在此条件下对顶煤中封闭型裂隙扩展与地应力、水 压力作用的关系进行了宏、细观分析，依据能量原理，建立了裂隙煤体水力致裂条件的 物理判别式，并给出了煤体表面能的测定方法[21]。 邓广哲教授、黄炳香、石增武在分析和研究坚硬煤体水力致裂技术的基础上，根据 陈家山矿煤层的具体条件，依据煤体水力致裂技术原理，确定注水参数，选择煤层注水 方案。有效地软化了陈家山矿坚硬顶煤，煤块度明显下降，顶煤回收率提高了 23，为 坚硬厚煤层软化设计提供了依据[22]。 潘一山等研究了岩石含水量对断层-围岩系统稳定性及冲击地压对韧性断层变形的 影响。指出含水量不仅影响岩石强度，也对应力-应变曲线软化阶段的斜率有影响。基 于梯度塑性理论和水致弱化函数，得到了剪切带内部的塑性剪切应变、总剪切应变及塑 性剪切位移的分布规律。研究结果表明随着岩石含水量的增加，塑性剪切应变降低， 塑性剪切位移降低；含水量越大，则弹性阶段越短，耗散势能越小，外力功越小，断层 岩爆释放的弹性能量也越小； 岩石的含水量增加， 则断层-围岩系统不容易发生失稳[23]。 王学滨、潘一山研究了在平面应变压缩条件下，采用 FLAC 模拟了围压存在时孔隙 压力对具有初始随机材料缺陷的岩石的破坏过程、 前兆及声发射的影响[24]。 密实的岩石 服从莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则， 破坏之后呈现应变软化的理想的塑性行 为，缺陷在破坏之后经历理想塑性行为。在孔隙压力存在时，缺陷在施加轴向速度之前 就发生了破坏。当施加轴向速度后，声发射累积数先保持恒定，然后由于缺陷的长大， 声发射累积数发生了少量的突增。经历了一段短暂的平静之后，由于短剪切带聚合成长 剪切带，声发射累积数发生了大量的突增，穿越应力峰值。之后，仅有零星声发射活动， 试样处于平静的残余变形阶段。随着孔隙压力的增加，达到应力峰值时的声发射累积数 1 绪论 5 试样处于平静的残余变形阶段。随着孔隙压力的增加，达到应力峰值时的声发射累积数 提高， 应力峰值附近的声发射活动变得强烈， 达到残余变形阶段时的声发射累积数提高。 出现在软化阶段的最大失衡力的峰值随着孔隙压力的增加而降低。 Daneshy 用岩石与流体相互作用的方法，分析了节理方向与主地应力方向重合及斜 交的情况，重合时预测的结果和经典水力致裂理论相符。当节理方向与主应力方向旋转 30时，并且注入水进行压裂，发生两种类型的破碎。当阻止剪切滑动的摩擦力较小或 者剪切引起的扩张度较大时，只有单个裂隙发生破碎，而伴随着高剪切应力或者小张开 度，则发生多节理破碎，沿节理的剪切滑落伴随着剪应力的下降，并且这样剪应力与地 应力相互作用， 导致节理沿着垂直与最大主应力的方向张开， 发生树枝状的节理破碎[25]。 黄炳香、 刘长友分析了裂隙水压力对裂隙煤岩体的结构改造效应及宏观力学性能的 影响，在现场调研煤岩体原生节理裂隙分布形态