银河煤矿“三下”条带开采方案研究.pdf

论文题目银河煤矿“三下”条带开采方案研究 专 业 矿业工程 硕 士 生高治洲 （签名） 指导教师余学义 （签名） 摘 要 榆林银河煤矿井田范围地面保护物数量多、种类繁杂，分布范围广，严重的影响着 银河煤矿的可持续发展，其下压煤开采已成为银河煤矿亟待解决的重大问题。论文针对 地面保护建筑物的类型和银河煤矿煤层埋藏浅、基岩薄、松散层厚度大，开采煤层厚度 大的特点，研究这种条件下条带开采地表的移动变形规律，优化条带开采方案，对于矿 区今后的“三下”开采和持续协调发展具有重要意义。 本文在分析银河煤矿地质、采矿条件，地面保护对象和矿井现有的生产技术、设备 条件的基础上，在首采盘区建立了地表移动观测站，进行了条带开采地表移动观测；通 过观测数据分析，结合数值模拟、相似材料实验研究及理论分析，对比已有条带开采方 案，进一步研究优化银河煤矿条带开采参数；应用煤柱强度理论和概率积分全盆地预计 模拟方法，分析了优化参数后方案的安全可靠性，确定了适合银河煤矿采矿地质条件的 条带开采方案。研究结果表明，优化条带开采参数后的条带开采方案，能够在确保地表 建筑保护设施安全的前提下， 有效提高矿井煤炭资源的采出率， 提高矿井技术经济效益， 同时为榆神矿区今后“三下”开采及留设保护煤柱提供了科学依据。 关 键 词条带开采； “三下”采煤； 参数优化； 数值模拟；煤柱稳定性； 研究类型应用研究 西安科技大学工程硕士学位论文 2 西安科技大学工程硕士学位论文 4 Subject Study on Strip mining s “ Under-Three-Objects “ in Yinhe Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Gao Zhizhou （ （Signature） ） Instructor Yu Xueyi （（Signature） ） Abstract Yulin Yinhe Coal Mining field with numbers, complex types and distribution of a wide range protectors has serious impacted on the sustainable development of Yinhe Coal Mining, which has become a major problem to be solved by the Yinhe coal mine.Paper aim for ground protection of buildings type and Yinhe coal seam buried in shallow thin bedrock loose thickness, the characteristics of mined seam thickness, to study such conditions strip mining of surface movement and deation, optimize the strip mining programhas important significance for the sustainable development of mining area “Under-Three-Objects“ mining realize mine. In this paper, based on the analysis of the Yinhe coal mine geology, mining conditions, protection of objects on the ground, and mine existing production technology, equipment condition, the surface movement observation stations were established in the first mining area of strip mining surface movement observation; through observational dataanalysis, and numerical simulation, experiments and theoretical analysis of similar material, compared to the original strip mining plan further studies to optimize the Yinhe coal strip mining parameters; application of coal pillar strength theory and probability integral basin is expected to analog , analysis of the optimization parametersthe safety and reliability of the program to determine the strip mining for Yinhe coal mining geological conditions.The research results show that the optimization of strip mining strip mining parameters, as well as future Yushen mine“ Under-Three-Objects “ to provide a scientific basis for mining and leaving in protection pillar. Key words Strip mining ； mining under “ three-bodies “； parameter optimization； numerical simulation； ansys of pillar stability Thesis Application Fundament 目录 I 目 录 1 绪论.......................................................................................................................................................................1 1.1 论文研究的背景和意义....................................................................................................................1 1.1.1 论文研究的背景.......................................................................................................................1 1.1.2 论文研究的意义.......................................................................................................................5 1.2 条带开采的国内外研究现状 ..........................................................................................................5 1.2.1 国外研究现状....................................................................................................................................5 1.2.2 国内研究现状....................................................................................................................................6 1.3 