东坡煤矿综放开采区段煤柱稳定性研究.pdf

分 类 号 TD823.2 密 级 硕 士 学 位 论 文 东坡煤矿综放开采区段煤柱稳定性研究 Study on the Section Pillar Stability of the Fully Mechanized Top-Coal Caving Mining Face in Dongpo Mine 申请人姓名 郭 鹏 指 导 老 师 黄庆享 专 业 名 称 采矿工程 研 究 方 向 矿山压力与岩层控制 西安科技大学 二〇一四年 六 月 万方数据 万方数据 学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得 研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体 已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学 位或证书所使用过的材料。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 做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，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西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用阴影、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位 为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 指导教师签名 年 月 日 万方数据 论文题目东坡煤矿综放开采区段煤柱稳定性研究 专 业采矿工程 硕 士 生郭 鹏 （签名） 指导教师黄庆享 （签名） 摘 要 综合机械化放顶煤开采是我国厚煤层的主要开采方法之一，但具有回采率低的缺 点，其中区段煤柱的损失量占到了 36.7。研究综放开采区段煤柱的稳定性及合理宽度 留设，对保障回采巷道的稳定，提高煤炭资源回采率，具有重要的意义。 本论文以东坡煤矿 4 号煤层综放工作面地质条件为背景， 通过现场实测、 力学实验、 物理相似模拟、数值计算、理论分析等研究方法，对综放工作面区段煤柱的合理宽度进 行了研究。通过现场实测和岩石力学测定，得出了东坡煤矿 404 综放工作面的矿压显现 规律和煤岩物理力学参数，为工作面合理煤柱宽度的研究提供了基础。 运用岩体的极限平衡理论得出了煤柱塑性区宽度，取中央弹性核宽度为 2 倍煤柱高 度得出煤柱最小宽度为 17.57 m。采用 FLAC3D 软件，得出了综放面不同宽度煤柱的变 形破坏特征和支承压力分布规律，分析了煤柱的稳定性和合理宽度。通过物理相似模拟 不同宽度煤柱，根据其变形、破坏状态和支承压力分布，得出煤柱宽度应不小于 18 m。 结合以上研究结果，在压力拱理论，有效区域理论和 Wilson 理论的基础上，按照 充分采动的程度，将煤柱分为三种状态，提出了煤柱动态载荷模型。第一种为首区段煤 柱“拱形”结构模型，煤柱主要承受采空区上方形成的“拱形”结构下部的载荷；第二 种为多工作面非充分采动模型，为多煤柱支撑“拱形”结构，随着跨距增大，煤柱载荷 也随之增大， 载荷公式在第一种模型基础上按照拱高进行修正； 第三种为充分采动模型， 煤柱承受控制区上覆岩层的重量，计算煤柱载荷。在煤柱载荷模型的基础上，结合 Obert-Dwvall/Wang 岩体强度理论，进而给出了区段煤柱宽度的理论计算公式。 论文的研究成果为东坡煤矿4号煤层综放工作面合理区段煤柱宽度留设提供了理论 基础，并对相似条件下煤柱宽度的留设具有一定的借鉴参考价值。 关 键 词综放开采；区段煤柱；煤柱稳定性；煤柱动态载荷模型 研究类型应用基础研究 万方数据 万方数据 Subject Study on the Section Pillar Stability of the Fully Mechanized Top-Coal Caving Mining Face in Dongpo Mine Specialty Mining Engineering Name Guo Peng Signature Instructor Huang Qing-xiang Signature ABSTRACT The fully mechanized top-coal caving mining is one of the main s for mining thick coal seams in China.But,it has the disadvantage with wasting large amount of resources, and the loss of section coal pillar has accounted for 36.7.Study on the section pillar stability and reasonable width of pillar has the vital significance for the stability of roadway and improving the recovery rate of coal resources. In this thesis, the No. 4 coal seam face geological condition in the Dongpo coal mine as the background, research s of observation, rock mechanics test , physical simulation, numerical simulation and theoretical calculation, study on the reasonable width of coal pillar. Through the observation and rock mechanics test, get the rock mechanics parameters of coal and overburden movements 404 face in the Dongpo mine, providing the basis for reasonable width of pillar. Using the limit equilibrium theory of rock mass have get the coal pillar width of plastic zone,and if the elastic kernel width is 2 times the height of pillar ,then the minimum width of coal pillar is 17.57 M. Using FLAC3D, get the different coal pillar width of the deation and the abutment pressures distribution, analyses the stability and reasonable width of pillar. Through physical simulation of different l pillar width, according to the deation, damage state and abutment pressure distribution, concluded that the coal pillar width shall be not less than 18 M. Based on the above research results, the pressure arch theory, effective area theory and Wilson theory, in accordance with the subsidence basin, have divided into three kinds of state of the coal pillars, set up the dynamic load model of pillar. The first is