羊场湾煤矿大采高综采工作面矿压显现规律研究.pdf

论文题目羊场湾煤矿大采高综采工作面矿压显现规律研究 工程领域矿业工程 硕 士 生陶冰鑫 （签名） 指导教师来兴平 （签名） 周光华 （签名） 摘 要 大采高综采技术是厚煤层开采工艺的重要发展方向之一。大采高综采工作面采场顶 板覆岩运移规律和采场矿压显现规律有其特殊性。回采过程中上覆岩层冒落高度及裂隙 带高度的加大，使得采场受采动影响范围扩大，采场内局部区域片帮冒顶严重，强矿压 事件频发，严重制约大采高综采工作面的安全高效开采。 针对神华宁煤集团羊场湾煤矿厚煤层开采地质条件，结合理论分析、现场调研、物 理相似模拟实验、 数值模拟实验以及现场实测等手段分析羊场湾矿区大采高综采工作面 矿压显现规律。研究结果表明基于物理相似模拟实验得出大采高综采工作面上覆岩层 破坏影响具有传递性和能量递减性，工作面呈现大小周期来压规律，大周期来压步距在 3040m 范围内，约为小周期来压步距的 1 倍，大周期来压期间，相较于小周期来压期 间岩层垮落高度明显增大，影响范围也随之增大；借助 FLAC3D有限元数值模拟分析认 为大采高综采工作面上-下两个端头处于应力集中区域， 上端头在前方 1535m 内处于应 力集中，下端头应力集中范围约为 1025m；最后通过对现场实测数据进行定性分析， 分析数据表明初次来压步距为 36.0m， ； 依据上述研究结果， 合理提出工作面回采过程中 大周期来压期间矿压监测、顶板管理等建议，对实现大采高综采工作面安全高效开采具 有重要作用。 本论文研究成果已成功应用于羊场湾大采高综采工作面顶板管理工程中，应用效果 显著，这对保障厚煤层安全高效开采具有重要的现实意义。 关 键 词厚煤层；大采高综采；覆岩运移；矿压显现规律；支承压力分布 研究类型应用研究 万方数据 Subject Ground pressure patterns mining with high-height seam using mechanized langwall face in Yangchangwan colliery SpecialityMineral Engineering Name Tao Bingxin （（Signature）） InstructorLai Xingping （（Signature）） Zhou Guanghua （（Signature）） Abstract High-height fully mechanized mining is one of the important developing direction of thick coal seam mining process. Movement and ground pressure characteristics of surrounding rock in full-mechanized mining face with large mining height has its particularity. As a result, the height of caving zone and fracture zone is increased obviously, and enlarge the range of the mining affecting scope. Also, spalling and roof falling are emerged severely in local area. Strong pressure has happened frequently, which restrict safe and efficient mining in the working face seriously. Based on mining and geological settings in Yangchangwan coal mine of Shenhua Ningxia Co., Ltd., pressure behavior of high-height mining face in the yangchangwan coal mine is analyzed through theoretical analysis, field investigation, physical simulation, numerical simulation and field measurement. The results show that Based on the physical similarity simulation test, the influence of the failure of overlying strata in the fully mechanized mining face with large mining height is transitive and the energy decreasing. The working face presents the periodic pressure, and the large period of the pressure step is within 3040m , which is about twice long of the small period of the pressure step, during the large period , the load of the frame increases instantly, the working resistance and the dynamic load coefficient of the support is greater than that of the first time; with the aid of the FLAC3D finite element numerical simulation analysis, it is considered that the top two end heads are in the stress concentration area in the fully mechanized coal mining face, the upper end of the head at the stress concentration in front of 1535m, the lower end of the stress concentration range is about 1025m; finally, through the qualitative analysis of the field data, the data show that the initial step distance is 36.0m; according to the above research results, it is suggested that the mining pressure monitoring and roof management in the process of 万方数据 working face mining, which is important for the safety and high efficiency mining of fully mechanized coal mining face. The research results have been successfully applied to the roof management project of the Yangchangwan large mining height fully mechanized coal mining face, which has important practical significance to ensure the safe and efficient mining of thick coal seam. Key Words thick coal seam; high-height fully-mechanized mining; overburden movement; characteristics of strata behavior; distribution of abutment pressure Research typeApplication research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义 ......................