上河煤矿条带充填开采覆岩载荷传递规律研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 are mainly distributed in the boundary and section pillars. The evolution of vertical stress in stope shows that the main bearing body of overlying strata load in the first stage is 8 m wide strip coal pillar, and the main bearing body in the second and third stages are even numbered coal pillar and filling body in the first stage respectively. The law of overlying strata load transfer is basically consistent with similar simulation. Industrial test takes 3216 working face of Shanghe Coal Mine No. 2 panel as an example, and chooses aeolian sand, fly ash, cementing material and additives as filling materials. After 28 days of solidification, the filling body contacts well with the top coal and there is no empty roof phenomenon. The stress monitoring of strip filling shows that after the third filling stage, the average abutment pressure of the first and second filling stage is 2.45MPa and 1.5MPa respectively, and the abutment pressure of the filling body is less than the safe bearing strength. The study on load transfer law of overlying strata in strip filling mining in Shanghe Coal Mine provides theoretical support for strip filling mining in medium and small coal mines in Yuyang District, and has important significance for the protection of ecological environment in this area. Key words Strip pillar mining; Filling mining; Load transfer law; Abutment pressure; Bearing structure Thesis Application research 万方数据 目 录 I 目目 录录 1 绪论 ..................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景和意义 ...................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 ...................................................................................................... 1 1.1.2 研究意义 ...................................................................................................... 2 1.2 国内外研究现状及发展趋势 ................................................................................ 2 1.2.1 充填开采覆岩活动规律国内外研究现状 ................................................. 2 1.2.2 条带煤柱稳定性国内外研究现状 .............................................................. 4 1.3 研究内容及技术路线 .............................................................................................. 6 1.3.1 研究内容 ...................................................................................................... 6 1.3.2 技术路线 ...................................................................................................... 