鱼田堡煤矿下保护层开采保护范围划定物理相似模拟研究.pdf

鱼田堡煤矿下保护层开采保护范围划定 物理相似模拟研究 重庆大学硕士学位论文 （专业学位） 学生姓名黄琪 指导教师王宏图教 授 兼职导师覃世福高 工 学位类别工程硕士（矿业工程领域） 重庆大学资源及环境科学学院 二 O 一七年四月 万方数据 Study on the Protection Scope of Protective Layer of Yutianbao Coal Mine Based on Physical Similar Simulation AThesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Professional Degree By Huang Qi Supervised by Prof.Wang Hongtu Pluralistic Supervised by Sen. Eng. Qin Shifu Specialty MEMining Engineering Field College of Resources and Environmental Science of Chongqing University , Chongqing, China April, 2017 万方数据 重庆大学硕士学位论文中文摘要 I 摘要 我国的煤层常以煤层群的形式出现，煤炭开采常常伴随着瓦斯突出的危险， 保护层开采作为目前一种有效的安全开采技术，是目前最为有效的区域防突措施。 依据保护层开采作用机理，保护层开采研究工作的关键在于保护范围的划定。 本论文依托鱼田堡煤矿工程实际背景，首先进行相似材料三因素四水平对相 关物理力学性质影响的正交试验，再利用试验结论对鱼田堡煤矿下保护层开采保 护范围划定进行了物理相似模拟试验研究，通过测点的膨胀变形量来进行下保护 层开采保护范围划定。然后通过现场考察试验得到矿井实际下保护层保护范围， 再将实验数据与现场数据加以比较分析。本论文取得的主要研究结果和结论如下 （1）采用三因素四水平正交试验对相似材料的物理力学性质进行研究，确定 了沙胶比、密度和残余含水量对相似材料的物理力学性质影响的程度；研究结果 表明沙胶比对单轴抗压强度和弹性模量的影响效果最显著，残余含水量对泊松 比的影响最大；根据研究结果和工程实际的地层条件，通过调整三因素参数得到 了满足物理相似条件的相似材料，为下保护层开采物理相似模拟试验奠定了基础。 （2）利用了相似材料配比试验的结果，得到鱼田堡煤矿模拟地层相似材料， 并进行了倾向开挖相似模拟试验，得到了开挖后下保护层采空区上覆岩层膨胀变 形的状态和模型垮落稳定后出现的“三带”特征。 （3）通过相似模拟试验测得的测点应力和应变值，得到下保护层开采应变曲 线图和保护范围划定的卸压角，即上山方向卸压角为 92，下山方向卸压角为 74。 （4）在鱼田堡煤矿现场进行了考察，确定了 5煤层下保护层的上山方向卸压 角为 88，下山方向卸压角为 73.4；将相似模拟实验划定结果与现场考察划定结 果进行对比，得到的保护范围基本一致，说明了通过室内物理相似模拟试验来划 定保护范围是可靠的。 通过对相似材料不同因素不同水平的正交试验得出的对相似材料相关物理力 学性质的影响规律较准确，并且利用这个规律来进行了配比大型相似模拟实验材 料，能提高大型相似模拟试验的准确性。 关键词关键词保护层开采，相似模拟，相似材料，保护范围，卸压角 万方数据 重庆大学硕士学位论文英文摘要 II ABSTRACT Chinas coal seam is often in the of coal seams, coal mining is often accompanied by the danger of gas outburst, protective layer mining as an effective safety mining technology, is the most effective regional outburst measures.According to the protective layer of mining mechanism, the protective layer of mining research is the key to the scope of protection. Based on the actual background of the Yutianbao coal mine project, the orthogonal test of the influence of the three factors and four levels on the physical and mechanical properties of the similar material is carried out. The re-use test conclusion is applied to the physical protection Similar simulation test study, through the measurement of the amount of deation of the deation of the protective layer to protect the scope of protection.And then through the field inspection test to get the protection of the mine under the protective layer, and then the experimental data and field data to be compared analysis.The main results and conclusions of this paper are as follows 1 The physical and mechanical properties of similar materials were studied by three-factor four-level orthogonal test, and the degree of influence of sand ratio and residual water content on the physical and mechanical properties of similar materials was determined. The results show that the sand- The influence of compressive strength and elastic modulus is the most significant, and the residual water content has the greatest influence on Poissons ratio. According to the results of the study and the actual ation conditions, the similar materials with similar physical conditions are obtained by adjusting the three factors, Which laid the foundation for the physical similar simulation test of the lower protective layer. 2 Using the results of similar material ratio test, the similar materials of simulated strata in Yutianbao coal mine are obtained and similar simulation tests are carried out. The expansion and deation of overburden in the goaf of the lower protective layer after excavation are obtained State and model collapse after the stability of the “three bands“ features. 3 The stress and strain values of the measuring points measured by similar simulations are obtained. The stress curve and the relief angle of the protective layer are obtained. The unloading angle is 92 in the uphill direction and the unloading angle Is 74 . 万方数据 重庆大学硕士学位论文英文摘要 III 4 In the field of Yutianbao coal mine, the unloading angle of the protective layer in the 5 coal seam was 88 , and the unloading angle in the downhill direction was 73.4 . The results of the similar simulation experiment were investigated. The results are compared, and the protection range is basically the same, which shows that the protection range is reliable by the indoor physical similar simulation test. The influence of similar materials on the physical and mechanical properties of similar materials is more accurate by orthogonal test of different materials at different levels of similar materials, and this is used to compare large-scale similar simulation experiment materials, which can improve the large-scale similar simulation test KeywordsProtectiveLayerMining,SimilarSimulation;SimilarMaterial;Relief Angle;Protection Range 万方数据 重庆大学硕士学位论文ABSTRACT IV 目录 中文中文摘要摘要............................................................................................................................................I 英文摘要英文摘要...........................................................................................................................................II 1 绪绪论论........................