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ......................................................................................................... 2 1.2.1 厚煤层开采研究现状 ...................................................................................... 2 1.2.2 大采高综采技术研究现状 .............................................................................. 4 1.2.3 大采高综采工作面矿压规律研究现状 .......................................................... 5 1.3 主要研究内容 ............................................................................................................. 7 1.4 研究技术路线 ............................................................................................................. 7 2 羊场湾煤矿及试验工作面概况 ............................................................................................ 9 2.1 井田概况 ..................................................................................................................... 9 2.1.1 交通位置 .......................................................................................................... 9 2.1.2 地形地貌 .......................................................................................................... 9 2.2 水文地质 ................................................................................................................... 10 2.3 井田开拓方式 ........................................................................................................... 10 2.4 Y110206 工作面地质及开采技术及条件 ................................................................ 11 2.5 煤层赋存特征 ........................................................................................................... 11 2.5.1 煤层赋存条件 ................................................................................................ 11 2.5.2 顶底板围岩条件 ............................................................................................ 12 2.5.3 瓦斯、煤尘及其他有害气体情况 ................................................................ 12 2.6 煤样的物理-力学特性参数试验 .............................................................................. 12 2.6.1 煤样的制作及主要试验仪器参数 ................................................................ 13 2.6.2 煤样的抗压强度试验 .................................................................................... 13 2.6.3 煤样的抗拉强度试验 .................................................................................... 14 2.6.4 煤样的抗剪强度试验 .................................................................................... 15 2.6.5 顶底板岩石力学参数测定 ............................................................................ 17 2.7 本章小结 ................................................................................................................... 17 3 大采高工作面矿压显现物理相似模拟分析 ...................................................................... 19 3.1 物理相似模拟理论 ................................................................................................... 19 3.2 物理相似模拟试验设计 ........................................................................................... 19 3.2.1 工程地质情况 ................................................................................................ 19 3.2.2 物理相似模拟试验架 .................................................................................... 19 万方数据 目录 II 3.2.3 物理相似模拟材料选定 ................................................................................ 19 3.2.4 构建物理相似模拟试验模型 ........................................................................ 20 3.3 试验结果分析 ........................................................................................................... 22 3.3.1 覆沙层下沉特征 ............................................................................................ 