常乐堡煤矿条带式保水开采参数优化研究.pdf

万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 万方数据 万方数据 目录 I 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 II 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及研究意义 ..................................................................................................... 1 1.1.1 选题背景 .................................................................................................................. 1 1.1.2 研究的意义 .............................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................................. 1 1.2.1 国内外的研究动态及发展趋势 ............................................................................... 1 1.2.2 关于煤柱稳定性研究 .............................................................................................. 6 1.2.3 研究现状综述 .......................................................................................................... 7 1.3 本课题研究内容、方法及技术路线 ............................................................................. 8 1.3.1 研究内容 .................................................................................................................. 8 1.3.2 研究方法 .................................................................................................................. 8 1.3.3 技术路线 .................................................................................................................. 8 1.4 本课题预期达到的目标 .................................................................................................. 9 2 常乐堡煤矿条带式开采选择的合理性分析 ....................................................................... 10 2.1 常乐堡煤矿概况及矿井开采现状 ................................................................................ 10 2.1.1 矿井基本概况 ......................................................................................................... 10 2.1.2 矿井开采现状 ......................................................................................................... 10 2.2 常乐堡煤矿条带式开采的合理性分析 ................................................................... 12 2.2.1 井田地层和构造 ..................................................................................................... 12 2.2.2 井田水文地质条件 ................................................................................................ 14 2.2.3 常乐堡煤矿现阶段条带式开采合理性分析 ........................................................ 16 2.3 本章小结 ........................................................................................................................ 