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景研究背景.................................................................................................................................1 1.2 研究意义研究意义.................................................................................................................................1 1.3 保护层开采的保护范围划定研究现状保护层开采的保护范围划定研究现状................................................................................2 1.3.1 保护层开采及保护范围划定理论............................................................................2 1.3.2 保护层开采中保护范围划定国内外研究现状........................................................2 1.4 主要研究内容、方法及技术路线主要研究内容、方法及技术路线.........................................................................................3 2 物理相似模拟试验理论物理相似模拟试验理论......................................................................................................5 2.1 物理相似模拟试验优点物理相似模拟试验优点........................................................................................................5 2.2 相似三定律相似三定律............................................................................................................................. 5 2.3 物理相似模拟试验相似条件物理相似模拟试验相似条件.................................................................................................6 2.4 本章小结本章小结.................................................................................................................................7 3 相似材料物理力学性质正交试验研究相似材料物理力学性质正交试验研究.....................................................................8 3.1 正交试验方案设计正交试验方案设计................................................................................................................8 3.1.1 正交试验法................................................................................................................8 3.1.2 相似材料的选择.........................................................................................................9 3.1.3 正交实验因素及水平的确定.....................................................................................9 3.2 各因素水平控制各因素水平控制...................................................................................................................10 3.2.1 残余水分的控制......................................................................................................10 3.2.2 试件密度的控制...................................................................................................... 11 3.2.3 沙胶比的控制..........................................................................................................12 3.3 试验装置和仪器试验装置和仪器..................................................................................................................12 3.4 试验过程试验过程............................................................................................................................... 13 3.5 正交试验结果及分析正交试验结果及分析..........................................................................................................19 3.5.1 试验结果总体分析..................................................................................................19 3.5.2 各因素敏感性分析..................................................................................................22 3.6 本章小结本章小结.............................................................................................................................. 27 4 相似模拟试验相似模拟试验.........................................................................................................................28 4.1 试验目的试验目的.............................................................................................................................. 28 万方数据 重庆大学硕士学位论文ABSTRACT V 4.2 鱼田堡煤矿概况鱼田堡煤矿概况...................................................................................................................28 4.2.1 地理位置..................................................................................................................28 4.2.2.矿区交通...................................................................................................................28 4.2.3 矿井生产布局情况...................................................................................................28 4.2.4 矿井储量、可采煤层数量及厚度...........................................................................28 4.2.5 开拓方式、开采方法...............................................................................................29 4.3 相似模型试验设计相似模型试验设计..............................................................................................................29 4.3.1 试验设计背景...........................................................................................................29 4.3.2 相似模拟参数确定...................................................................................................29 4.3.3 相似材料的配比确定...............................................................................................30 