卧龙湖煤矿8煤层采动覆岩破坏移动演化规律研究.pdf

分 类 号 TD325 密 级 公 开 单位代码 10878 学 号 20113301058 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 论文题目论文题目 卧龙湖煤矿卧龙湖煤矿 8 8 煤层煤层采动覆岩破坏采动覆岩破坏 移动演化规律研究移动演化规律研究 学位类别学位类别 工学硕工学硕士士 学科专业学科专业 结构工程结构工程 研究方向研究方向 地下结构工程计算与研究地下结构工程计算与研究 作者姓名作者姓名 刘宗族刘宗族 导师姓名导师姓名 杨本水杨本水 高工高工 完成时间完成时间 20142014 年年 3 3 月月 万方数据 卧龙湖煤矿 8 煤层采动覆岩破坏移动演化规律研究 Research on overburden strata failure in WoLonghu coal mine 学位类别学位类别 工学硕士工学硕士 学科专业学科专业 结构工程结构工程 研究方向研究方向 地下结构工程计算与研究地下结构工程计算与研究 作者姓名作者姓名 刘宗族刘宗族 导师姓名导师姓名 杨本水杨本水 高工高工 完成时间完成时间 20142014 年年 3 3 月月 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - I - 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - II - 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得 安徽建筑大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 安徽建筑大学 有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽建筑大学 。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 安徽建筑大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位 论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - III - 摘 要 煤炭属于不可再生资源，随着经济社会的发展，煤炭不断被大量消耗，能源 矛盾日显突出，如何回收更多资源成为愈显重要的问题。今后对于三下（水体下、 铁路下、建筑物下）煤层的开采必将越来越多，为了保证三下煤层的安全开采， 需要对煤层开采过程中覆岩移动破坏规律进行研究。 论文以卧龙湖煤矿 8102 工作 面为背景，采用相似材料模拟、数值模拟、现场实际观测与力学及数学理论研究 等方法，对卧龙湖煤矿覆岩破坏规律进行了研究。 论文首先通过分析卧龙湖煤矿地质及水文地质特征，得到了矿井防治水工作 的方向后，对 2013-3 孔、水 7 孔及 1-6 孔钻孔取芯岩样进行物理力学性能测试， 获得了 8102 工作面上覆岩层的岩石物理力学参数。 根据岩石物理力学参数及工作面工程地质模型设计了相似模拟实验，相似模 拟实验分 11 步开挖，观察了煤层开挖后顶板下沉、裂缝、冒落带及导水裂隙带高 度演化特征， 并分析得到了 8102 工作面达到充分采动的推进距离和两带最大发育 高度。 应用 FLAC3D 程序对 8102 工作面开采进行了模拟，模拟得到了煤层开采 20m、60m、100m、140m、180m 及 220m 倾向和走向的主应力云图、垂直应力云 图及覆岩塑性区分布图， 根据应力云图和塑性区分布图确定了两带最大发育高度。 在以上岩石力学试验、相似模拟和数值模拟的基础上，分析卧龙湖临近矿区 地质特征、采煤厚度与导水裂隙带的关系，与三下开采规程及其他经验公式进行 比较，利用模糊数学方法推导了卧龙湖煤矿的导水裂隙带经验公式。针对卧龙湖 矿已采工作面 8101 工作面将新公式与其它公式比较可以看出新公式更接近实际 结果，说明了新公式的对卧龙湖煤矿的具体情况更适合。并根据新公式计算得到 8102 工作面导水裂隙带高度和裂采比。 分析结果表明卧龙湖煤矿 8 煤层开采达到充分采动的工作面推进距离在 160m 左右， 冒采比在 2.91 到 3.95 之间， 最大冒采比 3.95； 裂采比在 9.42 到 14.34 之间，最大裂采比 14.34。卧龙湖煤矿 8 煤开采导水裂隙带一般不会发展至 K3 砂 岩含水层，可以实现 8 煤安全开采。 图 [33] 表 [16] 参 [58] 关键词关键词覆岩破坏；相似模拟；数值模拟；规律研究；开采上限 分类号分类号TD325 ； 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - IV - Abstract The coal resource is non-renewable resources.With the development of economy, the coal resource is consumed gradually, and energy has become increasingly prominent.Based on the WoLonghu coal mine 8102 working face as the prototype.Paper uses s of analog simulation,numerical simulation, field observation ,mechanical and mathematical theory research etc ,to research the rule of overlying rock destruction of WoLonghu coal mine. Through the analysis of the hydrogeological characteristics of Wolong Lake coal mine to obtain work direction of preventing water.Then, making physical and mechanical property test about core samples that were drilled from the 2013-3 pore, water 7 hole and 1-6 hole.Getting physical and mechanical parameters of the rock overburden in 8102 Face. Analog simulation is designed based on the rock physical and mechanical parameters and histogram.Observing evolution characteristics of roof subsidence,cracks,caving zone and the height of water conducting fractured zone in 11 step excavation of analog simulation,and getting the advance distance and the two largest height of the 8102 working face when fully mining. Use the FLUAC3D to simulate 8102 working face mining.Then obtaining the principal stress nephogram, vertical stress nephogram and overlying strata distribution of plastic zonestrata plastic layout of tendency and direction when coal mining 20m ,60m, 100m, 140m, 180m and 220m. According to those nephograms to determine the two largest growth altitude. The relationship between Wolong lake near the mine geology, mining thickness with water flowing fractured zone gets based on the above rock mechanics test,analog simulation and numerical simulation.And compared with three mining regulations and other empirical ula to get the calculation ula of the fractured zone of Wolong Lake coal mine.According to 8101 face of the Wolong Lake mine that has been mined ,the new ula is more close to the actual results through comparing with other ulas. Illustrating the new ula more suitable for the specific situation of Wolong Lake coal mine. The results showed that working face advancing distance is about 160m when 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - V - full mining of the wolong lake coal’s 8 coal mining.take the production ratio is between 2.91 to 3.95,the maximum risk production ratio is 3.95;crack production ratio is between 9.42 to 14.34, the maximum crack production ratio is 14.34. Figure [33] table [16] reference [58] KeyWordsThe failure state of overburden strata; analog simulation ；numerical simulation; mining upper limit Chinese books catalogTD325 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - VI - 目目 录录 摘 要...................................................................................................................II Abstract ................................................................................................................... IV 插图清单................................................................................................................. 10 表格清单................................................................................................................. 12 第一章 绪论.......................................................................................................