魏家洼煤矿2、4煤层上行式开采技术研究.pdf

分类号分类号 TD32TD32密密级级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 工程硕士学位论文工程硕士学位论文 魏家洼煤矿魏家洼煤矿魏家洼煤矿魏家洼煤矿 2 2 2 2、、、、4 4 4 4 煤层煤层煤层煤层 上行式开采技术研究上行式开采技术研究上行式开采技术研究上行式开采技术研究 宋作尚宋作尚 申请学位级别申请学位级别工程硕士工程硕士领域领域名名称称矿业工程矿业工程 指导老师姓名指导老师姓名秦秦 忠忠 诚诚职职称称教教授授 副指导老师姓名副指导老师姓名马马 同同 福福职职称称高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二○○○○六年十月六年十月 论文题目论文题目论文题目论文题目 魏家洼煤矿魏家洼煤矿魏家洼煤矿魏家洼煤矿 2 2 2 2、、、、4 4 4 4 煤层上行式开采技术研究煤层上行式开采技术研究煤层上行式开采技术研究煤层上行式开采技术研究 作者姓名作者姓名作者姓名作者姓名 宋宋 作作 尚尚入学时间入学时间入学时间入学时间 2004200420042004 年年 5 5 5 5 月月 领域名称领域名称领域名称领域名称 矿业工程矿业工程研究方向研究方向研究方向研究方向采煤方法与工艺采煤方法与工艺 指导老师指导老师指导老师指导老师 秦秦 忠忠 诚诚职职职职称称称称教教授授 副指导老师副指导老师副指导老师副指导老师 马马 同同 福福职职职职称称称称高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期论文提交日期论文提交日期2006200620062006 年年 1 1 1 10 0 0 0 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2006200620062006 年年 11111111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 THETHETHETHE RESEARCHRESEARCHRESEARCHRESEARCH ONONONONUPWARDUPWARDUPWARDUPWARDMININGMININGMININGMINING TECHNOLOGYTECHNOLOGYTECHNOLOGYTECHNOLOGYONONONONTHETHETHETHE 2ND2ND2ND2ND、、4TH4TH4TH4TH COALCOALCOALCOAL BEDSBEDSBEDSBEDS OFOFOFOFWEIJIAWAWEIJIAWAWEIJIAWAWEIJIAWACOALCOALCOALCOAL MINEMINEMINEMINE A A A ADissertationDissertationDissertationDissertationtedtedtedtedininininfulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillmentofofofof thethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirements ofofofof thethethethedegreedegreedegreedegreeofofofof MASTERMASTERMASTERMASTER ofofofofENGINEERINGENGINEERINGENGINEERINGENGINEERING fromfromfromfrom ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand TechnologyTechnologyTechnologyTechnology bybybyby SongSongSongSong ZuoshangZuoshangZuoshangZuoshang SupervisorSupervisorSupervisorSupervisor ProfessorProfessorProfessorProfessor QinQinQinQin ZhongchengZhongchengZhongchengZhongcheng CollegeCollegeCollegeCollegeofofofof NaturalNaturalNaturalNatural ResourcesResourcesResourcesResourcesandandandand EnvironmentalEnvironmentalEnvironmentalEnvironmental EngineeringEngineeringEngineeringEngineering O O O Oct.ct.ct.ct.2006200620062006 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公认的文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 献外献外，，全部是本人在导师指导下的研究成果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该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机 关作鉴定。