6 2 矿井地质及条带开采参数设计 ........................................................................................ 8 2.1 矿井概况.................................................................................................................. 8 2.1.1 矿井地理位置 ............................................................................................... 8 2.1.2 矿井地形地貌 ............................................................................................... 8 2.2 地质特征 ................................................................................................................... 9 2.2.1 井田地层 ...................................................................................................... 9 2.2.2 可采煤层特征及水文地质 ....................................................................... 10 2.2.3 煤层取样测试分析.................................................................................... 13 2.3 条带开采参数分析 ............................................................................................... 18 2.3.1 条带煤柱开采及充填工艺 ........................................................................ 18 2.3.2 采场力学模型的建立 ................................................................................ 19 2.4 条带煤柱采宽及留宽的计算 .............................................................................. 23 2.4.1 条带煤柱宽度计算..................................................................................... 23 2.4.2 条带开采宽度的计算 ................................................................................ 23 2.4.3 采充参数的确定 ......................................................................................... 24 2.4.4 条带煤柱载荷分析.................................................................................... 25 2.5 小结 ........................................................................................................................ 26 3 覆岩载荷传递规律相似模拟实验研究 ......................................................................... 27 3.1 相似模拟实验目的与建立 .................................................................................... 27 3.1.1 实验目的 ..................................................................................................... 27 3.1.2 实验模型的建立 ......................................................................................... 27 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 II 3.2 相似模拟实验现象及分析 .................................................................................... 