条带开采地表移动变形机理与研究方法..................................................................................6 1.3.1 条带开采地表移动变形机理研究现状...........................................................................6 1.3.2 条带开采地表移动变形规律的研究方法......................................................................7 1.4 主要内容与工作...................................................................................................................................7 1.5 技术路线..................................................................................................................................................7 2 矿井地质及开采技术条件...........................................................................................................................9 2.1 矿井地质条件........................................................................................................................................9 2.1.1 矿区概况及地形地貌.............................................................................................................9 2.1.2 矿井地质开采条件..................................................................................................................9 2.1.3 开采煤层覆岩岩性................................................................................................................10 2.2 首采盘区开采技术条件..................................................................................................................12 3 首采盘区开采地表移动观测研究..........................................................................................................13 3.1 地表移动观测的目的.......................................................................................................................13 3.2 观测站布设...........................................................................................................................................13 3.2.1 观测站的设计.........................................................................................................................13 3.2.2 控制点布设方法....................................................................................................................16 3.2.3 测线布设方法.........................................................................................................................16 3.3 条带开采地表移动变形观测成果分析.....................................................................................16 3.3.1 地表移动观测概述................................................................................................................16 3.3.2 地表移动变形稳定后的角值确定...................................................................................16 3.3.3 地表移动变形参数的确定................................................................................................19 西安科技大学工程硕士学位论文 II 3.4 本章小结................................................................................................................................................19 4 合理采留宽相似材料及数值模拟实验研究.......................................................................................20 4.1 相似材料模拟实验...........................................................................................................................20 4.1.1 实验对象..................................................................................................................................20 4.1.2 实验目的..................................................................................................................................20 4.1.3 主要实验仪器、设备..........................................................................................................20 4.1.4 相似条件..................................................................................................................................20 4.1.5 