关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclaredeclare thatthatthatthat thisthisthisthis dissertation,dissertation,dissertation,dissertation, tedtedtedted inin in in fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirements forforforfor thethethethe awardawardawardaward ofofofof MasterMasterMasterMaster ofofofof PhilosophyPhilosophyPhilosophyPhilosophy inin in in ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand Technology,Technology,Technology,Technology, is is is is whollywhollywhollywholly mymymymyownownownownworkworkworkwork unlessunlessunlessunless referencedreferencedreferencedreferenced ofofofof acknowledge.acknowledge.acknowledge.acknowledge. TheTheTheThe documentdocumentdocumentdocument hashashashas notnotnotnot beenbeenbeenbeen tedtedtedtedforforforfor qualificationqualificationqualificationqualification atatatatanyanyanyany otherotherotherotheracademicacademicacademicacademic institute.institute.institute.institute. SignatureSignatureSignatureSignature DateDateDateDate 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 摘摘要要 本论文以莱芜市魏家洼煤矿为研究对象， 采用 FLAC 数值模拟软件对 4 煤条带开采情 况进行数值模拟，并对 4、2 煤上行式开采的可行性进行分析研究；利用概率积分法计算 分析全采和条带开采后地表移动变形规律，并利用其结果指导村庄下压煤条带式开采的 合理设计。 在分析论述了该矿进行村下开采的必要性、可能性和可靠性的基础上，通过对设计 论证区域在全采方案下的地表移动变形进行计算，得知全采情况下，地表移动变形破坏 等级不符合设计原则；经过比较，确定了 2 煤下山西部采用全采方法和东部采用条带开 采的设计方案，并通过计算，此方案的地表移动变形值与地表移动变形使地表建筑物破 坏程度控制在 I 级破坏的设计论证原则相符。 根据 2 煤的平均厚度和其采深、采场初次来压和周期来压步距，结合 4 煤层的实际 开采条件，设计条带采宽为 33.6m，留宽为 22.4m，同时通过计算确定煤柱稳定性、强度 是合适的。 综合考虑，最终确定 2 煤层的开采方案为在 4 煤层开采引起的岩层移动基本稳定 之后进行上行条带式开采。 本论文的研究可以为我国一些矿区建筑物下，尤其是以砖混结构为主的建筑物下压 煤开采提供借鉴。 关键词村庄下压煤；数值模拟；上行开采；条带开采关键词村庄下压煤；数值模拟；上行开采；条带开采 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 AbstractAbstractAbstractAbstract Thispaper takes Laiwu cityWeiJiawa coal mine as the object of study, uses the FLAC numerical simulation software to carryonthe numerical simulation to the 4thcoal bed strip mining situation, and conducts the analysis research to 2ndcoal bed upward mining feasibility; Computing and analysing the surface migration distortion rules of all-mined and strip mining byusing the probability integral, and instructs the reasonable design of strip mining under the villagebyusingitsresult. Onthe bases of elaborating the necessity, possibility and reliability of this mine carrying on mining under the village, and by carrying on the computation of the surface migration distortion ofall-mined plan, knowsthatin thissituation, the surface migration distortion destructionrankdoes not con to the principle of the design; After comparison, we determine that the west of 2ndcoal bed uses all-mined and eastern partuses strip mining, andinthissituation, the surface migration distortion rank cons to the principle of the design which destroys inIlevel. According to the depth and average thickness