22 3.3.2 模型开挖过程及矿压显现规律 .................................................................... 24 3.3.3 覆岩运移规律 ................................................................................................ 28 3.3.4 围岩破坏过程中的声发射特征 .................................................................... 31 3.3.5 工作面超前支承压力分布特征 .................................................................... 36 3.4 本章小结 ................................................................................................................... 37 4 大采高工作面矿压显现规律数值模拟计算 ...................................................................... 38 4.1 数值模拟软件的选择与计算原理 ........................................................................... 38 4.1.1 数值模拟软件的选择 .................................................................................... 38 4.1.2 FLAC3D的计算原理 ....................................................................................... 38 4.2 三维数值模型的建立 ............................................................................................... 39 4.3 三维数值模拟结果分析 ........................................................................................... 40 4.3.1 大采高工作面围岩应力分布特征 ................................................................ 40 4.4.2 大采高工作面围岩位移分布特征 ................................................................ 41 4.4 本章小结 ................................................................................................................... 42 5 大采高综采工作面现场实测 .............................................................................................. 43 5.1 工作面布置 ............................................................................................................... 43 5.1.1 工作面概况 .................................................................................................... 43 5.1.2 工作面支架布置及主要参数 ........................................................................ 43 5.2 工作面顶板矿压监测 ............................................................................................... 45 5.2.1 矿压监测站的布置 ........................................................................................ 45 5.2.2 工作面矿压显现规律 .................................................................................... 46 5.3 超前支承压力监测 ................................................................................................... 53 5.3.1 超前支承压力监测站的布置 ........................................................................ 53 5.3.2 超前支承压力分布规律 ................................................................................ 54 5.4 本章小结 ................................................................................................................... 56 6 结论 ...................................................................................................................................... 57 致 谢 ........................................................................................................................................ 58 参考文献 .................................................................................................................................. 59 附录 .......................................................................................................................................... 63 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 在过去 100 年全球所经历的三次大的能源革命中，煤炭依然作为全球性最重要的基 础能源存在于能源结构当中。预计全球将在 2020 年左右进入以天然气及非化石能源为 主力能源的时代。我国的“煤炭革命”既要遵循世界能源改革的历史规律，又要顺应时 代潮流，顺势而为。 “煤炭革命”的核心是安全、高效、清洁、生态、绿色、低碳以及 集约化管理；顺应国际潮流，与国际形势接轨；合理优化我国能源消费结构。 纵观全世界范围内，尽管核能、天然气及可再生能源的发展速度较快，但以煤炭为 基础能源的方针始终未变。2014 年英国石油公司在世界能源统计年鉴指出，过去 10 年， 煤炭作为世界上发展最快的化石能源， 其消费比例自 2004 年的 27.2增长到 2013 年的 30.1。