29 3.2.1 第一阶段“采 7 留 8”煤柱支承压力演化分析......................................... 29 3.2.2 第二阶段煤柱及充填体支承压力演化分析 ........................................... 33 3.2.3 第三阶段煤柱及充填体支承压力演化分析 ........................................... 37 3.3 第一、二阶段充填体支承压力变化 .................................................................. 40 3.4 小结 ........................................................................................................................ 42 4 条带充填开采数值模拟 .................................................................................................. 43 4.1 模型的建立与模拟方案设计................................................................................ 43 4.1.1 数值计算模型的构建 ............................................................................... 43 4.1.2 条带开采及空区充填设计 ....................................................................... 44 4.2 煤柱稳定性分析及覆岩载荷传递规律 .............................................................. 45 4.2.1“采 7 留 8”数值模拟分析 ........................................................................... 45 4.2.2 偶数编号煤柱开采数值模拟分析 ........................................................... 49 4.2.3 奇数编号煤柱开采数值模拟分析 ........................................................... 53 4.3 主承载体支承压力演化规律 .............................................................................. 56 4.4 小结 ........................................................................................................................ 58 5 现场充填试验及充填体应力监测.................................................................................. 59 5.1 试验工作面概况 ................................................................................................... 59 5.2 3216 工作面充填试验 ........................................................................................... 60 5.2.1 条带空区充填工艺..................................................................................... 60 5.2.2 工作面充填效果分析 ................................................................................ 62 5.3 充填条带应力监测及分析 .................................................................................... 63 5.3.1 应力监测方法 ............................................................................................ 63 5.3.2 充填体支承压力监测分析 ....................................................................... 63 5.4 小结 ........................................................................................................................ 66 6 结论 ................................................................................................................................... 