唐口煤矿深部开采条带煤柱稳定性模拟试验研究.pdf
分类号分类号TD32TD32TD32 TD32 密密级级公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1 1 1 1 042042042 042 4 4 4 4 学学 位位 论论 文文 唐口煤矿唐口煤矿唐口煤矿 唐口煤矿 深部开采条带煤柱稳定性深部开采条带煤柱稳定性深部开采条带煤柱稳定性 深部开采条带煤柱稳定性 模拟试验模拟试验模拟试验 模拟试验 研究研究研究 研究 陈陈 军军 涛涛 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名郭郭 惟惟 嘉嘉职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一一年六月二零一一年六月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 唐口煤矿唐口煤矿唐口煤矿 唐口煤矿 深部开采条带煤柱稳定性深部开采条带煤柱稳定性深部开采条带煤柱稳定性 深部开采条带煤柱稳定性 模拟试验模拟试验模拟试验 模拟试验 研究研究研究 研究 国家自然科学基金项目（50874087） 教育部科技创新团队支持计划（IRT0843） 山东省自然科学基金项目（Y2008F01） 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 陈军涛陈军涛入学时间入学时间入学时间 入学时间 2 2 2 2 009009009 009 年年 9 9 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称 专业名称 采矿工程采矿工程研究方向研究方向研究方向 研究方向 开采沉陷控制与环境保开采沉陷控制与环境保护护 指导教师指导教师指导教师 指导教师 郭惟嘉郭惟嘉职职职 职 称称称 称 教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 201120112011 2011 年年 4 4 4 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 201120112011 2011 年年 6 6 6 6 月月 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 STUDYSTUDYSTUDY STUDY ONONON ON SIMULATIONSIMULATIONSIMULATION SIMULATION TESTTESTTEST TEST OFOFOF OF STRIPSTRIPSTRIP STRIP PILLARPILLARPILLAR PILLAR STABILITYSTABILITYSTABILITY STABILITY UNDERUNDERUNDER UNDER DEEPDEEPDEEP DEEP MININGMININGMINING MINING INININ IN TANGKOUTANGKOUTANGKOU TANGKOU COALCOALCOAL COAL MINEMINEMINE MINE A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY PHILOSOPHY fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology b b b b y y y y ChenChenChen Chen JuntaoJuntaoJuntao Juntao SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor GuoGuoGuo Guo WeijiaWeijiaWeijia Weijia CollegeCollegeCollege College ofofof of NaturalNaturalNatural Natural ResourcesResourcesResources Resources andandand and EnvironmentalEnvironmentalEnvironmental Environmental EngineeringEngineeringEngineering Engineering JuneJuneJune June 201120112011 2011 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertationdissertationdissertation dissertation , , , , tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasterMasterMaster Master ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy ininin in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology , , , , is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledgeacknowledgeacknowledge acknowledge . . . . TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been tedtedted ted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic instituteinstituteinstitute institute . . . . SignatureSignatureSignature Signature DateDateDate Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 资源的持续开采使得煤炭生产不得不向深部转移，而深部开采带来的地表沉陷预测 与控制问题研究不足。为了实现煤炭资源的安全、高效开采，深部条带煤柱的实际承载 能力和稳定性能的研究显得尤为重要。本文依托唐口煤矿 230、430 采区地质资料和生产 实际，采用理论分析、现场观测、三维相似材料物理模拟试验、数值模拟的方法对深部 条带煤柱的稳定性进行了研究，主要研究内容及结论如下 （1）理论分析了深部条带开采采留尺寸的设计原则，得出了条带开采采留尺寸的确 定方法为，；分析条带煤柱受力，指出“马鞍形”是稳 tan1 H k q B B H A tan 7 . 0 定条带煤柱应力分布的典型形态。 （2）对唐口煤矿条带煤柱在采场工作面的推进过程中及进入采空区后的竖向应力和 横向变形进行了现场观测，研究了煤柱不同区域应力和形变变化情况。观测指出，工作 面开采过程中，煤柱的应力集中区不断向煤柱中部转移，核区范围逐渐减小，直到采空 区充分垮落完成。 （3）利用大尺度三维立体相似材料物理模拟试验台，对深部煤层开采时条带煤柱运 动行为进行了模拟，通过监测得到的数据研究了煤柱上应力及形变的演化及破坏规律。 试验指出，煤层开采初期，煤柱所受应力呈波动式非线性增长，当工作面推过煤柱 70m 距离后，应力变化缓慢趋于稳定。试验监测和现场实际探测结果相似，数据可靠。 （4）运用数值模拟软件 FLAC3D 对深部条带煤柱塑性区宽度分布规律进行模拟分 析，研究了煤柱塑性区宽度与影响因素间的关系。结果指出深部条带煤柱塑性区的宽 度随着采深、采厚与采出率的增大而加宽，应力集中峰值也随之不断增大，且有向煤柱 内部核区转移的趋势。 （5）通过模拟计算知，唐口煤矿研究区深部开采条带煤柱塑性区宽度计算比例系数 小于 A.H.威尔逊理论公式值 0.00492，得出适合研究区深部煤层条带煤柱的塑性区宽度 公式。H00423 . 0 0 mY 关键词关键词深部开采，条带煤柱，塑性区，煤柱稳定性，现场观测 山东科技大学硕士学位论文ABSTRACT ABSTRACTABSTRACTABSTRACT ABSTRACT It is necessary for coal production to turn to deep coal seam, however, the study on predicting and controlling the surface subsidence brought from deep mining was less. In order to realize the safe and high efficient mining, it is obviously significantto studyactual load and stability of strip pillar. Based on the geological data and production practice of 230, 430 mining area in Tangkou Coal Mine, stability of deep strip pillar was studied by theoretical analysis, field observation, physical simulation test with similar material in three-dimensional bed and numerical simulation, and the main contents and conclusions are as follows 1The design principle of mining and reserved size under deep mining was analyzed theoretically, obtaining the size ula of strip pillar，;the tan1 H k q B B H A tan 7 . 0 shape of saddle is the typical of stable strip pillar by analyzing pillar force. 2Vertical pressure and lateral deation of strip pillar in Tangkou Coal Mine was monitored in field when advancing the working face and being in goaf, studying the stress and deation characteristics in different areas of pillar. The results show that the concentrating area transfers to the middle of pillar and the range of core zone becomes smaller continually in the process of mining working face before the finish offullcollapse. 