17 3 常乐堡煤矿条带式开采合理技术参数的确定 ................................................................... 19 3.1 条带开采合理技术参数确定 ........................................................................................ 19 3.1.1 开采条带宽度确定 ................................................................................................. 19 3.1.2 区内条带煤柱宽度确定 ......................................................................................... 23 3.1.3 煤柱载荷的确定 ..................................................................................................... 27 3.1.4 煤柱强度的确定 ..................................................................................................... 28 3.1.5 煤柱稳定性系数的确定 ......................................................................................... 28 3.1.6 煤柱稳定性分析 ..................................................................................................... 29 3.2“煤柱群-围岩”系统稳定性分析 .................................................................................... 29 3.3 确定技术方案 ............................................................................................................... 33 万方数据 目录 III 3.4 本章小结 ........................................................................................................................ 33 4 条带煤柱留设参数模拟实验研究 ...................................................................................... 34 4.1 相似材料模拟实验的目的 ........................................................................................... 34 4.2 模拟实验设计 ............................................................................................................... 34 4.2.1 模型的填装 ............................................................................................................ 34 4.2.2 监测设计 ................................................................................................................ 34 4.3 模拟实验过程、现象及分析 ....................................................................................... 37 4.3.1 “采 12 留 8”方案 .................................................................................................... 37 4.3.2 煤柱宽度减为 6m ................................................................................................... 50 4.3.3 煤柱宽度减为 4m .................................................................................................. 55 4.3.4 煤柱宽度减为 2m .................................................................................................. 