- 1 - 1.1 问题的提出和研究意义..........................................................................- 1 - 1.2 国内外研究现状......................................................................................- 1 - 1.2.1 相关规程规章................................................................................- 1 - 1.2.2 相关理论成果................................................................................- 2 - 1.2.3 相关研究方法................................................................................- 2 - 1.3 本文主要研究方法、内容和技术路线..................................................- 3 - 1.3.1 本文研究方法及内容....................................................................- 3 - 1.3.2 技术路线........................................................................................- 3 - 第二章 卧龙湖煤矿地质特征及水文地质特征...............................................- 5 - 2.1 矿区概况..................................................................................................- 5 - 2.2 矿区地质概况..........................................................................................- 6 - 2.2.1 地层................................................................................................- 6 - 2.2.2 煤层................................................................................................- 8 - 2.2.3 构造................................................................................................- 9 - 2.3 水文地质特征........................................................................................- 12 - 2.3.1 主要含水层..................................................................................- 12 - 2.3.2 主要隔水层..................................................................................- 18 - 2.4 本章小结................................................................................................- 19 - 第三章 覆岩物理力学性能测试.....................................................................- 20 - 3.1 覆岩力学性能试验................................................................................- 20 - 3.1.1 岩石密度试验..............................................................................- 20 - 3.1.2 岩石劈裂试验.............................................................................- 21 - 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - VII - 3.1.3 岩石单轴压缩及变形试验..........................................................- 22 - 3.1.4 岩石三轴压缩及变形试验.............................................................. 23 3.1.5 岩石剪切试验.................................................................................. 25 3.2 岩石力学试验结果.................................................................................... 26 3.3 本章小结.................................................................................................... 28 第四章 相似模拟研究......................................................................................... 29 4.1 概述............................................................................................................ 29 4.1.1 相似理论.......................................................................................... 29 4.1.2 相似模拟.......................................................................................... 32 4.2 实验模型设计............................................................................................ 32 4.3 模型开采、监测及参数整理.................................................................... 34 4.3.1 模型开采.......................................................................................... 34 4.3.2 实验监测.......................................................................................... 34 4.3.3 实验数据整理.................................................................................. 35 4.4 实验结果分析............................................................................................ 36 4.4.1 顶板下沉情况.................................................................................. 36 4.4.2 两带发育情况.................................................................................. 