哈拉沟煤矿浅埋煤层群开采末采阶段过煤柱动压效应(1).pdf

万方数据 万方数据 万方数据 Subject Dynamic pressure effect of crossing pillars in the final mining stage of shallow close seam group mining in Halagou Coal Mine Specialty Mining Engineering Name Liu Jiaxin Signature Instructor Huang Qingxiang Signature ABSTRACT Yu-shen-fu coal mining area is rich in shallow buried coal seams. Shallow burial, thin bedrock and thick overlying loose seams are typical occurrence characteristics. At present, most mines have entered the mining stage of lower coal seams. Practice shows that the concentrated stress of coal pillars left by coal seam mining seriously affects the safe and efficient production of the mine. In this paper, the 12101 coal face of Haragou Coal Mine is taken as the engineering background to study the characteristics of overlying rock collapse, fissure evolution and the supporting pressure of the floor at the end of the coal mining in the shallow mining and short distance. Based on the actual measurement of the on-site pressure of the 12101 coal face, and combined with the statistics of the examples of the mining of six coal faces passing through coal pillars in the Yu-shen-fu mining area, the law of the appearance of the mining pressure when passing through coal pillars in different coal faces was analyzed. The research shows that when the coal face passes through the auxiliary retreat roadway, the upper coal pillar as a whole sinks with the sub-critical layer, resulting in strong pressure on the coal face. Based on the physical simulation, the coal face is not obvious in the coal pillar and coal pillar stages; in the coal pillar stage, the sub-critical layer breaks along the cracks of the empty roadway floor, and the coal pillar is unstable and sinks. Leading to the appearance of strong ore pressure. According to the FLAC3D numerical simulation, the peak values of the leading support pressure when entering the coal pillar, passing the coal pillar and the exiting coal pillar are 12.7MPa, 14.5MPa and 20.9MPa respectively; when the coal face passes the coal pillar, the leading support pressure is transferred from the upper coal pillar to the In the lower coal face, the stress peak reaches the maximum when exiting the roadway; the analysis of the plastic zone shows that there is continuous shear failure in the bedrock of the upper and lower coal seams, the roof of the lower coal face is cut off, and the pressure on the coal face is intense , 万方数据 Consistent with actual measurement and physical simulation analysis. Aiming at the destruction features of the key layers of the coal pillars in and out of the lower coal seam, the roof structure mechanical model of the coal pillars in and out is established. The analysis shows that when the mining height of the lower coal seam is larger and the distance between coal seams is smaller, the lower coal seam face is prone to strong ore pressure. During the coal pillar phase, due to the articulation between the rock blocks, even if the main key layer above the coal pillar periodically breaks with the coal pillar, it will not cause strong pressure; during the coal pillar phase, the coal pillar and the coal bed roof key block as a whole The slewing motion causes a strong load to cause the key block structure in the lower coal seam to be unstable and cut, and the coal face is under heavy pressure. The research in this paper reveals the mechanism of overburden strata pressure in the final mining stage of shallow-buried and close-distance coal seam, which can provide a reference for the dynamic pressure control of over-pillar pillar in the similar mining face at the end mining stage. Key words Shallow buried coal seam group；Crossing coal pillar；Stress concentration； Dynamic load；Weighting law Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 选题的背景和意义.......................