60 4.4 结论 ............................................................................................................................... 66 5 煤柱流变特性的有限元分析 .............................................................................................. 67 5.1 有限元计算模型的建立 ............................................................................................... 67 5.1.1 研究方案与技术路线 ............................................................................................ 67 5.1.2 计算范围 ................................................................................................................ 67 5.1.3 有限元网格的剖分及边界条件 ............................................................................ 68 5.1.4 有限元计算过程 .................................................................................................... 68 5.2 条带开采方案计算结果分析 ....................................................................................... 68 5.2.1 最大主应力分布特征 ............................................................................................ 68 5.2.2 最小主应力分布特征 ............................................................................................ 69 5.2.3 竖向位移及地表沉陷特征 .................................................................................... 70 5.3 条带开采方案煤柱流变特性分析 ............................................................................... 70 5.3.1 岩石蠕变力学模型简述 ........................................................................................ 71 5.3.2 煤柱长时效应蠕变力学模型的建立 .................................................................... 71 5.3.3 模拟结果分析 ........................................................................................................ 72 5.4 结论 ............................................................................................................................... 72 6 结论与展望 .......................................................................................................................... 73 6.1 结论 ................................................................................................................................ 73 6.2 展望 ................................................................................................................................ 74 致 谢 ...................................................................................................................................... 76 参考文献 .................................................................................................................................. 