of the 2ndcoal bed, the distance of the first press and the step of cycle press of the stope, united the actual mining conditions of the 4th coal beds, we design the width of mined stripis33.6m, keptis22.4m. And simultaneously, the coal column stability and the intensityisappropriate through the computation. Overall uation, finally the determined mining plan of the 2ndcoal bedisthatcarrying on upward strip mining after the 4thcoal bed mining rock layer migration basic stable. This paper may be used for reference by someminingarea under building mining of our country, especially under the mix brick building structure. KeyKeyKeyKey wordwordwordwords s s s miningminingminingmining underunderunderunderthethethethe villagevillagevillagevillage, , , , numericalnumericalnumericalnumerical simulationsimulationsimulationsimulation, , , , upwardupwardupwardupward miningminingminingmining, , , , stripstripstripstrip miningminingminingmining 山东科技大学工程硕士学位论文目录 目目录录 1 1 1 1绪论绪论绪论绪论.. .. .. ..1 1 1 1 1.1问题的提出 1 1.2国内外研究现状 2 1.3主要研究内容 6 2 2 2 2井田地质特征概述井田地质特征概述井田地质特征概述井田地质特征概述.. .. .. ..7 7 7 7 2.1矿区概况 7 2.2地质特征 8 2.32 煤层开拓和地质概况....15 2.44 煤层开采情况....16 2.5开采区域地面建（构）物及压煤情况...17 2.6本章小结.. 19 3 3 3 32 2 2 2、、、、 4 4 4 4 煤层上行煤层上行煤层上行煤层上行式式式式开采的可行性研究开采的可行性研究开采的可行性研究开采的可行性研究. . . .20202020 3.14 煤层全采区域 2 煤层上行式开采可行性研究 20 3.24 煤层条采区域 2 煤层上行式开采可行性研究 23 3.3本章结论........27 4 4 4 4条带式开采方案设计条带式开采方案设计条带式开采方案设计条带式开采方案设计.. .. .. .... .. .. ..29292929 4.1全采后地表移动变形计算分析...32 4.2条采后地表移动变形计算分析...38 4.3条带开采方案设计...44 4.4本章小结...46 5 5 5 5地下开采对地表建筑物的影响分析地下开采对地表建筑物的影响分析地下开采对地表建筑物的影响分析地下开采对地表建筑物的影响分析49494949 5.1采动过程中地表移动和变形的一般规律..49 5.2地表移动和变形对建筑物的影响..50 5.3开采沉陷的影响因素..52 5.4开采条件对地表沉陷的影响分析..57 山东科技大学工程硕士学位论文目录 6 6 6 6结论结论结论结论59595959 致致致致谢谢谢谢6 6 6 61 1 1 1 参考文献参考文献参考文献参考文献6 6 6 62 2 2 2 山东科技大学工程硕士学位论文目录 ContentsContentsContentsContents 1 1 1 1I I I Introductionntroductionntroductionntroduction... ... ... ...1 1 1 1 1.1Question statements....1 1.2Present situations of domestic and foreign research ................. 2 1.3Important contents.. ...6 2 2 2 2TheTheTheTheoutlineoutlineoutlineoutline ofofofofthethethethe miningminingminingmining fieldfieldfieldfieldgeologicalgeologicalgeologicalgeological featurefeaturefeaturefeature.. .. .. .. 7 7 7 7 2.1Mining area surveys.. .7 2.2Geological features.... 8 2.3Theregion development and the geological survey of 2ndcoal bed ... 15 2.44thcoal bed mining situation... 16 2.5The situation of the mining region to construct construction the thing and presses the coal.17 2.6Conclusions of this chapter.. 