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...........................................................................................................2 1.2.1 浅埋单一煤层开采研究现状.............................................................................2 1.2.2 煤层群开采技术研究现状.................................................................................3 1.2.3 浅埋煤层群过煤柱矿压规律研究现状.............................................................5 1.3 研究的内容及技术路线...............................................................................................6 1.3.1 研究内容.............................................................................................................6 1.3.2 技术路线.............................................................................................................7 2 过煤柱开采矿压显现规律与特征.........................................................................................8 2.1 哈拉沟煤矿 12101 工作面矿压显现规律...................................................................8 2.1.1 矿井工作面概述.................................................................................................8 2.1.2 工作面过煤柱矿压显现基本规律...................................................................10 2.2 神东矿区部分工作面过煤柱开采矿压特征.............................................................13 2.3 小结.............................................................................................................................16 3 过煤柱开采覆岩垮落规律与动压机理物理模拟...............................................................16 3.1 物理相似模型设计.....................................................................................................17 3.1.1 相似条件的确定...............................................................................................17 3.1.2 模型尺寸及配比...............................................................................................17 3.1.3 实验方法及过程...............................................................................................19 3.2 煤层开采覆岩垮落规律及结构特征.........................................................................19 3.2.1 1-2 上煤开采覆岩垮落规律及结构特征............................................................19 3.2.2 1-2煤开采覆岩垮落规律及结构特征..............................................................22 3.3 动压机理分析.............................................................................................................26 3.4 小结.............................................................................................................................30 4 过煤柱开采煤柱集中应力的动态变化与传递规律数值模拟...........................................31 4.1 数值模型设计.............................................................................................................31 4.1.1 FLAC3D数值模拟软件.....................................................................................31 4.1.2 力学参数的选取及模型的建立.......................................................................31 4.2 下煤层开采过程及结果分析.....................................................................................32 4.2.1 应力变化整体分析...........................................................................................32 4.2.2 围岩破坏整体分析...........................................................................................36 万方数据 目录 II 4.3 覆岩运动与动载转移规律.........................................................................................38 4.3.1 超前支承应力分析...........................................................................................38 4.3.2 顶底板移近量分析...........................................................................................40 4.4 小结.............................................................................................................................41 5 浅埋煤层群开采过煤柱关键层块体结构模型...................................................................42 5.1 重复采动覆岩关键层结构分类.................................................................................42 5.2 煤柱应力传递规律理论分析.....................................................................................43 5.3 不同阶段过煤柱时关键层块体结构分析.................................................................47 5.3.1 进煤柱时关键层块体结构分析.......................................................................47 5.3.2 过煤柱阶段关键层块体结构分析...................................................................49 5.3.3 