77 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 常乐堡煤矿处于榆神矿区南部规划的地方煤矿开采区， 此区域位于榆林城区红石峡 水库范围，是榆林市区的水源汇集地，常乐堡矿井整合后的井田范围大部分处于榆林市 水源地二级保护区（陆域）以内，井田南部水源地二级保护区（陆域）范围以外属于可 采区域。 大气降水是常乐堡井田内第四系松散含水层潜水的主要补给水源， 另外还有一些补 充水源是毛乌素沙漠凝结水及本区域内农田灌溉回归水。 地形地貌对地下水径流影响比 较大，本井田内地下水由井田东南方向往西北方向从高处流向低处。第四系松散含水层 潜水以泄流的形式补给上河及头道河地表水， 本矿井可采区域保水采煤主要保护的含水 层为第四系含水层。 由于本井田煤层基岩厚度较薄，张东升教授[3] 指出基岩总厚度及强风化带厚度, 是实现保水开采的主要地质因素;为了保水和防止透水事故，结合现阶段开采技术的发 展及经济比较，可取的采煤方法是“条带式保水采煤”采煤方法。 本论文借鉴以往的研究成果，针对常乐堡矿井煤层赋存的实际情况，通过相似模拟 实验及数值计算验证常乐堡矿井“条带式开采”合理的条带开采技术参数和工艺措施， 分析围岩活动规律和条带煤柱的长时效应， 并对煤炭开采后对水源地和地表状况造成的 影响做出科学的结论，为常乐堡矿井安全、合理、经济的开采煤炭资源提供依据。 1.1.2 研究的意义 基于常乐堡煤矿煤层赋存情况、开采技术条件、地面保护要求、设备供应状况以及 安全、产量、效率、成本和煤的回收率等诸多因素，通过分析围岩移动规律，结合条带 开采技术和工艺在常乐堡矿井的使用情况，提出优化开采参数，对常乐堡煤矿具有实际 的指导以及可以借鉴的意义，这样可以使本煤矿能够更安全、更高效的生产。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内外的研究动态及发展趋势 （1） 、陕北“保水采煤”研究现状 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 陕北大煤田“保水采煤”科学研究是由原煤炭工业部支持启动的，1995 年煤炭工业 部批准“九五”重点科学研究的项目，该项目为“榆神府矿区地质环境及保水采煤综合 研究” ，此项工作由煤田地质总局牵头，中煤水文地质局、陕西煤田地质局 185 队以及 中国矿业大学等一些单位共同来承担。针对榆神府矿区生态环境极其脆弱、水资源极其 贫乏的特点，研究从利用水资源、生态环境和煤炭保护、开采方面进行。对实现“保水 采煤”的可能性进行了相关论证，以工程地质和水文地质条件作为基础，通过分析煤层 开采对上覆岩层的破坏和以及引起的阻水性的变化，通过留设合适高度的防水煤柱，并 在煤层露头处的烧变岩带建立浅排水源地，这样即减少了压覆煤炭储量，又保护了生态 环境，保护了水资源，实现“保水采煤” 。师本强[4]依据榆神府矿区地质条件，建立矿区 保水采煤方法划分体系,并对不同区域提出相应的保水开采方法。 叶贵钧[5]等指出，矿区地下水类型一般可分为烧变岩裂隙孔洞含水岩组，松散岩类 孔隙含水岩组，侏罗系和白垩碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组这三大类型。对矿区开发影响 较大的含水岩组主要为烧变岩含水层和第四系上更新统萨拉乌素组含水层。 根据本井田 3 煤层上部松散含水层、隔水层及上部覆盖基岩在空间上的分布形式及组合形态，矿区 煤层上部覆盖结构可以分为砂土基、砂基、土基、基岩、烧变岩这五种类型。这一分类 方法已被广泛采用。 李文平[6,7]等对“保水采煤”体系中含水层分布，隔水粘土层的工程地质特征，基岩 风化带和煤层上覆基岩的工程地质特征进行了深入研究。 并从环境工程地质学角度分析 了本矿区煤炭资源在开采中面临的主要的环境地质问题， 对采后变化预测和综合地质环 境质量现状进行了相关评价。指出与煤炭资源开发有关的主要环境工程地质条件因素 是潜水位、水质、水资源量、岩土类型、地形地貌、煤层厚深比等。 以上研究是基于保护水资源对未来矿区开发中的开采问题进行的预计性研究， 具有 不可低估的价值。但因客观原因受限，以上研究对如何实施“保水采煤”的开采问题没 有深入涉及，只是建议今后应对采煤方法进行深入研究。而且以上项目进行时，榆林神 木府谷矿区当时的面积只有五千平方公里多， 对榆林神木府谷矿区完成详查的区域不足 六百平方公里， 同时对水资源只进行过一比二十万的普查以及极其少量的大比例尺水文 地质工作[8]。也就是说，当时研究所依据的地质资料还不充分，因而这一研究只能说是 宏观的、初步的，要实现真正意义上的“保水采煤” ，还需要具体的研究。特别是，研 究没有涉及到规划的榆阳区小煤矿开采区。 范立民[9-15]等开展了深化研究，由王双明、范立民等提交了“榆神矿区保水采煤研 究”专题报告，所研究榆神矿区的区域接近一千平方公里左右，这是在上述工作的基础 之上开展的更加细致的工作，分析了该区域“保水采煤”的条件, 通过对规划中的一些 具体的大型井田研究，提出了针对榆神矿区“保水采煤”一些措施。论文中提出了保水 采煤的程度，针对榆林神木地区沙漠型河流及该区域植被生长的特点，保水程度需要从 万方数据 1 绪论 3 以下两个指标来考量。 一、区内河流的流量减少和泉水干涸不是由开采所造成； 二、区内的开发活动不会对植被的生长条件产生较大的影响。认为在该区域开采， “保水采煤” 就是在多开采出煤炭资源的条件下还得保护该地区地下水位降幅较小或者 不下降，以及水资源的含水层结构不被破坏。 按以上两个指标思路来考量，针对本区内所有多样化的环境地质条件，要结合自身 特点来对待。 