the first section coal pillar “arch“ structure model, that coal pillar supports the “arch“ structure load; The second is multi face of subcritical subsidence basin model, supporting the “arch“ structure for multi pillar. With the span increasing, pillar load increases. the ula of the pillar load is corrected above the first model based on high arch ; The third is critical subsidence basin 万方数据 model, that pillar supports the control zone overburden weight. On the basis of pillar dynamic load model, combined with the Obert-Dwvall/Wang strength theory of rock mass, and the calculation ula of section coal pillar width is given. The research results of this thesis provide a theoretical basis for the width of section pillar for full-mechanized top-coal caving face in Dongpo mine, and under similar conditions of coal pillar size design has the certain reference value. Key words fully mechanized top-coal caving coal pillar stability of coal pillar the dynamic load model of coal pillar Thesis Applying Base Study 万方数据 万方数据 目录 I 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 研究意义...............................................................................................................1 1.2 国内外研究现状..........................................................................................................2 1.2.1 综放工作面顺槽上覆岩层活动规律研究现状 ......................................................2 1.2.2 煤柱稳定性研究现状............................................................................................4 1.2.3 煤柱留设工程应用现状........................................................................................9 1.3 研究内容、方案及技术路线.....................................................................................11 1.3.1 研究内容.............................................................................................................11 1.3.2 研究方案及技术路线..........................................................................................11 2 东坡井田地质条件及工作面矿压显现规律....................................................................13 2.1 东坡井田地质条件 ....................................................................................................13 2.2 东坡井田煤层物理力学参数及顶底板条件..............................................................14 2.2.1 4-1号煤层物理力学参数测定 ..............................................................................14 2.2.2 顶底板条件.........................................................................................................17 2.3 东坡井田开采方法 ....................................................................................................19 2.3.1 工作面情况..........................................................................................................19 2.3.2 工作面顺槽支护...................................................................................................20 2.3.2 工作面设备配备情况...........................................................................................20 2.4 404 综放工作面实测来压规律...................................................................................21 2.5 本章小结....................................................................................................................23 3 厚煤层综放开采区段煤柱留设理论分析........................................................................24 3.1 综放开采煤柱留设综述.............................................................................................24 3.1.1 厚煤层综放开采煤柱留设方法 ...........................................................................24 3.1.2 影响厚煤层综放开采煤柱宽度的因素...............................................................24 3.1.3 