67 致 谢 ..................................................................................................................................... 68 参考文献 ............................................................................................................................... 69 附 录 ..................................................................................................................................... 74 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景和意义 1.1.1 选题背景 陕北榆神矿区位于我国毛乌素沙漠和黄土高原的接壤区域，生态环境脆弱，水土流 失、 土地沙化现象严重[1,2]。 矿区开发初期基于资源合理划分及支持地方经济发展的需要， 基本形成了国有大中型企业及地方煤矿同时开采的生产格局。 统计显示[3]，榆神矿区所在神木市现有 149 处地方煤矿，其中中型煤矿 44 处，小型 煤矿 94 处；榆林市榆阳区现有小型煤矿 15 处；大量存在的中、小型煤矿开采初期基本 采用旧房柱式开采方法。进入本世纪后，部分地方中小煤矿在旧房柱式采煤方法基础上 又派生出“长壁留区内煤柱”及“长壁留条带煤柱”开采方法，但旧房柱式采煤方法所 占比重仍然较大，并形成范围广泛的柱采区域。柱采区域常见矩形煤柱尺寸在 6 6m 或 6 4m（长 宽） ，由于留设煤柱尺寸较窄，造成近几年来矿震现象频繁发生，对当地的生 态环境造成了极大的危害。 陕西地震信息网[4]自 2009 年 9 月至 2017 年 10 月监测结果中， 榆林市榆阳区共监测 到矿震 12 次，震级 2.1～3.3 级，而且自 2012 年之后榆阳区矿震频率与之前相比大幅增 加了 67。针对矿震频发的情况，通过对榆阳区地方煤矿采煤方法的调查表明，最早严 格采用条带采煤方法的沙炭湾煤矿，以及后期应用条带采煤方法的六墩煤矿，其条带煤 柱宽度在 8m 及以上，保持了良好的稳定性。一些矿井发生的矿震现象，一方面是房柱 式开采遗留的部分矩形煤柱的失稳导致由覆岩出现大面积破断，引起了大范围的“围岩 煤柱群”承载结构失稳。出现这种情况说明房柱式开采遗留的矩形煤柱的变形破坏一 直处于一个发展过程；另一方面，一些煤矿虽然采用了条带开采方法，但没有严格执行 条带开采设计参数，或是在条带煤柱上开通的联络巷过多，使稳定的条带煤柱成为了矩 形煤柱，长期蠕变作用下煤柱的稳定性持续降低，从而引发煤柱失稳破坏。 论文以榆林市榆阳区上河煤矿为例，矿井设计生产能力 0.3Mt/a，井田面积约为 2.97km2，可采储量 13.2Mt，自 1994 年建成投产以来，当前也面临着资源枯竭的问题。 矿井前期一直对 3 号煤层采用房柱式采煤法， 煤层厚度 6.15～6.57m， 埋深 100～130m， 平均为 115m，平均 6.34m，房柱式开采区域主要集中在井田中部区域。房采工作面采高 5.5m，留设 0.5～1m 顶煤。工作面长度一般为 110～180m，平均 145m。工作面南北方 向采宽 4.7～6.6m，留设 7.0～8.2m 煤柱，东西方向采宽 5.2～7.1m，留设 7.9～10.6m 煤 柱。鉴于上河煤矿房柱式开采区域煤柱的稳定性尚未开展系统研究，在不再形成新的大 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 范围柱采区域的原则下，论文针对上河煤矿实体煤体，采用条带开采方式，留设煤柱稳 定性优于矩形煤柱的条带煤柱，并通过对条带采空区域采用膏体充填的方式将条带煤柱 最终置换开采出来。 1.1.2 研究意义 上河煤矿剩余实体煤采用条带充填开采，可以从根本上解决榆阳区房柱式采空区煤 柱蠕变失稳破坏问题。在确定条带开采参数基础上，分析条带煤柱置换过程中覆岩载荷 转移规律，在保障工作面安全生产的前提下大幅提升矿井煤炭资源的回收率，研究对于 该区域生态环境的可持续发展将起到示范和带动意义。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 充填开采覆岩活动规律国内外研究现状 在日益严峻的环保要求下，充填开采技术逐渐受到政府、企业的青睐，充填开采技 术取得了长足发展，其中膏体充填、固体充填和超高水充填开采形成了具有代表性的几 种技术，同时开采过程中围岩稳定性控制研究方面也取得了很大的进步，逐渐形成了比 较科学的覆岩稳定性控制理论[5-8]。 充填开采法是指利用各种材料将回采空间作为填充空间进行充填的方法，从而降低 地表环境受到开采影响。实践已经表明，充填开采可以在很大程度上减小煤层开采对地 表建筑的影响，减小地表下沉。 早在 1912 年， 我国抚顺矿务局开展过小规模的水沙充填， 只是充填实验是在村庄迁 走后进行的。六十年代，抚顺胜利煤矿第一个采用水沙充填采煤法将矿务局机车修理厂 下煤厚 20m 的保护煤柱成功地开采出来；之后，新汶矿务局良庄、孙村等也对水沙充进 行了试验，对减小地表沉降取得了较好的效果。 安百富等[9]通过理论分析、物理模拟等手段，对膏体充填回收房柱式采场覆岩结构 及构成部分之间的关系进行了分析，给出了膏体充填回收房柱式采场覆岩稳定性的关键 因素。