1） 、乌兰木伦河上游的一些井田，包括内蒙古境内的马家塔等井田，秃尾河领域的 青草界泉域等，由于在该区域内第四系含水层丰富，同时该区域赋存煤层埋深较浅，煤 层开采后地下水将会全部渗漏完，对当地生态环境破坏较大。所以在这些区域暂时就不 允许进行煤炭的采掘活动； 2） 、对于区域内虽然有第四系萨拉乌素组含水，但其底部的隔水层厚度较大，煤层 埋深适中，煤层开采后冒裂带发育不到第四系萨拉乌素组含水组底部，对含水层不会进 行破坏，该区域“保水采煤”就可以实现； 3） 、介于上面两个区域之间的，虽然有含水层分布同时也有隔水层，但在煤层开采 后，因为隔水层的厚度有限，所以为了保护地下水不受破坏，开采中就需要采取一定的 特殊措施。在这类区域就需要针对陕北浅埋藏煤层采动上部覆岩破坏规律、地下水位下 降、该地区植被生存条件改变以及采空区充填技术试验研究等方面的研究。 4） 、府谷新民矿区的一些井田，神木北部的一些矿区，如拧条塔井田等，因为在该 区域根本不存在第四系含水层和萨拉乌素组含水层，所以在这里也不存在“保水采煤” 。 陕西省煤炭科学研究所承担的科技部社会公益研究专项资金项目“陕北矿区荒沙 漠化防治研究及示范” ，提出采用长壁间歇式开采技术方案[16]。 保水采煤”原理可分解为 4 个步骤，即隔水关键层位置判别、结构稳定性判别与控 制、渗流稳定性判别与控制以及渗流突变通道控制。 “保水采煤”的隔水关键层原理在 采场顶底板突水灾害防治中得到了成功应用[17]。 石平五[18-20]等指出，条带式开采是目前一种行之有效可实现“保水采煤”的方法， 该采煤方法是针对具体的水文及地质条件，通过对开采煤层的科学设计提出采留比参 数。通常采用留煤柱支撑法开采时一般会产生如下的问题，在所开采区域内会发生工作 面切顶事故，产生这一问题的原因是因为留设的煤柱尺寸过小；但是煤柱尺寸留设过大 的话，又容易形成跨几个区域的大面积顶板垮落事故。彭小沾等[21]以六道沟煤矿为例， 通过分析煤柱的稳定性、顶板跨落高度，指出房柱式开采实现保水采煤的重点是留合理 尺寸的煤柱。为了顶板垮落问题，石平五教授团队建立了“连续梁”力学模型，计算不 同性质的煤柱在不同位置的受力状况,并运用岩石破裂全过程分析系统对郭家湾煤矿采 场围岩破坏进行了数值模拟，通过对郭家湾煤矿采场顶板结构的分析，摸清楚了顶板跨 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 落的特征，针对以上顶板灾害问题的解决，提出了对关键区和关键点进行监测，通过对 不同敏感区域煤柱的监测来解决。 王双明[22 ，23]等以鄂尔多斯盆地内北纬 36 度以北的生态脆弱区煤炭开采与地质、生 态环境保护为目标，总结以往 30 余项重点专项论文 研究成果，揭示了薄基岩厚松散层 浅埋煤层开采覆岩移动与隔水性破坏规律，对保水采煤的地质条件划分建立了标准，编 制了我国陕北地区采煤方法总体规划图，图 1.1，并将该区域煤炭开采划分为自然保水 开采区、长壁限高综采区、局部充填开采区及长壁开采区几个区域，成功指导了我国煤 炭工业的规划和生产，对促进西北地区煤炭科学开采具有普遍指导意义。 （2） 、国内外“三下”开采技术研究现状 1） 、水体下开采技术发展现状 矿井水害防治和近水体矿层安全开采已成为矿区生产中急需解决的重大实际和理 论问题[24]。水体下采矿最初是由于海底采煤，后来则是出现在陆地的煤矿开采中。为了 保证安全开采，防止因为开采引起的溃沙、溃水等是研究水体下采煤技术的出发点。在 目前的开采技术下适合水体下采煤的方法主要有以下三种类型 ①在开采距离水体较远、埋藏较深的煤层时，因长壁开采所形成的导水裂隙带距离 含水层有足够安全距离，含水层下有隔水层并且隔水层也没有被破坏。此类条件下一般 采用长壁协调开采技术。 ②在采用长壁开采时，导水裂隙带会发展到含水层，从而会导致溃水等灾害时，为 了限制煤层在采出后对煤层上部覆盖岩层的破坏范围，并且使导水裂隙带不波及含水 层。在此类条件下一般采用充填技术。 ③还有一类方法就是为了控制顶板及上覆岩层的运动，在开采中只采出一部分煤 炭，需要留一部分煤柱从而实现保水开采，此类方法就是部分采出技术。条带开采技术 就是部分采出技术中比较典型一种方法，与充填法相比，它的成本相对要低的多，在我 国小煤矿广泛应用。 万方数据 1 绪论 5 图 1.1 陕北地区区域性采煤方法总体规划图 在徐永圻教授主编、石平五教授作为副主编之一的普通高等学校“九五”部重点规 划教材“采矿学”中，全面介绍了我国水体下采煤技术概况[25]。 康永华[26]指出，在水体下先后成功地应用了综采、综放以及高落式等采煤方法，至 今已安全采出水体下压煤数千万吨 2） 、 条带开采厚煤层发展现状 条带开采技术就是利用开采中留设相应的煤柱来支撑煤层顶板以及煤层上部覆盖 的岩石[27]，达到对岩层运动控制的目的，减少了地表沉降，从而保护了地面建构筑物以 及水体[28]，其中大部分开采的方式就是划条带式，采 1 留 1，其实也就是部分采出技术 [29]。 山东岱庄生建煤矿通过条带开采实践认为[30]，如果采出率相当，当采用大采宽、大 留宽时，留设的煤柱有效支撑面积就越大，其稳定性就越好，安全系数就越大。采宽面 的增大，使工作面掘进率降低，工作面搬家次数减少生产组织管理简化。郭增长等[31] 认为，开采条带的宽度应该不超过上覆岩层所形成稳定结构（托板、平衡拱、梁等）的 极限宽度，还应保证地表不出现波浪形下沉盆地。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 众所周知，由于条带开采采出率一般只有 50以下，浪费了可贵的煤炭资源，因而 近年来有人提出了充填开采条带，采出煤柱的技术方法。杨逾、刘文生、冯国才、杨伦 在“注充宽条带跳采全采采煤法”一文中指出[32]，常规方法开采煤炭已对地面环境造成 了严重的沉陷灾害。 村庄等地面设施的压煤和其他低采出率采煤方法又使得大量煤炭资 源无法采出。