19 3 3 3 3TheTheTheThestudystudystudystudy ofofofof2 2 2 2nd ndndnd coalcoalcoalcoal bedbedbedbed upwardupwardupwardupward miningminingminingmining feasibilityfeasibilityfeasibilityfeasibility.............20.............20.............20.............20 3.1Theupward mining feasibility studyof4thcoal bedsall-mined region. 20 3.2Theupward mining feasibility studyof4thcoal bed strip mining region.. .23 3.3Conclusions of this chapter .... .27 4 4 4 4TheTheTheThedesigndesigndesigndesign ofofofofstripstripstripstrip minminminmininginginging.. .. .. ..29292929 4.1Thesurface migration distortion computation analysis ofall-mined region .. 32 4.2Thesurfacemigrationdistortioncomputationanalysisofstrippedmining region.38 4.3Strip mining project design. .44 4.4Conclusions of this chapter.. 46 5 5 5 5UndergroundUndergroundUndergroundUnderground miningminingminingmining toto toto surfacesurfacesurfacesurface buildingbuildingbuildingbuilding influenceinfluenceinfluenceinfluenceanalysisanalysisanalysisanalysis...............49...............49...............49...............49 5.1Thesurface migration and the distortion general rule during mining.. 49 5.2Surface migrations and distortion to building influence.. 50 5.3Mining settlement influence factors................. 52 5.4Theinfluence analysis of the surface settlementofmining under constructions in this 山东科技大学工程硕士学位论文目录 mine....57 6 6 6 6ConclusionsConclusionsConclusionsConclusions........................................................................59595959 ReferencesReferencesReferencesReferences...61...61...61...61 T T T Thankshankshankshanks.63.63.63.63 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出 煤炭是我国的主要能源，随着国民经济稳步地向前发展，对煤炭的需求量必然日益 增大。为了满足国家日益发展的需要，煤炭工业不仅要建设新的大型现代化矿井以增加 煤炭产量，而且还要充分进行老矿井挖潜，最大限度地解放“三下”（建筑物下、水体下、 铁路下）压煤量，增加可采储量，延长矿井服务年限，经济合理地提高煤炭资源回收率。 我国“三下”压煤储量较大，据不完全统计，目前我国统配煤矿“三下”压煤总量为 137.9 亿t，其中建筑物下压煤量为 87.6 亿t，占整个压煤量的 63.5％。建筑物下压煤又 以村庄下压煤所占的数量最大，占建筑物下压煤量的比例为 60，达到 52.21 亿t。人 口密集、村庄集中的山东、河南、河北、安徽、江苏五省区压煤的村庄达到 1094 个， 住 户 11 万户，占我国村庄下压煤量的 55以上。村庄压煤几乎遍及各个矿区，一般占矿 井储量的 10～30。然而 50 多年来，尽管有各个方面的共同努力，从“三下一上”压煤 中采出来的煤量只有 7 亿ｔ，仅占其压煤量的 5左右。从村庄下采出的煤量仅为 2.33 亿ｔ，占整个村庄下压煤量的 4，且其中的 1.76 亿ｔ还是靠村庄搬迁采出的。如果将 已取得的科研成果进行推广，转化为生产力，将村庄下压煤解放一半，就可供 100 个年 产能力 100 万ｔ的矿井生产 26 年，前景十分可观。合理地解决建筑物下采煤问题，不 论是从理论上、技术上，还是从经济上，对发展煤炭科技及煤矿生产都有重要意义。一 方面可以合理开采和利用资源，提高煤炭回收利用率，延长矿井服务年限，使矿井延缓 衰老。另一方面，也可以避免地表沉陷给社会及人民生活造成影响，便于缓和工农关系， 减少赔偿费用，减轻企业负担。因此，探索解决村庄下开采的新途径越来越受到重视， 成为国内外专家和学者重点研究的课题之一。 本论文以莱芜市魏家洼煤矿为例，在了解其井田地质特征的基础上，采用 FLAC 数值 模拟软件对 4 煤层条带开采情况进行数值模拟，以期对 2 煤上行开采的可行性进行分析 论证，并利用概率积分法计算分析全采和条带开采后地表移动变形规律，利用其结果指 导村庄下压煤条带式开采的合理设计。 