厚煤层综放开采煤柱合理宽度留设的研究方法................................................24 3.2 厚煤层综放开采煤柱稳定性分析.............................................................................25 3.2.1 不同阶段区段煤柱上应力分布特征...................................................................25 3.2.2 不同阶段区段煤柱上应力动态演化规律...........................................................28 3.3 区段煤柱合理留设宽度的理论计算 .........................................................................29 3.4 本章小结....................................................................................................................30 4 厚煤层综放开采区段煤柱留设数值模拟研究.................................................................31 万方数据 目录 II 4.1 数值计算软件（FLAC3D）简介................................................................................31 4.2 建立数值计算模型 ....................................................................................................32 4.2.1 数值计算参数 ......................................................................................................32 4.2.2 数值计算模型 ......................................................................................................32 4.2.3 数值计算方案 ......................................................................................................34 4.3 数值计算结果分析.....................................................................................................35 4.3.1 不同宽度煤柱的塑性区的数值计算结果与分析................................................35 4.3.2 不同宽度煤柱的垂直应力分布特征分析...........................................................37 4.3.3 不同宽度煤柱两侧巷道的水平位移特征分析 ...................................................40 4.3.4 不同宽度煤柱两侧巷道的垂直位移分析...........................................................43 4.4 本章小结....................................................................................................................45 5 厚煤层综放开采区段煤柱稳定性物理模拟研究.............................................................47 5.1 物理相似模拟实验设计.............................................................................................47 5.1.1 实验目的.............................................................................................................47 5.1.2 实验模型.............................................................................................................47 5.1.3 实验方案.............................................................................................................51 5.2 405 综放工作面矿压显现规律...................................................................................52 5.2.1 沿工作面推进方向矿压显现规律.......................................................................52 5.2.2 工作面侧向覆岩垮落规律..................................................................................56 5.3 综放工作面合理区段煤柱模拟实验 .........................................................................57 5.3.1 406 工作面模拟 ...................................................................................................57 5.3.2 不同煤柱宽度煤柱变性破坏特征及支承压力分布............................................59 5.4 本章小结....................................................................................................................62 6 煤柱稳定性理论模型及合理的煤柱宽度确定................................................................64 6.1 基本假设....................................................................................................................65 6.2 模型建立....................................................................................................................65 6.3 影响煤柱载荷的主要因素.........................................................................................70 6.4 东坡煤矿区段煤柱合理宽度确定.............................................................................72 