兴隆煤矿下保护层开采倾向保护范围划定相似模拟实验及其可靠性研究.pdf

兴隆煤矿下保护层开采倾向保护范围划定相 似模拟实验及其可靠性研究 重庆大学硕士学位论文 （学术学位） 学生姓名赵文杰 指导教师王宏图 教 授 专 业矿业工程 学科门类工 学 重庆大学资源及环境科学学院 二〇一七年四月 万方数据 万方数据 Similar Simulation Experiment and Reliability Study on Inclined Protection Scope of Under-Protective Layer Mining for Xing Long Coal Mine A Thesis ted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’s Degree of Engineering By Zhao Wenjie Supervised by Prof. Wang Hongtu SpecialtyMining Engineering College of Resource and Environment Science of Chongqing University, Chongqing, China April, 2017 万方数据 万方数据 中文摘要 I 摘 要 本文针对下保护层开采倾向保护范围划定问题，依据下保护层开采过程中 覆岩破断理论和瓦斯流动规律，以兴隆煤矿 1601 工作面为研究背景，采用物理 相似模拟实验的方法划定被保护层倾向保护范围，并用数值模拟和现场考察相 结合的方法，验证相似模拟划定倾向保护范围的可靠性。 本文研究取得的主要研究成果有 ①采用理论分析法，分析得出下保护层开采过程中覆岩运动特征，指出近 水平、倾斜和急倾斜覆岩运动规律的不同；并指出下保护层开采过程中近水平、 倾斜和急倾斜覆岩采动裂隙对瓦斯运移的影响因素。 ②通过下保护层开采物理相似模拟实验，明确了覆岩应力集中特征和应力 分布形态；实验研究表明，被保护层在运输巷道和回风巷道留设煤柱形成了较 大的应力集中，采空区正上方岩层由于下沉位移较大，整体应力分布呈近似开 口“U”形。 ③在下保护层开采物理相似模拟实验结果基础上，依据 3‰的变形准则，划 定了相似模型下保护层开采倾向有效卸压范围的上、 下边界卸压角， 分别为 91 、 67.4 。 ④采用数值模拟方法，并依据煤层残余瓦斯压力≤0.74Mpa 的准则，确定了 倾向保护范围的上、下边界卸压角分别为 92.7 、70.1 ；基于 3‰的变形准则， 划定的倾向保护范围上、下边界卸压角分别为 90.3 、68.5 。 ⑤根据兴隆煤矿 1601 工作面现场考察结果，划定了下保护层开采倾向有效 卸压范围的上边界卸压角为 91.4 ，下边界卸压角为 67.6 ；通过比较本次三 种方法划定的倾向保护范围，三种方法划定的倾向保护范围差别较小，且本次 物理相似模拟实验结果更接近现场考察结果，说明本研究采用物理相似模拟划 定的保护范围基本是可靠的。 关键词关键词煤层群，下保护层开采，物理相似模拟，倾向保护范围，可靠性 万方数据 重庆大学硕士学位论文 II 万方数据 英文摘要 III ABSTRACT Based on the theory of overburden breakage and the law of gas flow in the protective layer mining, the 1601 working face of Xinglong coal mine is used as the research background, and the similar simulation experiment is used to define the protective layer And the reliability of the similar range of protection is verified by the combination of numerical simulation and field investigation. The main achievements of this paper are ① The theoretical analysis is used to analyze the characteristics of overlying strata during the exploitation of the lower protective layer, and the movement rules of the near horizontal, inclined and steep overlying strata are pointed out. The results show that the horizontal, Distribution Characteristics of Gas Migration Channel ed by Precipitation Overlying Strata. ② The physical similarity simulation experiment of the lower protective layer is carried out, and the stress concentration and stress distribution of the overburden are clarified. The experimental results show that the protective layer has a large stress concentration in the roadway and the return airway , The upper part of the mined-out area is larger than the sinking, and the whole stress distribution is “U“. ③ Based on the simulation results of the lower protective layer mining, the upper and lower boundary relief angles of the effective pressure relief range of the protective layer under the model are defined according to the deation criterion of 3 ‰, which is 91 , 67.4 . ④ Using numerical simulation , and according to the criterion of residual gas pressure ≤0.74Mpa in coal seam, the upper and lower boundary pressure relief angles of 92.7 and 70.1 are defined respectively. Based on the deation criterion of 3 ‰, Protection range, the lower boundary pressure relief angle were 90.3 , 68.5 . ⑤According to the site investigation and analysis of 1601 working face of Xinglong Coal Mine, the upper pressure relief angle of the lower pressure protection zone is 91.4 and the lower pressure relief angle is 67.6 . By comparing the three s The protection range of the three s is different, and the results of the similar physical simulation experiments are closer to the results of the field 万方数据 重庆大学硕士学位论文 IV investigation, which shows that the protection range specified by the physical similarity simulation is basically reliable. Key words Coal seam group,Underside protective layer mining, Physical similarity simulation, The inclined scope of protection, Reliability 万方数据 目 录 V 目 录 中中文摘要文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪绪 论论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出问题的提出 ............................................................................................................................... 