1.21.21.21.2国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 2 1.2.11.2.11.2.11.2.1村庄下采煤的研究现状村庄下采煤的研究现状村庄下采煤的研究现状村庄下采煤的研究现状 1.2.1.1国外城镇及建筑物下采煤的研究现状 国外进行过建筑物下采煤的国家很多，其中波兰的建筑物下采煤技术在世界上处于 领先地位。波兰城镇及建筑物下采煤的特点之一是规模大。到目前为止，开展城镇下采 煤的有卡托维兹、贝托姆、亚什詹别等 6～7 个现代化城镇，全国 65 个煤矿几乎全都涉 及城镇及工业建筑物下采煤。卡托维兹市 35 万人，贝托姆 25 万人，这些城镇既有百年 以上的老建筑物，也有近年新建的十多层高大建筑物，既有地面各类房屋，又有地下各 类管网。开采影响的工业建筑物有钢铁厂，重型机械制造厂，焦化厂，水泥厂及小型发 电厂等。波兰城镇下采煤的特点之二是安全可靠性高。城镇下采煤大部分都是采用水砂 充填方法，仅在开采薄煤层及中厚煤层时部分采用冒顶方法，浅部开采时采用条带式开 采方法。在工业建筑物下采煤，基本上未影响工业生产和交通运输，如兹柯达重型机械 制造厂下采煤，时间长达 20 年，累计采厚达 20m，地表下沉 2.71m，但工厂生产从未受 影响。第三个特点是，波兰城镇下采煤的经济效益十分显著。城镇下采煤增加的费用， 包括建筑物加固（新建时加固造价增加 5～20％） ，维修及迁建三部分，据几个开展城镇 下采煤的煤矿介绍，这种费用一般仅占吨煤生产成本的 2～4％，经济效益显著。第四个 特点是，国家把城镇下采煤视为重大的战略问题，还制订了采矿法，对城镇下采煤用法 律形式进行规范，得到了国家法律的保障，任何部门、行业和公民都必须遵照执行。 德国是研究建筑物、构筑物下采煤悠久的国家，技术水平也在世界居领先地位。建 筑物、构筑物下采煤有法可依，有相应的规程、规范可循。一般多数采取采后维修的办 法，少数采用采前加固的方法，地质采矿条件不利时，采取充填法开采或限厚开采措施。 目前除发电厂留设保护煤柱外，其它工业设施和城镇压煤全部进行开采。 英国对建筑物下采煤也非常重视。1950 年和 1957 年，英国国会先后两次召集会议 专门讨论“三下”采煤问题，并做出决定，除了对井筒和绞车房留设保护煤柱外，其它建 筑物压煤均应开采。其他一些主要采煤国家都对“三下”开采技术进行了不同程度的研究 和应用。 1.2.1.2我国村庄下采煤发展历程回顾 我国的“三下”采煤工作是从 20 世纪 50 年代开始的。几十年来我国广大科技人员在 学习国外先进经验的同时一直在积极探索、试验具有我国特色的村庄下压煤开采问题。 村庄下开采工作大致可以分成以下四个阶段。 第一阶段（1970 年以前） ，当时由于我国在开采沉陷理论和“三下”采煤技术方面经 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 3 验不足，矿区村庄一般比较小，矿区有搬迁地，因而主要采取村庄搬迁的办法对村庄下 压煤进行开采。 第二阶段（1971～1985 年） ，此时我国已基本掌握了开采沉陷理论和“三下”采煤技 术，开始采用采后维修加固的方法进行村庄下压煤开采试验。 第三阶段（1986 年后） ，村庄下开采试验表明，当煤层开采厚度大，开采深度不太 大时，采用大冒顶方法开采村庄下压煤，很难保证村庄房屋不受到严重破坏，而采用条 带法开采，煤炭损失率太大。为了解决村庄下开采这个量大面广的难题，煤科院唐山分 院、 北京开采所和中国矿大等单位与企业合作，积极开展就地建抗变形结构村庄的试验。 为此，“七五”期间首先对适合各种条件下的农村抗变形结构房屋进行了实地试验。在农 村抗变形结构试验房采动试验成果的基础上，1989 年开始进行就地重建抗变形结构村庄 开采试验。并且都取得了成功，为在矿区建抗变形结构村庄取得了丰富的实践经验和理 论依据。 第四阶段，农村抗变形结构房屋开采试验的成功，给村庄下开采带来了一线希望。 人们试图用这种方法解决部分村庄下压煤开采问题。但是通过实践发现还存在许多经济 和技术问题难于解决，特别在市场经济条件下，建设抗变形结构农村，抗变形技术措施 费一般占建房造价的 25左右，一次性投资太大，企业难于承受。一些技术和环境问题 也难于解决，如房屋倾斜纠正问题，开采后沉陷区积水等，特别在高潜水位地区，积水 问题更难解决，因此建抗变形结构农村也难于在实践中推广应用。 村庄下开采似乎是走进了死胡同，大家急于寻找能够解决村庄下开采的新方法、新 技术。在这种情况下，有人开始寄托于在特定条件下，用条带式开采方法，以牺牲稍许 的回采率为代价，来减缓地表沉陷方法，解决建筑物和村庄下煤层开采这个大难题。 1.2.21.2.21.2.21.2.2条带式开采的研究现状条带式开采的研究现状条带式开采的研究现状条带式开采的研究现状 条带开采源于房柱式开采， 我国自抚顺胜利矿 1967 年利用充填条带法进行市区下采 煤以来，先后在抚顺、阜新、蛟河、峰峰、鹤壁、平顶山、徐州等矿区进行了多个条带 开采的试验与实践，创造了巨大的社会和经济效益，取得了一些有益成果。 早期条带的开采宽度是保证煤柱长期稳定的前提下，尽可能采用小采宽，因在小采 宽条件下顶板不冒落，其地表沉降主要由煤柱的压缩、煤柱压入顶、底板量控制，地表 变形的控制主要通过调整采出率实现。随着条带实践的增加，逐步认识到条带开采的冒 落在一定程度上有利于条带煤柱的长期稳定，由于煤的强度远小于顶板岩体的强度，顶 板的冒落使煤体增加了侧限压力，从而较大地增加了支撑与长期稳定，而煤柱的承载力 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 4 已转化为顶板岩体的承载力，从而增加了煤柱的强度和长期的稳定性。 条带开采的研究涉及岩石力学包括岩石及煤的强度， 煤柱应力的变化及煤柱的稳定 等和开采沉陷学包括条带开采的沉陷机理、地表移动与变形的计算、开采方案的设计 等两大领域。对条带开采的研究主要分 3 个方面现场试验与观测、模型试验和数值计 算分析研究包括力学的理论计算,模型试验以相似材料试验为主