模拟实验方法..........................................................................................................................20 4.1.6 模拟实验数据分析................................................................................................................21 4.1.7 模拟结果..................................................................................................................................26 4.2 数值模拟计算.....................................................................................................................................26 4.2.1 FLAC 简介.................................................................................................................................26 4.2.2 模型的建立...............................................................................................................................26 4.2.3 模拟结果分析..........................................................................................................................27 4.3 条带开采模拟结果分析.................................................................................................................35 4.4 本章小结................................................................................................................................................35 5 开采方案安全可靠性分析.........................................................................................................................36 5.1 条带开采采宽、留宽计算分析....................................................................................................36 5.1.1 条带开采设计的原则...........................................................................................................36 5.1.2 合理的采、留宽及煤柱稳定性确定..............................................................................36 5.2 概率积分法预计分析地表移动变形..........................................................................................39 5.2.1 基本数学模型..........................................................................................................................39 5.2.2 预计计算规则..........................................................................................................................41 5.2.3 计算方案确定..........................................................................................................................41 5.2.4 概率积分法预计计算参数确定........................................................................................42 5.3 开采对保护对象的影响分析.......................................................................................................42 5.3.1 预计计算分析..........................................................................................................................42 5.3.2 地表移动变形对地表建筑设施影响分析....................................................................51 5.4 本章小结................................................................................................................................................52 6 结论与展望......................................................................................................................................................53 6.1 结论.........................................................................................................................................................53 目录 III 6.2 本课题的展望......................................................................................................................................53 致 谢....................................................................................................................................................................55 参考文献...............................................................................................................................................................56 附 录....................................................................................................................................................................59 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文研究的背景和意义 1.1.1 论文研究的背景 榆神矿区银河煤矿井田范围内地表工业建筑设施、民用房屋建筑、河流等保护物数 量众多 、种类繁杂、分布范围广而分散；并且为榆林水资源保护基地。