揭示了煤柱支撑效果减小至失稳的演化规律，推导出了顶板变形和煤柱失稳的计 算公式，给出了煤柱-顶板结构的失稳判断方法。 李剑等[10]构建了非线弹性薄板地基模型，将煤柱视为弹性地基系数随着时间递减的 非线弹性地基，得出了顶板形变和煤柱破坏的计算公式，指出了煤柱支承压力减小到破 坏的动态演化规律。 孙强[11]以矸石为充填体，构建了矸石充填开采采场基岩弹性地基梁的力学模型，计 算出了矸石充填开采采场覆岩破坏高度和破坏条件的检验公式。 刘坤等[12]为解决采空区全部充填成本过高的问题，提出煤矿膏体充填条带采煤技术， 万方数据 1 绪论 3 以煤层顶板极限跨落步距为原则，给出了条带充填的宽度和煤柱留设宽度的方法。 许家林等[13]构建了充填采煤采场覆岩弹性薄板模型，同时根据虚功原理计算出了工 作面基本顶的挠曲方程，得出了保证基本顶不出现破坏的临界状态。 常庆粮等[14]对等效采高垮落法采煤以及同等充填率的矸石充填采煤采取相似材料 模拟，发现了矸石充填开采覆岩裂隙发育特点以及变化规律，同时对不同充填率的矸石 充填采场进行数值模拟，得出了导水裂隙带发育高度与充填率的关系。 宋桂军等[15]对煤矿矸石压实进行力学试验，分析了一侧限制压实状态下煤矸石配比 的分形特点，得出了不同的压实条件下多种岩性和粒径配比的试件的分形维数。 孙建峰等[16]给出了固体充填开采工作面顶板变形的弹性地基模型，系统的阐述了不 同充填率条件下充填料与顶板的相互关系，指出充填开采顶板运移及能量演化的规律， 从而揭示了治理动力灾害的关键为减小工作面能量聚积与释放，同时提出运用固体材料 填充治理坚硬顶板灾害的新途径。 张吉雄等[17-19]基于长壁掘巷充填条带采煤岩层运移特征，构建了充填开采工作面的 力学结构，推导出工作面顶板下沉公式和煤柱受载的计算方程，同时给出了条带煤柱的 失稳判据； 李杨杨等[20]通过相似材料试验的方法对膏体充填采煤进行研究，提出了“煤柱充 填体煤壁”协同支护顶板的结构，有效的防止岩层移动和地表下沉。 李猛等[21]通过对不同矸石充实率的数值模拟和物理模拟分析，取得了矸石充填开采 过程中岩层运移规律以及矿压显现规律，同时指出矸石充填采煤可以保障上覆岩层只出 现微小裂隙带和弯曲下沉带，不出现垮落带。 孙希奎等[22]采用理论与实践相结合的方法，对条带煤柱充填复采时煤柱稳定性、顶 板结构演化特征及充填技术相关参数进行了研究，并计算出科学的煤柱留设宽度、充填 体强度、充填率等参数。 刘鹏亮等[23]通过对膏体充填材料及充填管路的的研究，以风积沙为原材料开发出机 械化充填采煤方法，充填成本与效率取得较大进步。 黄玉诚等[24]通过对固体充填开采控制覆岩运移的关键因素-充实率进行研究， 得出了 了固体充填开采充填工艺指标、支架压实力设计指标与充采质量比之间的关系，构建了 从充填材料的微观结构到覆岩运移控制的研究思路。 国外首次充填开采是在澳大利亚 1915 年对 North Lair and Tasmanian Mantel 矿两个 煤矿井进行废石充填[25-29]。德国、波兰、法国等一些欧洲的国家也运用过充填开采法采 煤[59]。并且在德国、波兰应用效果很好且大量推广。其中波兰曾经在建筑物及城镇下利 用水砂充填采煤产量占全国建筑物下采煤产量的 80。 Murate[30]建立了相对简单的力学平衡模型，通过室内实验给出了膏体充填开采塌落 度与屈服应力的关系。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 Christensen[31]通过对 Murate 的力学模型研究后发现不足并对其进行修正， 在 Murate 力学模型的基础上运用无量纲模型计算两者间的相互关系。 充填开采的方法多种多样，根据充填材料及输送时的状态的差异，可以将充填开采 分为膏体充填、浆体材料充填、水沙充填和矸石充填等。根据输送材料动力方式不同， 充填开采又可分为水力充填、风力充填、自溜充填以及机械充填等[32-35]。 早期，水砂充填开采主要目的是在厚煤层分层开采时进行顶板管理，开采成本高， 充填体系复杂。由于种种因素，水沙充填采煤法没有在我国推广使用，1990 年左右被完 全淘汰。随着煤矿绿色开采理念的提出，充填开采被纳入到绿色开采技术体系，并作为 解决“三下”压煤开采和环境保护问题的重要手段，重新引起了人们的重视。尤其是近 十多年来，围绕煤矿“三下”压煤开采和环境保护等问题，开展了广泛的采空区充填开 采试验研究，取得了一系列进展，逐渐形成了固体充填开采技术、膏体充填开采技术、 部分充填开采技术、浆体材料充填开采技术等充填开采技术。 1.2.2 条带煤柱稳定性国内外研究现状 波兰、苏联等国在二十世纪五十年代开始应用条带开采技术，开采城镇下压煤，取 得了丰富经验。我国抚顺市胜利煤矿上世纪 60 年代采用充填条带法开采市区下压煤来， 已经广泛应用推广。 条带开采技术在我国早有发展[36-37]，河南焦作新峰一矿、河北峰峰矿区、江苏沛城 煤矿、安徽前岭煤矿、陕西常兴煤矿等[38-42]多个煤矿对给定地质及煤岩条件下条带开采 的地表沉陷规律进行现场实测分析，对于大倾角厚煤层，薄煤层、煤层群、三软特厚煤 层等多种地质条件下的开采积累了大量经验。大同矿务局在七、八十年代全面发展综合 机械化采煤之前，为了控制坚硬顶板，较普遍采用刀柱采煤法，又称“大同短壁”。由于 条带开采采出率一般只有 50以下，浪费了可贵的煤炭资源，因而近年来有人提出了充 填开采条带，采出煤柱的技术方法。 杨逾等[43]指出，常规的煤炭开采方法对地表生态造成了严重的破坏。注充宽条带跳 采全采采煤法可以有效减缓地表沉降，保护矿区地表生态环境。在注充采煤法中，注充 是把含有快速凝结剂、硬塑剂等膏体以高压方式注入垮落区岩块间隙，膏体凝固后形成 强度较高的类砌岩体。为了方便实现机械化采煤，这里的宽条带是条带开采中留宽均在 100m 以上的条带煤柱。 