1 1.2 研究的目的及意义研究的目的及意义 ................................................................................................................... 2 1.3 国内外研究现状国内外研究现状 ....................................................................................................................... 3 1.3.1 国内外保护层开采防突机理的研究现状 ........................................................................ 3 1.3.2 国内外保护层开采应用研究现状 .................................................................................... 4 1.3.3 下保护层开采卸压范围划定的相似模拟研究现状 ........................................................ 6 1.4 研究内容及技术路线研究内容及技术路线 ............................................................................................................... 6 1.4.1 研究内容 ............................................................................................................................ 6 1.4.2 技术路线 ............................................................................................................................ 7 2 下保护层开采上覆岩层破断理论及瓦斯运移规律下保护层开采上覆岩层破断理论及瓦斯运移规律 ...................................... 9 2.1 概述概述 ........................................................................................................................................... 9 2.2 下保护层开采上覆岩层破断理论下保护层开采上覆岩层破断理论 ........................................................................................... 9 2.2.1 下保护层开采上覆岩层运动假说 .................................................................................... 9 2.2.2 下保护层开采倾向方向的岩层运动特征 ...................................................................... 11 2.2.3 下保护层开采沿走向方向的岩层裂隙特征 .................................................................. 12 2.3 下保护层开采采动影响下的瓦斯运移理论下保护层开采采动影响下的瓦斯运移理论 ......................................................................... 14 2.3.1 下保护层开采瓦斯来源 .................................................................................................. 14 2.3.2 下保护层开采动影响下的瓦斯流动理论 ...................................................................... 15 2.3.3 下保护层开采采动影响的下瓦斯流动参数 .................................................................. 16 2.3.4 下保护层开采采动裂隙对瓦斯运移的影响 .................................................................. 17 2.4 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 19 3 兴隆煤矿煤岩力学参数测定兴隆煤矿煤岩力学参数测定 .................................................................................... 21 3.1 实验的目的及其准备工作实验的目的及其准备工作 ..................................................................................................... 21 3.1.1 实验的目的 ...................................................................................................................... 21 3.1.2 实验前的准备工作 .......................................................................................................... 21 3.2 试件单轴压缩实验试件单轴压缩实验 ................................................................................................................. 21 3.2.1 单轴压缩实验标准试件的制备 ...................................................................................... 21 3.2.2 岩石单轴压缩实验过程及实验结果 .............................................................................. 