4.4.1 模型的建立..............................................................................................................31 4.4.2 实验开挖及数据监测..............................................................................................33 4.5 相似模拟试验结果分析相似模拟试验结果分析.......................................................................................................33 4.5.1 图像分析...................................................................................................................33 4.5.2 数据分析...................................................................................................................37 4.6 本章小结本章小结.............................................................................................................................. 39 5 现场考察现场考察....................................................................................................................................41 5.1 现场考察方法及参数的选择现场考察方法及参数的选择..............................................................................................41 5.2 现场倾向考察钻孔布置现场倾向考察钻孔布置......................................................................................................42 5.3 现场试验考察参数的测定现场试验考察参数的测定...................................................................................................42 5.3.1 煤层瓦斯压力的测定...............................................................................................42 5.3.2 钻孔自然瓦斯流量的测定.......................................................................................44 5.3.3 煤层透气性系数的测定..........................................................................................44 5.4 现场试验考察参数的测定结果及分析现场试验考察参数的测定结果及分析..............................................................................45 5.4.1 被保护层 4煤层瓦斯压力测定结果及分析.........................................................45 5.4.2 被保护层 4煤层钻孔瓦斯流量测定结果及分析.................................................46 5.4.3 被保护层 4煤层透气性系数及变化规律.............................................................46 5.5 现场考察现场考察 5煤层开采对煤层开采对 4煤层保护范围的划定煤层保护范围的划定.............................................................47 5.6 本章小结本章小结.............................................................................................................................. 47 6 结论及展望结论及展望...............................................................................................................................48 6.1 结论结论.......................................................................................................................................48 6.2 展望展望.......................................................................................................................................49 致致谢谢......................................................................................................................................... 50 参考文献参考文献......................................................................................................................................... 51 万方数据 重庆大学硕士学位论文目录 VI 附附录录......................................................................................................................................... 54 A. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目.......................................................................54 万方数据 重庆大学硕士学位论文摘要 1 1 绪论 1.1 研究背景 煤是大自然赠予人类的宝贵物质资源财富，是社会发展和国民经济的重要物 质基础，煤炭是我们国家的主要能源，在能源生产和消费中占有很大的比例，并 且在短时间内这一现状不会被改变。 我国煤炭储量丰富， 根据国土资源部编制发布的 中国矿产资源报告 （2016） ， “十二五”期间，煤炭、天然气、锰矿、铝土矿、镍矿、钨矿、钼矿、金矿和磷矿等 重要矿产查明资源储量增长非常明显，其中煤炭查明资源储量增长 16. 8％。而在 消费方面，中国是世界上第一大能源生产和消费国，“十二五”期间，一次能源生产 总量为 177. 2 亿吨标准煤，较“十一五”增长 28. 0％ ；消费总量为 206. 2 亿吨标 准煤，增长 27. 7％。2015 年一次能源生产总量为 36. 2 亿吨标准煤，消费总量为 43. 0 亿吨标准煤， 能源自给率为 84. 2％[1]。 由此可见， 在今后相当长一段时间内， 煤炭仍将作为我国的主要能源，并且具有不可替代性。 我国煤矿资源储量丰富，但多数煤矿地质条件复杂多变，煤层通常以煤层群 的形式出现，而在有突出危险的矿井中，如果直接对煤层群进行开采，具有高危 险性，极易发生安全事故。而具有高危性的煤层瓦斯，其实是一种干净高效的清 洁能源。因此，在开采煤层群时，应该采取有效措施保证安全生产的同时合理有 效的利用煤层瓦斯这一清洁能源。而近年来保护层开采已经逐渐发展成为一种高 效安全的有效技术手段，是目前最为经济有效的区域防突措施。依据保护层开采 作用机理，保护层开采研究工作的关键在于保护范围的划定。 1.2 研究意义 虽然我国煤炭资源储备丰富，但由于我国地大物博、幅员辽阔，地质条件往 往复杂多变，因而在矿床开采过程中所面临的各种力学问题，例如合理选择采矿 方法及其结构参数，提高开采强度，以及如何合理利用矿产资源，如何保证矿工 安全作业，如何提高矿山开采经济效益，如何实现安全高效的生产都是亟待解决 的关键问题。 依照中华人民共和国煤矿安全规程相关规定“对于有突出危险煤层，应采 取开采保护层或预抽煤层瓦斯等区域性防治突出措施”，“在突出矿井开采煤层群 时，应优先选择开采保护层防治突出措施”[2]。选用保护层开采的目的是使卸压被 保护层，从而释放煤层的弹性潜能，来增大煤层的透气性，有利于被保护层瓦斯 流动、解吸，降低煤层瓦斯内能，实现安全高效生产。所以保护层开采已经成为 万方数据 重庆大学硕士学位论文摘要 2 突出危险矿井煤层群开采越来越常采用的一种技术手段。 1.3 保护层开采的保护范围划定研究现状 1.3.1 保护层开采及保护范围划定理论 所谓保护层是指为了消除邻近煤层突出危险而选择先行开采的煤层；而被保 护层是指由于保护层开采的采动作用并同时抽采卸压瓦斯，可使邻近的突出危险 煤层的突出危险区域转变为无突出危险区，这个突出危险煤层即为被保护层。 在保护层开采作用下，保护层周围煤岩层在一定区域内应力会再分布，在应 力在再分布过程中部分煤岩体所受压力降低，使得其弹性变形得以部分恢复，煤 体结构受压迫状态将得以缓解，瓦斯解吸平衡将向解析方向倾斜，瓦斯压力呈现 一定程度的降低，游离瓦斯向保护层采空区运移，使得被保护层一定范围内的突 出危险性降低甚至消除，这个范围就被称为保护层开采的保护范围。 1.3.2 保护层开采中保护范围划定国内外研究现状 目前大量学者针对保护层开采保护范围的划定问题，进行了一系列研究，取 得了诸多成果，概括起来，保护范围的现有划定研究方法主要有三种，即现场考 察、物理相似模拟和数值模拟。在现场考察研究方面，石必明[3]等通过对保护层开 采前后的被保护层透气性进行现场非稳定径向流量法测定，获得了最大透气性系 数在卸压后的变化情况； 范晓刚等[4]通过对被保护层现场瓦斯动力参数进行测定得 出了倾向上的保护范围。在数值模拟研究方面，石必明等[5]为了对被保护层变形受 保护层开采影响及变形受相对层间距影响的规律进行研究，