田瑞云[44]在房柱式开采基础上提出一种新型采煤方法，针对陕北区域的小煤矿和大 煤矿边角煤，采用采 6m 留 6m 的条带开采方式，即沿走向每开采 6m 宽煤层，留 6m 宽 的煤柱，然后将 6m 宽的条带空区用高强度充填材料进行充填，之后回收 6m 宽的条带 煤柱，可以完成煤炭的大部分采出。 郭文兵等[45]指出，条带开采中采用半定量化的计算公式或经验公式考虑的不够全面， 万方数据 1 绪论 5 设计参数往往存在不合理性，复杂的解析式或定量化公式虽然精确，其中部分参数难以 确定，导致其应用范围受到限制。造成当前条带开采的参数变化范围较大。 国际上对于煤柱的承载强度理论主要包括压力拱理论、有效区域理论和威尔逊的两 区约束理论，这些是研究煤柱强度的基本理论。 S.S.P[46]针对煤柱留设宽度问题， 指出应该综合考虑开采前煤柱载荷以及开采导致的 煤柱内部应力分布、支承压力、煤柱强度与顶底板的相互作用； D.Bunting[47]通过对多种形状及尺度的无烟煤试块进行强度测试， 在采煤行业内首先 提出了煤柱强度经验公式； F.L.Gaddy[48]在调研大量煤矿后， 测试不同尺度煤块强度后首先提出考虑实验室测试 值的强度计算公式； Salamon[49]通过对南非 125 个实例煤柱成功和失败调研的基础上， 采用拟合的方式， 运用煤柱宽度和采厚两个参数来推导煤柱强度公式； Wilson[50]提出了煤柱渐进破坏理论，指出煤柱屈服区的弹性核心区具有良好的承载 力。给出了煤柱极限强度的计算方法。通过试验确定了煤柱的屈服宽度。推导了煤柱在 围压作用下的承载力计算方法。 吴立新[51]等通过对现场煤柱调研后，提出了条带煤柱屈服区极限平衡理论，并通过 室内研究给出了煤柱屈服带宽度的计算方式。 郭文兵等[52]揭示了条带煤柱偏离平衡态的非线性破坏失稳过程，指出当煤柱弹性核 区率11.92时，煤柱很有可能突变失稳破坏。 徐金海等[53]从煤柱稳定性的时间相关性分析着手，揭示了煤柱的时间稳定性与煤体 的蠕变延迟时间之间存在正比关系。 朱建明[54]等通过对房柱式采空区的理论研究，指出在长期稳定条件下的煤柱内部主 应力呈现出中间高两侧低的特点。 杨永杰等[55]指出随着条带煤柱含水率的增加，塑性区向煤柱内部延深，煤柱垂直应 力变小，蠕变变形量增大，煤柱处于长期稳定状态下需要的时间显著增加。 石平五[56]等在煤柱群承载强度研究方面对“长壁留区内煤柱支承法”的研究，指出 当煤柱群受载荷超过其强度极限时，顶板形成超出限定区的待垮六面体，会出现“顶板 煤柱”结构整体突发性垮塌。 近年来，国内外一些学者将煤柱的长期稳定性与煤岩体的流变特性研究相结合，做 了大量的研究工作[57-65]，并提出了许多新的流变本构模型。其中，西原模型是一种更加 应用和完善的模型， 西原模型可以很好地描述煤柱的蠕变特性。 蠕变参数的计算必须基 于蠕变试验。然而，煤柱的强度不同于实验室试块。 煤柱的强度相对低于煤块，煤柱的 蠕变性能应更加显着。 张淑坤等[66]通过概率分析和重整化群理论，研究了单个煤柱与相邻煤柱之间的荷载 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 传递规律和煤柱群顶板系统的临界稳定性，确定了煤柱群的临界概率范围。 陈远峰等[67]根据煤岩体的蠕变特性，运用数值模拟手段煤柱群的流变特性进行了分 析；认为煤柱群的应力、变形及塑性区的范围随着时间会大幅增长，且初期增长快，后 期逐渐稳定。在蠕变初期各煤柱的应力、变形及塑性区范围基本接近，随着时间的增长 各煤柱间差异逐渐增大，且煤柱赋存越深其应力、变形及塑性区范围增幅越大。 王同旭等[68]在建立定量与定性评价指标体系的基础上，提出了评判煤柱稳定性的综 合指数法与模糊评价法综合分析方法。 郭文兵[69]提出了煤柱突变失稳的概念，指出当煤柱积蓄的能量到临界状态后，外界 载荷微小的挠动，煤柱就出现瞬间失稳破坏。 上述研究主要集中在充填开采采场结构稳定性以及煤柱稳定性方面，对于条带煤柱 开采参数及煤柱置换过程中覆岩载荷传递规规律研究较少，尤其是对应用到现场可能出 现的情况还需要进行深入的研究。 1.3 研究内容及技术路线 1.3.1 研究内容 根据上河煤矿开采地质条件，确定 3 号煤层顶底板煤岩力学性质。通过理论分析、 物理相似模拟，数值模拟来分析条带充填开采参数及采充过程中覆岩载荷传递规律。并 通过现场工业性试验进行验证。具体内容如下 1基于弹性地基理论，计算条带工作面开采参数，确定工作面合理的采宽留宽，并 根据开采参数对留设煤柱载荷进行分析。 2通过物理相似模拟对 3 号煤层进行模拟充填开采， 监测开采过程中煤柱的稳定性 及充填体支承压力变化情况，得出覆岩载荷在煤柱与充填体上的传递规律。 3通过数值模拟对条带充填开采过程条带煤柱及充填体的塑性区分布进行研究， 分 析充填置换过程中煤柱及充填体的应力演化规律。 4通过现场工业性试验对上河煤矿 3216 工作面进行充填开采试验，对充填条带支 承压力进行监测，进一步论证充填开采过程中覆岩载荷向充填体的转移规律。 1.3.2 技术路线 论文以榆林市上河煤矿为工程背景，通过理论分析、物理相似模拟及数值模拟的方 法，对上河煤矿条带充填开采过程中的覆岩载荷传递进行研究。理论分析首先确定了条 带开采参数， 通过相似模拟及数值计算分析开采过程中煤柱稳定性及覆岩载荷传递规律； 工业性试验通过对充填体支承压力值进行现场监测，验证充填置换过程中覆岩载荷传递 规律。本文研究技术路线如图 1.1 所示。 万方数据 1 绪论 7 图 1.1 技术路线图 相似材料模拟 理论分析 覆岩载荷传递规律 数值模拟 煤柱及充填体支 承压力分布 煤柱及充填体塑 性区分布及应力 演化规律 工程背景 地质特征研究 国内外研究现状 条带开采参数确定 现场工业性试验监测 万方数据 西安科技大学硕士学位论文