其中还有大量 的输变电线、输气管道、通讯光缆、国道等工业设施及村庄民房等地面保护物。主要为 （1）地表分布有新 110kV、榆神 330 kV、金西 110kV 等 7 条输变电线路，总长度约 35km。 （2）横穿井田中部的二道河流一条。 （3）榆神二级公路、榆神光缆、天然气管道从井田中部穿越，各自长度均超过 5km 长。 （4） 井田中地表还分布有能源化工技术学校、 砖瓦厂、 肉牛场、 锅炉房等建筑设施。 （5）地表有曹家伙场、尤家伙场、刘家伙场、李家伙场、张家伙场、阎家峁、王家 伙场等七个村庄的大量的村民房屋。 根据国家煤炭工业局 建筑物、 水体、 铁路及主要及井巷煤柱留设与压煤开采规程 [1]，矿区中矿区建筑物和构筑物的保护等级划分见表 1.1。在榆林银河井田范围内的首采 盘区地表分布有大量的输变电线、输气管道、通讯光缆、国道等工业设施及村庄民房等 地面保护物，详见图 1.1 和表 1.2 和表 1.3 所示。 表 1.1 矿区建筑物和构筑物的保护等级 保护等级 主要建筑物和构筑物 Ⅰ 国务院命令保护的文物和纪念性建筑；一级火车站，发电厂主厂房；在同一跨度内 有两台重型桥式吊车的大型厂房、平炉、水泥厂回转窑、大型选煤厂主厂房等；特别重 要或特别敏感的、采动后可能导致发生重大生产、伤亡事故的建（构）筑物；铸铁瓦斯 管道干线，大、中型矿井主要通风机房，瓦斯抽放站，高速公路，机场跑道，高层住宅 楼等 Ⅱ 高炉、焦化炉，220kV 以上超高压输电线路杆塔，矿区总变电所，立交桥；钢筋混 凝土框架结构的工业厂房，设有桥式吊车的工业厂房、铁路煤仓、总机修厂等较重大的 大型工业建（构）筑物；办公楼，医院，学校，剧院，百货大楼，二级火车站，长度大 于 20m 的两层楼房和三层以上多层住宅楼； 输水管干线和铸铁瓦斯管道支线； 架空索道， 西安科技大学工程硕士学位论文 2 电视塔及其转播塔 Ⅲ 无吊车设备的砖木结构工业厂房，三、四级火车站，砖木、砖混结构平房或变形缝 区段小于 20m 的二层楼房，村庄砖瓦民房；高压输电线路杆塔，钢瓦斯管道等 Ⅳ 农村木结构承重房屋，简易仓库等 表 1.2 村庄调查成果表 序号 村庄名称 地理位置 面积（m 2） 户数 人口 房屋（间） 1 薛庙滩农场－1 金鸡滩镇薛庙滩 14000 10 49 40 2 薛庙滩农场－2 金鸡滩镇薛庙滩 6600 16 95 102 3 薛庙滩村 金鸡滩镇薛庙滩 135200 120 485 610 4 薛庙滩村一组 金鸡滩镇薛庙滩 12600 4 15 20 5 薛庙滩村二组 金鸡滩镇薛庙滩 15400 8 35 32 6 薛庙滩村三组 金鸡滩镇薛庙滩村 71600 35 175 260 7 海流滩村 金鸡滩镇海流滩村 72000 35 270 176 8 海流滩农场 金鸡滩镇敦梁 7200 28 19 9 敦梁村 金鸡滩镇敦梁村 9500 2 8 8 10 上河村张家伙场 金鸡滩镇上河村 78000 13 65 78 11 树沙梁村 金鸡滩镇树梁沙 85400 6 27 103 12 榆林云龙化工厂 金鸡滩镇树梁沙 33250 13 东风煤矿（3） 金鸡滩镇树梁沙 25900 14 树梁沙八组 金鸡滩镇树梁沙 13950 126 370 850 15 东风煤矿（2） 金鸡滩镇树梁沙 54100 16 东风煤矿（1） 金鸡滩镇树梁沙 14400 17 树沙梁村九组 金鸡滩镇树梁沙 17100 18 88 82 18 金鸡玻璃厂 金鸡滩镇树梁沙 13750 19 上河村 金鸡滩镇上河村 195000 25 112 162 20 陕西省田径训练基地 金鸡滩镇上河村 49200 21 上河村王家伙场 金鸡滩镇上河村 10500 43 187 215 22 飞虎肉牛厂 金鸡滩镇上河村 24000 23 上河村五组（1） 金鸡滩镇上河村 57600 32 148 165 24 上河村五组（2） 金鸡滩镇上河村 38400 33 153 171 25 金鸡滩锅炉厂 金鸡滩镇上河村 3850 1 绪论 3 26 布尔山羊养殖厂 金鸡滩镇上河村 22900 27 上河村六组 金鸡滩镇上河村 52800 32 143 238 28 榆阳区三愚公司 金鸡滩镇上河村 147000 表 1.3 首采盘区地表主要建构筑物及保护等级表 主要建构物 数量 保护等级 备注 榆神 330 kV 高压输变电线路/趟 110 kV 高压输变电线路/趟 110 kV 以下输变电线路/趟 110/35/10 kV 变电站/座 学校/座 肉牛场/座 大明布尔山羊养殖场/座 村庄/座 榆神二级公路/条 榆神光缆/ 天然气管道/趟 二道河/条 1 3 4 1 2 1 1 8 1 1 1 1 Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅱ 规程未对保护 等级进行划分 银河煤矿井田地面保护建（构）筑物种类复杂，数量多，分布广，很难进行搬迁开 采， 而银河矿井开采煤层埋藏较浅、 基岩比较薄、 松散层厚度较大， 开采煤层厚度大 （采 高 4m）。在这样的地质及开采条件下，如果采用传统的长壁垮落法开采此煤层，那么 地表最大移动变形利用极值公式进行计算可知 [2] max w3250mm； max U850mm； max ε 13mm/m； max i33mm/m； max K0.48810 -3/m。这种地表移动变形将会使得地 面建筑物设施以及房屋等保护物受到严重的损坏（达到Ⅳ级以上破坏程度）。地表沉陷 损坏将表现为台阶裂缝、塌陷坑等特征的非连续移动变形破坏，开采后地表建筑设施将 严重受损。同时除了井田范围有大量的建（构）筑物需要保护之外，银河煤矿井田开采 范围也属于榆林市水源保护区，如采用长壁全冒管理顶板开采方法，必将破坏第四纪莎 拉乌苏组含水层。为此，矿井开采前期通过技术论证，在目前矿井生产技术及设备条件 下，不适合长壁全冒管理顶板开采方法，因而矿井在首盘区采用条带开采方法开采。 条带开采的采宽、留宽确定是关键技术。开采宽度太大，留设宽度太小，可能引起 地表波浪起伏而导致建筑物受损；开采宽度太小，留设宽度太大，采出率低，浪费资源。 因而银河煤矿首盘区条带开采的采留宽是否合适，有必要结合已经开采地表观测情况进 行进一步研究，实现在保证地面保护设施的安全的前提下，最大限度提高资源采出率。 西安科技大学工程硕士学位论文 4 703 80 40 s s 608640 4040 502525180124 2525 100 1276 100 573 冲 刷 新110KV高压输变电线路 9 -2 4 -2 4 9 曹 家 伙 场 刘家伙场 尤家伙场 王家伙场 小庙 5 线 界 5 天 然 气 管 道 罗家圪塔 二 道 河 榆 神 光 缆 灰场管理站 110KV 110KV 330KV 4-2 5 阎家峁 9 100 5062 s s 521 554 521 554 16 4040 652 678 268 138 110KV 4-2 4-2 光 榆 气 二 公 路 级 神 330KV 5 110KV 光 气 5 -2 4 路 铁 5 神 延 110KV 4040 图 1.1 榆林银河井田地表建筑保护设施分布 1 绪论 5 1.1.2 论文研究的意义 银河煤矿井田范围内地面保护设施复杂多样，分布广而分散。论文在分析银河矿井 地质、开采条件的基础上，在首采盘区建立了地表移动观测站，对首采盘区条带开采地 表移动变形规律进行观测研究，同时结合相似材料模拟试验、数值模拟计算方法进行综 合分析研究，其研究成果为保证银河煤矿地表建筑设施的安全、控制浅埋煤层厚松散层 条件下顶板大面积灾变灾害发生，最大限度的回收煤炭资源，提高矿井技术经济效益均 具有重的应用与研究价值，同时能够为榆阳矿区今后“三下”开采及留设保护煤柱也提 供科学依据。 1.2 条带开采