第 22 届世界能源大会指出，至 2050 年化石类能源依然会是世界能源的基 础能源。近些年，中国天然气及石油的消耗对国外依存度不断上升，煤炭作为中国能源 安全重要保障的地位越发显现。中国经济发展在未来几年内，对煤炭的消耗量还将不断 增加，最大值会达到 45 吨。预计 2030 年，中国煤炭消费量仍会占据一次能源消费总量 约 55以上。中国是以煤炭为主要能源的国家之一，煤炭总产量超过世界总产量的三分 之一，中国的经济发展依然严重依赖煤炭资源的支撑作用[1-3]。 据统计我国现已探明的煤炭资源储量约为 1.341 万亿 t， 其中可供建井开采的煤炭资 源储量约为 2795.8 亿吨，而厚煤层（厚度大于等于 3.5m）的储量约占可采煤炭的 44， 每年开采厚煤层的产量约占全国煤炭总产量的 45左右，随着开采深度的加大，工作面 产量比例也在逐年增加。厚煤层作为我国实现高产高效开采的主力煤层，它具有资源储 量优势以及开采方法多样等优势。因此，厚煤层开采技术几乎决定着整个煤炭行业的技 术水平和经济效益，越来越受到国内外研究学者的青睐与重视[4-6]。 随着国内外科研学者的不懈努力，厚煤层大采高开采技术在我国也获得了巨大的发 展，特别的我国对于大采高液压支架的研究与采煤机研究已经取得了举世瞩目的成就， 工作面的生产能力能够达到年产 1500 万吨的水平。虽然大采高一次采全厚采煤方法在 我国真正的大面积应用时间不长，但发展迅速并且在很多矿区都取得了很好的成绩，如 神东矿区，大同矿区，邢台矿区等。现代采煤工艺下的集约化管理使得单一采面的产量 不断更新，生产效率也不断提升，使我国在大采高开采技术迈入国际领先水平。 特厚煤层大采高开采技术使得机采高度相对普采大幅增加，虽然能够完成采放相对 平衡、巷道及硐室的断面增大，通风阻力降低，提高顶煤的破碎效果、提高煤炭回采率， 但由于机采高度的大幅增加会加剧工作面矿山压力、造成严重的煤壁片帮冒顶、增大工 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 作面超前支护以及端头支护的困难等，从而导致煤矿的回采率下降以及开采效益不能最 大化。大采高开采技术虽在我国多数矿井有着较好的经济效益，而且前景也较为广阔， 但采场及回采巷道的围岩控制与其他采煤方法明显不同[7-9]。近年来，随着大采高开采 技术的广泛应用，在实际生产过程中也出现一些问题，采场的煤岩稳定性尤为突出，国 内外研究学者对于煤岩稳定性及其控制的研究越来越深入，并取得了积极进展[10]。 经过大量的生产实践、现场实测以及理论研究发现大采高相较于普采具有一定优 势，但因为其采高大，效率高造成支架围岩稳定性差、事故率高以及地表沉陷严重等 问题严重制约了大采高工作面安全高效开采。采场超前支承压力必然会导致煤岩体内部 结构破坏，从而影响开采煤层稳定性，顶底板破坏以及支承压力作用范围内的煤岩体力 学性质等。工作面前方煤体在支承压力的作用下内部结构发生破坏、畸变，严重的会导 致回采工作面冒顶、片帮、底臌以及冲击地压等地质灾害。大采高工作面上方若赋存有 坚硬岩层，受回采扰动下直接顶垮落后不能完全填满采空区，使得直接与老顶之间形成 较大的离层。随着开采的继续，老顶垮落后不能形成稳定的“砌体梁”结构，从而导致 工作面前方煤体中形成较大的支承压力，最终引起大采高工作面周期来压。因此，大采 高工作面来压相较普采更为剧烈，矿山压力显现规律也有所不同，工作面局部片帮、冒 顶现象突出， 支架工作阻力也相对较大。 要发挥大采高综采回采技术高产高效的优越性， 就必须充分了解大采高工作面的矿山压力显现规律，充分认识回采工作面覆岩运移规律 以及超前支承压力分布规律。对大采高工作面矿压显现规律等的研究不能墨守成规，必 须具体问题具体研究，结合实际情况，进行定性分析，从而能够适应不同地质条件高产 高效的要求，同时也具有重要的经济意义以及社会意义[11-13]。 宁东能源基地宁东煤田规划的灵武矿区及鸳鸯湖矿区主采煤层为 2煤层， 在枣泉煤 矿、羊场湾煤矿平均可采厚度达到 8.52m，且采区内全区可采、煤层赋存稳定[1416]，已 经在羊场湾煤矿完成了 6.2m 大采高工作面的生产实践[17]。鸳鸯湖矿区另外还规划了清 水营、梅花井、石槽村、红柳、麦垛山五个大型井田，设计开采储量为 50.01 亿吨，设 计建设规模 4400 万吨/年的大型矿井[1823]。本论文主要以宁东矿区羊场湾煤矿作为研究 对象，主要通过相似模拟试验、数值模拟以及现场实测数据分析等手段，研究大采高综 采工作面矿压显现规律，从而达到指导生产实践的目的。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 厚煤层开采研究现状 我国现有的厚煤层开采主要方法大致分为三类[24-26] 120 世纪 80 年代以前我国对厚煤层开采主要以分层开采为主，即将厚煤层分成若 干个厚度约为 2～3m 左右的平行阶段自上而下逐层开采， 个别的也有自下而上的逐层开 万方数据 1 绪论 3 采图 1.1。分层开采的优势在于减少操作约束，投资少，一次采高小，对于瓦斯的控制 技术相对成熟， 上覆岩层以及地表可以实现缓慢下沉等。 其劣势在于开采成本， 产量低， 巷道掘进率高，采空区反复扰动，极易造成采空区自燃及区段煤柱损失大等[2730]。 顶板 第一 分层 第二分层 第三分层 金属网 冒落岩石 图 1.1 分层开采 220 世纪 80 年代中期我国对于厚煤层放顶煤开采技术的研究与应用取得了举世瞩 目的成就图 1.2。 厚煤层放顶煤开采即为在煤层底部布置一个采高为 2～4.5m 的长壁工 作面， 常规方法开采后再利用矿山压力或者辅助爆破等方法对支架上方的顶煤进行破碎 并由架尾放煤口放出，随后运出工作面。厚煤层放顶煤开采技术具有投资少，产量大， 开采成本低，厚煤层一次开采等，但由于该技术对于顶煤的破碎效果要求较高而且破碎 煤体绝对瓦斯涌出量较大，采空区会留有一定残煤，这就给地表沉降控制、采空区自燃 发火、工作面瓦斯管理等工作带来巨大的挑战[3134]。 顶板 原始煤体 破碎顶煤体 散体煤体 冒落岩石 破裂顶煤体 图 1.2 放顶煤开采 3自 21 世纪开始，厚煤层一次采全高综采即综采大采高逐渐成为世界煤炭井工 生产技术的重要研究领域。随着开采技术的飞速发展，大采高的开采高度不断刷新，对 于大采高来说仍然是个相对的定义。相对于普采高度来说，一次采全高 3.5m 以上工作 面使用支护高度大的支架，功率大的采煤机与刮板输送机以及相应的大型辅助设备的厚 煤层整层开采方法称为大采高。大采高的优势在于其第一体现了现代化采煤工艺的集 约化管理；第二代表了煤矿开采的高产高效以及绿色开采。然而，因为其初期投资较 大，对于井型以及井下巷道的尺寸要求较大，开采强度大致使采动应力更加强烈，这些 都加剧了巷道支护的难度[3538]。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 1.2.2 大采高综采技术研究现状 大采高一次采全厚采煤法是采用机械一次开采全厚达 3.56 米的长臂采煤法，受工 作面准备稳定性限制，用于倾角较小的煤层，受采高的限制，一般采用综采工艺。 8.8 米综采工作面围岩控制理论及关键设备技术研究已经由神东与辽宁工程技术大学共同 启动。 20 世纪 60 年代，俄罗斯、美国、澳大利亚、德国、波兰、捷克、英国、日本等国 已经开始设计采用大采高综采技术对工作面进行回采[3942]。 现阶段内国外设计研发的大 采高液压支架的最大工作高度为 7.0m。 大量的生产实践已经证明在国外一些地质条件与 生产技术较好的较硬煤层采用大采高技术可以取得很好的效果，充分实现大采高工作面 高产高效，安全经济的基本要求，但对于缓倾斜厚煤层的开采技术还亟待提高。国外的 专家学者经过大量的研究后认为设备重型化导致的设备运输问题，强矿压下的支架稳定 性问题，工作面回风巷、运输巷断面增大后的支护问题等都是制约大采高综采技术推广 应用的因素[4347]。因此，许多国家仍然在积极研发、改进大采高液压支架技术，应对日 益复杂的工作面围岩环境，扩大高大采高综采技术的适用范围。 近年来国内大采高综采技术发展迅速，部分煤矿的大采高工作面生产能力以及回采 率都达到甚至超过了国际水平。 2007 年， 皖北煤电集团克服了冲击地压大、 瓦斯含量大、 煤层倾角大以及顶、底板软、煤质软的“三大” 、 “三软”的特殊地质条件，综采一区Ⅱ 7211 以及Ⅱ7210 大采高工作面取得了巨大成功。同年 5 月，首套由中国神华能源公司 研制的6.3m大采高液压支架在神东煤炭分公司上湾煤矿5120