3The movement of deep strip pillar was simulated by physical simulation test with similar material in large three-dimensional bed; the evolution and failure law of stress and deation of pillar was studied by analyzing the monitoring data. It is proved that pillar stress increases non-linearly with fluctuation at the begining of mining and then changes slowly, tending to stability when the working face passes the pillar over 70m. 4Distribution law of plastic zone width of deep strip pillar was analyzed applying FLAC3D, studying the relationship between plastic zone width and influencing factors. The results show that the width of plastic zone increases along with the increase of mining depth, mining thickness and recovery coefficient, so does the peak value of stress concentration which has a trend of .transferring to elastic core zone of pillar. 5The plastic zone width of strip pillar in study area under deep mining in Tangkou Coal Mine is smaller than 0.00492 by simulation and calculation, obtaining the actual ula of plastic zone width being suitable for study area under deep mining, that is.H00423 . 0 0 mY KeywordsKeywordsKeywords Keywords deep mining; strip pillar; elastic zone; stability of pillar; field observation 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1.1课题的提出.................................................................................................................1 1.2课题研究状况及评述.................................................................................................3 1.3论文研究的主要内容及技术路线.............................................................................8 2 2 2 2 深部开采条带煤柱稳定性理论分析深部开采条带煤柱稳定性理论分析深部开采条带煤柱稳定性理论分析 深部开采条带煤柱稳定性理论分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101010 10 2.1深部岩体的力学特点...............................................................................................10 2.2条带煤柱稳定性的影响因素...................................................................................11 2.3深部煤层条带开采采留尺寸确定...........................................................................13 2.4条带煤柱受力分析...................................................................................................16 2.5本章小结...................................................................................................................23 3 3 3 3 唐口煤矿条带煤柱稳定性现场监测研究唐口煤矿条带煤柱稳定性现场监测研究唐口煤矿条带煤柱稳定性现场监测研究 唐口煤矿条带煤柱稳定性现场监测研究 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242424 24 3.1研究区概况...............................................................................................................24 3.2条带煤柱观测方案...................................................................................................27 3.3条带煤柱竖向应力监测结果与分析.......................................................................28 3.4条带煤柱横向变形监测结果与分析.......................................................................29 3.5条带煤柱稳定性分析...............................................................................................30 3.6本章小结...................................................................................................................31 4 4 4 4 三维相似材料物理模拟试验三维相似材料物理模拟试验三维相似材料物理模拟试验 三维相似材料物理模拟试验 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323232 32 4.1模拟试验的设计与铺设...........................................................................................32 4.2条带煤柱应力和形变演化及破坏规律...................................................................40 4.3条带煤柱塑性区宽度的数值模拟分析...................................................................47 4.4本章小结...................................................................................................................58 5 5 5 5 主要结论与展望主要结论与展望主要结论与展望 主要结论与展望 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595959 59 5.1主要结论...................................................................................................................59 山东科技大学硕士学位论文目录 5.2主要创新点...............................................................................................................60 5.3不足与展望...............................................................................................................60 致致致 致 谢谢谢 谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616161 61 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 攻读硕士期间主要成果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626262 62 参考文献参考文献参考文献 参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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