22 万方数据 重庆大学硕士学位论文 VI 3.3 试件的巴西劈裂实验试件的巴西劈裂实验 ............................................................................................................. 25 3.3.1 岩石巴西劈裂实验标准试件的制备 .............................................................................. 25 3.3.2 岩石巴西劈裂实验过程及实验结果 .............................................................................. 25 3.4 试件的压剪实验试件的压剪实验 ...................................................................................................................... 27 3.4.1 压剪实验标准试件的制备 .............................................................................................. 27 3.4.2 岩石剪切实验过程及实验结果 ...................................................................................... 27 3.5 本章小结本章小结 ................................................................................................................................. 30 4 下保护层开采倾向保护范围划定相似模拟实验下保护层开采倾向保护范围划定相似模拟实验 ......................................... 31 4.1 相似模拟基本理论及相似条件相似模拟基本理论及相似条件 ............................................................................................. 31 4.1.1 相似模拟的基本理论 ....................................................................................................... 31 4.1.2 相似模拟的相似条件 ....................................................................................................... 31 4.2 物理相似模拟实验设计物理相似模拟实验设计 ......................................................................................................... 32 4.2.1 矿井概况及实验原型 ....................................................................................................... 32 4.2.2 相似常数的确定、相似材料选择及配比计算 ............................................................... 35 4.2.3 相似模拟实验模型制作及加载 ....................................................................................... 38 4.2.4 相似模拟实验模型开采 ................................................................................................... 41 4.3 下保护层开采相似模拟上覆（煤）岩层相关参数变化规律下保护层开采相似模拟上覆（煤）岩层相关参数变化规律 .............................................. 45 4.3.1 下保护层开采相似模拟覆岩位移、应变变化规律 ....................................................... 45 4.3.2 下保护层开采相似模拟上覆岩层采动裂隙特征 ........................................................... 49 4.3.3 下保护层开采相似模拟被保护层应力、应变变化规律 ............................................... 50 4.4 下保护层开采相似模拟实验倾向保护范围划定下保护层开采相似模拟实验倾向保护范围划定 .................................................................. 51 4.4.1 下保护层开采保护范围划定方法 ................................................................................... 51 4.4.2 下保护层开采相似模拟倾向保护范围划定 ................................................................... 52 4.5 本章小结本章小结 .................................................................................................................................. 53 5 下保护层开采倾向保护范围划定的数值模拟及结果验证下保护层开采倾向保护范围划定的数值模拟及结果验证 .................... 55 5.1 概述概述 .......................................................................................................................................... 55 5.1.1 COMSOL Multiphysics 数值模拟分析软件介绍 ............................................................ 55 5.1.2 数值模拟的矿井概况及原型 ........................................................................................... 55 5.2 下保护层开采的数值模下保护层开采的数值模型的建立型的建立 .......................................................................................... 56 5.2.1 几何模型的建立 ............................................................................................................... 56 5.2.2 煤岩体力学性质及其数值计算参数的确定 ................................................................... 57 5.2.3 模型边界条件的确定 ....................................................................................................... 