37 4.5 本章小结.................................................................................................... 38 第五章 覆岩破坏 FLAC3D 数值模拟分析 ....................................................... 40 5.1 有限差分法及 FLAC3D 程序简介 .......................................................... 40 5.2 数值模拟研究............................................................................................ 41 5.2.1 计算模型.......................................................................................... 41 5.2.2 数值模拟材料及其屈服准则.......................................................... 42 5.2.3 计算区域、初始应力及边界条件.................................................. 44 5.2.4 参数的选择...................................................................................... 46 5.3 模拟结果分析比较.................................................................................... 46 5.3.1 应力场模拟结果分析...................................................................... 47 5.3.2 塑性区分布模拟结果分析.............................................................. 51 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - VIII - 5.4 两带发育高度的确定................................................................................ 54 5.5 本章小结.................................................................................................... 55 第六章 卧龙湖煤矿两带高度预测..................................................................... 56 6.1 冒落带高度预测........................................................................................ 56 6.2 导水裂隙带高度预测................................................................................ 57 6.2.1 影响因素描述与预测模型.............................................................. 57 6.2.2 实例检验.......................................................................................... 60 6.2.3 新公式计算 8102 面裂隙带高度.................................................... 61 6.3 本章小结.................................................................................................... 61 第七章 结论及展望............................................................................................. 63 7.1 结论............................................................................................................ 63 7.2 展望............................................................................................................ 64 参考文献................................................................................................................. 65 致谢......................................................................................................................... 68 作者简介及读研期间主要科研成果..................................................................... 69 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 - IX - Contents Abstract I Introduction .1 Chapter 1 .2 conclusion ...7 reference ..9 appendix A .11 postscript or compliment 13 resume of tutor 11 resume of author .11 万方数据 - 10 - 插图清单 图 1-1 技术路线图 ..............................................................................................- 4 - 图 2-1 卧龙湖矿交通位置示意图 ......................................................................- 6 - 图 2-2 矿井构造纲要图 ....................................................................................- 10 - 图 3-1 TAW-2000 型微机控制电液伺服岩石三轴剪切复合试验机（劈裂实验） ....................................................................................................................- 22 - 图 3-2 劈裂实验岩块破坏裂痕图 ....................................................................- 22 - 图 3-3 单轴抗压强度试验加载前图 .................................................................... 23 图 3-4 单轴抗压强度试验加载后破坏图 ............................................................ 23 图 3-5 TAW-2000 型微机控制电液伺服岩石三轴剪切复合试验机三轴系统 25 图 3-6 剪切试验加载前 ........................................................................................ 26 图 3-7 剪切试验加载后岩石破坏图 .................................................................... 26 图 4-1 相似材料模型设计图 ................................................................................ 33 图 4-2 模型照片 .................................................................................................... 34 图 4-3 顶板应力测点分布图（单位 cm） .......................................................... 35 图 4-4 位移应力测点及光纤布置图（正面） .................................................... 35 图 4-5 顶板下沉曲线 ............................................................................................ 37 图 4-6 冒落带高度发展趋势图 ............................................................................ 38 图 4-7 导水裂隙带高度发展趋势图 .................................................................... 38 图 5- 1 FLAC3D 一般求解流程 ............................................................................ 41 图 5-2 三维有限差分地质模型 ..................................................................