基于此现状提出了注充宽条带跳采全采采煤方法。通过分析开采过程及其 影响，此采煤方法可以减缓地表下沉，对煤矿深部开采中的地面压煤问题进行了解决， 同时对矿区地表环境又有很好的保护。对这类采煤方法的研究，有益于进一步完善我国 矿山开采的相关理论和技术。 田瑞云指出[33]，神东煤田适合机械化大规模开采，在全世界范围来说开采条件都很 优越。但在一些区域尤其是地方煤矿开采区域还存在房柱式炮采，同时在大煤矿边角区 存在房柱式连续采煤机开采，其实质就是旺格维利采煤法。这些采煤方法弊端较多。田 瑞云在传统房柱式采煤方法的基础上提出了一种相对现代化的采煤方法。 其意思就是神 东矿区地方小煤矿和大煤矿边角采煤区域，还采用房柱式开采方法，随着开采工作用新 型材料进行充填，充填后再交替开采留设的煤柱，从而对煤炭资源进行全回收，彻底治 理和解决传统开采资源回收率低的问题， 这其实是对传统陕北房柱式采煤方法提出的一 种新的办法和一种新思路。张东升教授[34,35]以沙基型浅埋煤层为研究对象，对煤层开采 与浅层地下水的关系进行了新的分析，建立浅埋煤层保水开采的技术体系。由理论计算 出顶板的极限跨距[36]，可得到煤柱宽度的参数，为实现煤炭绿色开采提供指导。黄庆享 [37-40]等通过陕北浅埋煤层保水开采的模拟研究与采动损害实测， 揭示采动覆岩裂隙主要 由上行裂隙和下行裂隙构成，采动裂隙带的导通性决定着覆岩隔水层的隔水性。实验分 析上行裂隙带发育高度的计算公式，模拟测定下行裂隙带的发育深度。师本强[41,42]等针 对榆神府矿区开采引起的生态环境恶化、荒沙漠化扩展问题,提出保水采煤的开采方 法,并通过相似模拟实验和数值模拟得出保水采煤开采方法的有关参数。陈平定[43]等模 拟了工作面不同煤拄尺寸时的应力分布、位移大小,运用煤柱上的米赛斯应力分布、上 覆岩层的拉应力分布以及顶板的下沉量等模拟结果,分析了煤柱和覆岩的稳定性。张杰 [44]等根据不同工作面覆岩破坏和导水裂隙发展情况以及防水安全岩柱保护层稳定性变 化 ,实验得出了从不同基岩厚度采场实现保水开采的合理推进距。 杨鹏[45]等在全面总结 矿区浅埋煤层水文工程地质特征的基础上 ,通过对大柳塔煤矿 1203 开采工作面及瓷窑 湾煤矿和上湾煤矿掘进工作面的涌水溃沙灾害研究 ,找出了涌水溃沙灾害产生的机理 , 并对灾害做出了综合评价。马立强[46-48]等在分析顶板导水通道特征基础上，针对浅埋煤 层采用传统技术实现保水开采的难点，从开采方法本身采取措施，提出了一套较为系统 的薄基岩浅埋煤层保水开采新技术。刘玉德[49]等借助实践经验、实验数据、理论计算及 计算机模拟等结论,得出浅埋薄基岩煤层短壁回采工艺的一系列合理参数主要包括工 作面长度、采硐布置方式、宽度、同采数量、煤柱尺寸、支护方式等，从而确定出浅 万方数据 1 绪论 7 埋薄基岩煤层短壁连采技术适用条件分类[50]。 1.2.2 关于煤柱稳定性研究 条带开采中煤柱的稳定性是保证控制岩层破坏运动的主要因素。 关于煤柱稳定性的 研究，国内外做过大量工作，中国工程院院士谢和平教授等在“条带煤柱稳定性理论与 分析方法研究进展”一文中对最新进展做了全面分析。论文就煤柱载荷、煤柱强度、煤 柱稳定性与煤柱尺寸的确定三方面进行了系统介绍和全面分析[51]。对于煤柱载荷的研 究，S.S.彭编[52]介绍了有效面积理论、压力拱理论和 A.H.Wilson 理论。目前，在陕西黄 陵、神府矿区连续采煤机房柱式采煤中，普遍应用的是有效面积理论。决定煤柱稳定性 的重要指标是煤柱强度，国内外实践和理论研究都表明，煤柱的强度不仅与煤柱试块的 单轴强度、煤柱的长度、宽度和高度等有关，并且还与煤柱的弱面、顶底板岩性和煤柱 侧应力等围岩体系有密切关系[53]。 唐春安[54]等对岩石的破裂做了基础研究。以神东矿区综采工作面作研究，通过建立 力学模型，结合实验，数值模拟，理论分析，并针对隔水关键层的基本力学特性及隔水 性能进行了针对性系统分析，同时对裂隙带贯通含水层以及地下水渗流分布的基本特 点，对地下水渗流量进行了数字统计[55]，提出了保水采煤需要隔水的关键层概念以及隔 水关键层保护原理。蒋泽泉[56]在分析烧变岩水文地质条件基础上,主张在烧变岩带建立 供水水源地，是解决近期矿区供水既经济可行又可靠的技术途径。张勤[57]对层状裂隙岩 体稳定分析中的地质模型、计算参数及计算方法等主要问题作了探讨。提出了建立概化 地质模型及计算参数的多种方法综合取值。通过试验，发现裂隙的几何尺寸和裂隙内充 填物的物理力学性质是影响机械冲蚀的主要因素[58]。王涛[59]等将直接法产生的节理网 络模拟技术与三维离散元程序 3DEC 相结合,对结构控制型的工程围岩破坏问题提供了 一种实用的方法。王传团[60]等分析了长壁开采支承压力分布特征，确定了回采巷道煤柱 的载荷，导出了煤柱尺寸的计算公式。并与其它确定煤柱尺寸的方法进行了对比，对回 采巷道煤柱确定具有一定的参考价值。 对特厚煤层条件下采用螺旋钻机开采细长窄煤柱 的破坏过程进行了数值模拟。 程国明[61]等的模拟重现了煤层在开采过程中煤柱的破坏从 开始发生，发展，最后塑性区贯通直至完全破坏的过程，并从应力场演化分析了煤柱破 坏过程的应力分布特征及破坏机理。 贾光胜[62]等认为采掘和准备巷道留设稳定的护巷煤 柱有利于巷道维护。通过现场观测，结合实例和煤柱宽度与巷道围岩变形的观测统计结 果。并通过实验室数值的计算和理论性的分析研究，结合综采放顶煤工作面在回采期间 巷道保护煤柱内部应力场和位移的变化， 以及保护煤柱失稳及影响保护煤柱稳定性的一 些因素，采用极限平衡理论，针对综采放顶煤工作面，提出了回采准备巷道保护煤柱宽 度留设的方法。 1.2.3 研究现状综述 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 8 国内国外采矿业界在陕北浅埋深煤层保水开采方面做了大