6.5 本章小结....................................................................................................................73 7 结论 .................................................................................................................................74 致谢.....................................................................................................................................76 参考文献 .............................................................................................................................77 附录.....................................................................................................................................81 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 综合机械化放顶煤开采技术是我国 20 世纪 80 年代从欧洲引进的现代采煤方法，经 过多年的发展，已经成为我国自主创新的高产高效煤炭开采技术[1]。这种方法以其掘进 率低，效率高，适应性强及易于实现高产等明显的优势，在我国得到了迅速发展和广泛 应用。但是，综放开采仍存在许多问题，如采出率较低，一般达不到 70﹪ 。其中区段 煤柱留设宽度大是造成煤炭资源巨大损失的主要原因之一。因此，在保证煤柱和巷道稳 定的情况下，通过减小留设煤柱宽度，提高资源利用率具有极其重要的意义。 东坡煤矿属于山西中煤东坡煤业有限公司， 矿井生产能力为 210 万吨/年。 东坡井田 位于山西省朔州市朔城区西北部下团堡乡刘家口村东北部，井田面积 8.3236 km2。井田 主采 4 号煤层，煤层厚度 5.16.0 m，平均厚度 5.5 m。煤层倾角 311，平均 5。 4 号煤层设计采用综合机械化放顶煤方法开采，由煤层厚度确定采煤机割煤高度为采高 3.2 m，放煤厚度为 2.3 m，工作面采放比 10.7。目前矿井工作面区段煤柱的留设主要 凭经验确定，并且今后将开采 1519m 的 9 号特厚煤层，因此，确定合理煤柱宽度，降 低煤炭资源损失，是矿区面临的重要技术课题。为保证当前 405、406 工作面顺利开采， 最大程度提高矿井的煤炭回采率，于是对东坡井田 4 号厚煤层综放开采工作面之间的合 理煤柱留设宽度进行分析研究。 1.1.2 研究意义 综放开采由于一次开采煤层厚度较大所引起的围岩变形、移动、破坏等物理过程的 不连续性，围岩应力重新分布的非线性，护巷煤柱和回采巷道处于侧支承压力、本区段 回采形成的超前支承压力和由于围岩变形引起的附加应力叠加区内，致使巷道围岩应力 环境更加趋于复杂，巷道矿压显现剧烈，煤柱及巷道围岩的变形破坏严重。研究和实践 表明，在现行锚杆组合支护技术条件下，区段煤柱宽度的合理确定至关重要。煤柱的合 理留设可以提高煤炭资源采出率、 改善巷道围岩支护系统、 提高巷道围岩稳定性。 因此， 开展综放回采巷道区段煤柱的合理留设研究， 对于促进综放安全高效开采及综放技术的 健康发展具有重要现实意义[59]。 通过本论文的研究，确定东坡煤矿合理的煤柱留设宽度，提高东坡煤矿 4 号煤层资 源回收率，为煤矿高效生产提供技术支撑，最大程度的减少煤炭资源的损失，达到合理 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 利用资源的目的，并对后续煤层区段煤柱留设及同类矿井有一定的借鉴作用。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 综放工作面顺槽上覆岩层活动规律研究现状 综放工作面顺槽及煤柱的上覆岩层与采煤工作面的上覆岩层为同一岩层，其破断特 征及活动规律与上区段工作面和本区段工作面回采时上覆岩层的断裂特征及活动规律 紧密相关，但又有其自身的特点和规律。表 1.1 列出了近年来国内主要学者对综放工作 面顺槽上覆岩层活动规律的研究情况[220]。 表表 1.1 综放工作面顺槽上覆岩层活动规律研究进展表综放工作面顺槽上覆岩层活动规律研究进展表 年份 研究人员 研究内容 90 年 代 中期 钱鸣高 提出了采场上覆岩层的关键层理论、基本顶及关键层的断裂规律、S-R 稳定性原理等，其思想也适宜应用于研究顺槽上覆岩层结构的稳定性 研究。 1993 刘长友等 沿空掘巷应在围岩活动终止,应力重新分布稳定时,而且要处在应力降 低区。本工作面沿空掘巷在走向距采面应大于 50M,沿倾斜方向上应位 于距下顺槽上侧 46M处为佳。 1995 张顶立 提出了综采放顶煤采场上方存在“砌体梁”基本顶结构，并认为采场 垮落带的高度为采高的 2.02.5 倍，其中 1.01.2 倍采高的直接顶岩层 呈现不规则垮落，其上为规则垮落带。 1997 马其华等 综放面侧方煤体支承压力影响范围增大，且峰值点随采放比增大而远 移，有利于留设窄煤柱，适宜煤柱宽度约为 4M左右。 1998 管学茂 分析了巷道上覆岩层结构特征，提出煤柱宽度D与侧向支承压力峰值 点深入煤体的距离X有关，一般认为D小于X的一半是比较合理的， 此时对巷道稳定有利。 1998 翟明华 通过相似模拟试验，三河尖矿综放回采巷道的破碎圈厚度，预计在静 压状态下为 1.5M 左右，动压状态下为 2.0M以上，区段不留煤柱比留 设 7M左右煤柱更有利于区段巷道的维护。 2001 侯朝炯 李学华 将基本顶沿倾斜方向形成的结构作为沿空掘巷围岩的大结构，基本顶 在工作面端头形成的弧三角块视为巷道上方的关键块，定性分析了关 键块在巷道不同阶段的稳定性。 2006 柏建彪 对工作面端头基本顶弧形三角块的稳定性和窄煤柱的整体稳定性进行 了研究分析。 万方数据 1 绪论 3 国内外对采场上覆岩层破断特征和活动规律开展了大量的研究，提出了压力拱假 说，悬臂梁假说，铰接岩块假说以及预成裂隙假说，我国学者在总结铰接岩块假说及预 成裂隙假说的基础上与 20 世纪 70 年代末 80 年代初提出了岩体结构的“砌体梁”力学 模型，从而发展了上述有关假说[2]。 中国矿业大学钱鸣高院士等[211]提出了采场上覆岩层的关键层理论、基本顶及关键 层的断裂规律、S-R 稳定性原理等，关键层的思想应用于研究顺槽上覆岩层结构的稳定 性也是适宜的。 1995 年张顶立[12]对综采放顶煤采场上覆岩层的活动规律做了进一步的研究，明确 提出了综采放顶煤采场上方存在“砌体梁”基本顶结构，并认为采场垮落带的高度为采 高的 2.02.5 倍， 其中 1.01.2 倍采高的直接顶岩层呈现不规则垮落， 其上为规则垮落带。 2001 年侯朝炯，李学华[19]将基本顶沿倾斜方向形成的结构作为沿空掘巷围岩的大 结构，基本顶在工作面端头形成的弧三角块视为巷道上方的关键块（如图 1.1 所示） ，定 性分析了关键块在巷道不同阶段的稳定性，认为关键块在不同阶段是稳定的，为沿空掘 巷创造了良好的外部力学环境。 2006 年柏建彪[20]通过建立沿空掘巷基本顶弧形三角块结构的力学模型，对弧形三 角块结构稳定性进行了力学分析，揭示基本顶弧形三角块结构稳定性原理及其对沿空掘 巷的影响，从理论上研究分析综放沿空掘巷外部围岩的稳定条件。对工作面端头基本顶 弧形三角块的稳定性和窄煤柱的整体稳定性进行了研究分析。 II 岩体A 块体C 弧形三角块B 本区段综放面 上区段综放面 岩体A 块体B 块体c 实体煤 巷道 上区段采空区窄煤柱 综放实体煤巷道 综放开切眼 综放沿空掘巷 （a）平面 （b）I-I剖面 图 1.1 综放沿空掘巷与上覆岩层的关系 以上是国内外对综放工作面顺槽上覆岩层活动规律的研究，其中对基本顶沿倾斜方 向的稳定性研究较少，该问题对煤柱稳定性及其重要，将基本