59 5.2.4 网格剖分及求解域的设定 ............................................................................................... 59 5.3 数值模拟及结果分析数值模拟及结果分析 .............................................................................................................. 61 万方数据 目 录 VII 5.3.1 基于变形准则确定的 4层的倾向保护范围 .................................................................. 61 5.3.2 基于残余瓦斯压力准则确定的 4层的倾向保护范围 ................................................... 63 5.4 不同方法划定的倾向保护范围对比分析不同方法划定的倾向保护范围对比分析 .............................................................................. 66 5.5 本章小结本章小结 .................................................................................................................................. 67 6 结论与展望结论与展望 ......................................................................................................................... 69 6.1 结论结论 ......................................................................................................................................... 69 6.2 展望展望 ......................................................................................................................................... 69 致致 谢谢 ....................................................................................................................................... 71 参考文献参考文献 ....................................................................................................................................... 73 附附 录录 ....................................................................................................................................... 77 A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录作者在攻读学位期间发表的论文目录 .................................................................................. 77 B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目作者在攻读学位期间参与的科研项目 .................................................................................. 77 万方数据 重庆大学硕士学位论文 VIII 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 问题的提出 众所周知，我国煤炭资源非常丰富，而且其在我国能源消费结构中占据重要 地位[1]； 煤炭工业能否快速、 高效、 安全的发展将直接影响我国经济的发展。 然而， 近几年来，随着浅部、简单地质条件的煤炭资源开采完毕，矿井由浅部向深部不 断的延伸，煤层赋存条件也变得愈加复杂，这必然导致煤矿灾害事故频繁发生， 其中煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出事故俨然已成为威胁煤矿高效生产的“五 大”灾害事故之一[2]。 煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出事故指的是在地下煤炭采掘的过程中，在 地应力和煤层瓦斯的作用下，短时间内发生的大量的破碎的煤（岩）和瓦斯由煤 （岩）体内向采掘空间突然喷出的现象。大量研究表明，煤（岩）与瓦斯（二氧 化碳）突出事故是一种极其复杂的能量释放过程和动力现象[3]。它的发生常常伴随 着巨大的声响和强烈的能量效应，并能够毁坏矿井设备和破坏生产系统，并且使 得井巷内充满瓦斯气体和煤（岩）粉尘，造成现场工作人员窒息，甚至有可能引 起巨大的火灾和瓦斯爆炸事故。 由此可见，煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出事故的危害性之大，不仅威胁 着矿井能否安全生产，而且还影响着矿井设备和工作人员的安全，造成巨大经济 损失。例如 2011 年 11 月 10 日，云南省曲靖市师宗县私庄煤矿发生特别重大煤与 瓦斯突出事故，造成 43 人死亡，直接经济损失 3970 万元；2014 年 9 月 1 日凌晨 3 时 57 分，曲靖市富源县境内的白龙山煤矿一号井，事故造成 9 人死亡，直接经 济损失 1446.9 万元。这就进一步凸显了预防和治理煤（岩）与瓦斯（二氧化碳） 突出事故的必要性。 数百余年来，世界各国专家学者对于预防和治理煤（岩）与瓦斯（二氧化碳） 突出事故的研究从未停止过，截至目前，对于瓦斯突出的规律并没有完全掌握， 并不能完全杜绝事故的发生，不过在总结前人经验的基础上，各国都提出了相关 的预防和治理煤（岩）与瓦斯（二氧化碳）突出事故的综合性措施。大量研究表 明，开采保护层是最有效的区域性防突措施之一[4]，它能够显著增加煤层透气性， 进而提高煤层瓦斯抽放效率，进一步降低煤层突出的可能性。因此，在条件允许 情况下，应优先采用开采保护层的方法来解决区域性突出事故的防治问题。 保护层开采之后，保护层的上下煤岩层会向已经形成采空区的方向移动，使 其原有的应力、应变状态发生了很大程度的变化，致使被保护层的瓦斯压力降低， 内部储存的弹性潜能释放，并形成大量的采动裂隙，这样被保护层的游离瓦斯产 万方数据 重庆大学硕士学位论文 2 生流动，吸附瓦斯进一步解析，促进了煤层瓦斯的释放。保护层开采之后，其上 部煤岩层在地应力的作用下形成了“竖三带”的垮落形态，其下部煤岩层也因为 内部应力的释放而形成了底鼓裂隙带。保护层开采的开采效果可用图 1.1 表示。 图 1.1 保护层开采效果图 Fig.1.1 Schematic diagram of the protective layer mining 保护层开采的关键在于如何准确、科学的确定有效保护范围。保护范围的确 定，理论上可以参考保护层开采技术规范确定相关参数值，基本能够保证矿 井安全生产，而且在煤层赋存条件比较简单的矿区得到了比较好的应用。然而在 我国西南地区大多数矿井煤层倾角较大，大多采用俯伪斜的采煤方法，而且不同 煤层群保护层开采时，有效卸压范围的确定还受层间距、埋深、层间岩性等因素 影响。因此，现场保护层开采确