出煤柱（过空巷）阶段来压机理分析...........................................................49 5.4 小结.............................................................................................................................51 6 结论.......................................................................................................................................52 致 谢......................................................................................................................................53 参考文献..................................................................................................................................54 附 录......................................................................................................................................58 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景和研究意义 1.1.1 选题背景 煤炭资源长期以来一直作为我国能源的主导产业，因此，煤炭的绿色安全高效开采 就变得至关重要[1]。我国是一个富煤的国家，煤炭资源在一次能源中占比 58，煤炭工 业作为我国重要的基础能源产业，在国民经济建设中具有举足轻重的战略地位[2,3]。 我国西部地区广泛赋存埋藏浅、基岩薄的浅埋煤层群[4]，并且煤质优良，开采条件 简单，目前大多数矿井已进入下煤层开采阶段。浅埋煤层群开采与单一煤层开采覆岩运 移规律、顶板破断特征、工作面矿压显现规律等方面存在显著差异[5]。榆神府矿区浅埋 煤层群综采工作面矿压并没有因开采深度变浅而降低，而是表现出极强的矿压显现特征 [6]，工作面初次来压时，出现压架，顶板台阶下沉，覆岩裂隙贯通到地表，工作面设备 损坏，给人身安全和矿井安全带来严重影响[7]。 浅埋煤层开采过程中，由于各种因素的影响和制约，上部煤层开采后会留下许多煤 柱。 这些煤柱的存在经常会给下煤层工作面带来强烈的矿压显现[8,9]。 特别是在下煤层出 煤柱阶段，工作面特别容易发生强烈的矿压显现，当工作面强来压时，支架损毁严重， 出现爆缸、压死等事故，严重威胁矿井安全高效生产。采动覆岩的破断运动引起上述采 动损害问题，为了揭示下煤层出煤柱阶段覆岩破坏机理，以岩层控制关键层理论为理论 基础， 研究浅埋煤层下煤层开采出煤柱阶段覆岩破坏运动规律， 并提出安全预防措施[10]。 1.1.2 研究意义 目前有学者[11]研究了上覆遗留煤柱开采过程中出现的压架灾害，包括浅埋近距离煤 层工作面出煤柱开采的压架机理和浅埋近距离一侧采空区煤柱下工作面切眼位置对出 煤柱压架灾害的影响规律。但是，对于工作面进煤柱，过煤柱和出煤柱时采场的矿压显 现规律和顶板结构破坏以及控制没有进一步的研究和说明。因此，鉴于上述研究背景， 本文以哈拉沟煤矿浅埋煤层群过煤柱开采为例，分析研究了上煤层开采后煤柱集中应力 的分布规律，揭示了下煤层工作面过煤柱后矿压显现规律，分析了工作面异常矿压产生 的机理和过煤柱开采的顶板结构。该理论模型的建立为浅埋煤层群过煤柱条件下的安全 开采提供了理论依据，对类似条件下的开采具有参考意义。 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 浅埋单一煤层开采的研究现状 （1）国外研究现状 国外对浅埋煤层研究比较有影响力的主要是前苏联、澳大利亚等国学者的研究，他 们的主要研究成果有 20 世纪 90 年代，澳大利亚学者 L.Holla 等[12]通过在岩层中布置钻孔锚固装置，对 浅埋煤层长壁工作面的顶板岩层移动规律进行了现场测量。发现煤层采动后上覆岩层的 垮落高度为工作面采高的 9 倍左右， 且上覆岩层在工作面推过后， 运动明显， 垮落充分。 前苏联M.秦巴列维奇等[13]通过研究浅埋开采覆岩垮落规律， 提出了浅埋煤层开采台 阶下沉假说。将浅埋煤层上覆岩层视为均质岩体，煤层上方的顶板沿煤壁斜向上垮落。 浅层煤层开采时，与其他普通煤层工作面开采相比，工作面来压时异常剧烈。 B.霍勃尔瓦依特等[14]通过分析浅埋煤层开采过程中顶板的损伤规律和特征，发现， 浅埋煤层开采后，上覆岩层发生的破断会直接影响到地表，岩层的破断距离越大，矿山 压力显现越剧烈。 南非学者[15-17]通过实测对浅埋煤层房柱式开采的地表沉陷规律进行了研究，确定了 房柱式开采时煤柱所承担的载荷大小。 综上所述，国外对浅埋煤层的开采的重点研究矿压观测，并没有一套系统的研究技 术和成果。 （2）国内研究现状 浅埋煤层广泛赋存于我国西部地区，历经多年研究，目前在浅埋单一煤层开采领域 已经取得了丰富的研究成果。自 1990 年代初，随着陕北神东矿区的不断发展和建设， 浅埋单一煤层开采的理论也在不断完善和丰富，研究现状如下 1996 年， 中国工程院钱鸣高院士等[18-20]针对采场上覆岩层活动中的整体结构形态进 行描述， 并提出上覆岩层活动的关键层理论， 研究了浅埋煤层在关键层作用下岩层变形、 位移以及破断规律，提出了浅埋煤层覆岩形成复合关键层的条件。 1998 年，柴敬等[21]通过物理模型因次分析，介绍在了浅埋煤层条件下工作面开采 过程中岩层破断运动规律。 通过立体模型、 平面模型实验结果与现场观测结果进行比对， 发现该物理模型反映了采场三维应力状态，从而达到定量研究的目的。 1999 年， 黄庆享[22,23]综合研究和分析了浅埋煤层开采过程中煤层顶板结构的破断形 式，并给出了“台阶岩梁” （图 1.1）和“短砌体梁” （图 1.2）两种浅埋煤层中基本顶的 力学模型。 2007 年，宋选民等[24]研究了在浅埋煤层开采，工作面长度对矿压显现规律的影响。 万方数据 1 绪论 3 当工作面长度的增大时，来压时支架受到的冲击载荷明显，载荷远远超过液压支架的额 定支护阻力。 h b W A C M N B Z 老顶 直接顶 图 1.1 “台阶岩梁”结构模型 图 1.2 “短砌体梁”结构模型 2009 年，许家林等[25]通过研究浅埋煤层覆岩垮落规律，将浅埋煤层覆岩关键层分 为了 2 种结构类型， “单一关键层”和“多关键层” 。当覆岩关键层为“单一关键层”时， 工作面易出现特殊的破坏现象。 2013 年，马瑞、来兴平等[26]以冯家塔煤矿 1402 综采工作面为工程背景，进行了煤 柱破坏与覆岩移动规律的物理相似材料实验，得出随着采空区的增大，保护煤柱被压垮 导致开采大面积来压，煤柱发生失稳，覆岩大面积移动，覆岩影响范围扩散至地表。 2014 年，张向阳等[27]针对某矿上下采空区极近距离煤层的开采条件，研究了开采 过程中围岩应力分布规律、变形破断及位移变化特征，得出应力集中分布在煤柱附近， 需要重点加强顶板岩层结构的稳定性和完整性。 2016 年，黄庆享等[28,29]通过现场实测大柳塔煤矿 52304 工作面矿压显现规律。 发现 支架的初撑力和工作阻力对支架围岩的影响，采用大采高“斜台阶岩梁”结构计算合理 的支架工作阻力。 2016 年，姜海军、曹胜根等[30]通过数值模拟研究，揭示了浅埋煤层关键层垮落形 态和垮落机理，给出了浅埋煤层关键层破断方式为“O-X”破断。 2018 年，黄庆享等[31]研究发现上层煤顶板垮落稳定后在采空区形成“自由冒落区” 和“斜柱条梁区” 。极近距离下煤层开采时， “斜柱条梁区”的顶板结构运动分为铰接离 层段和沉降压实段，给出了支架载荷计算公式，确定了以沉降压实段的支架载荷作为工 作面支架选型的依据。 2019 年，黄庆享等[32]通过建立“支架-煤壁-顶板”力学模型，针对浅埋大采高煤壁 片帮问题，提出了基于片帮控制的合理支架初撑力确定方法。 同年，黄庆享等[33]通过现场观测不同层位的顶板位移量，钻孔窥视顶板破断位置, 实测统计对应的工作面支架工作阻力和超前支架工作阻力，研究了浅埋薄基岩大采高工 作面顶板破断特征和矿压显现规律。 综上所述，国内的专家、学者通过实验研究、现场实测等研究手段，掌握了浅埋煤 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 层开采矿压显现规律，揭示了顶板垮落规律，构建了浅埋煤层顶板结合模型，给出了浅 埋煤层的矿压定义。 1.2.2 煤层群开采技术研究现状 煤层的赋存状况受不同成煤条件的限制体现出很大的差异，如煤层可采层数、煤层 厚度、煤层间距变化等都会影响煤层的赋存状态。在各种赋存状况中，煤层间距变化又 是影响煤层开采的主要因素之一。 前苏联学者[34]以上行开采顺序为标准，确定煤层间的距离，通过公式计算顶板破坏 带的高度，从而定义了“近距离煤层” 。 布雷斯[35]通过整理前人关于上行开采研究成果， 总结出下煤层开采对上煤层的影响 程度，给出了煤层群适合上行开采的基本要素和条件。 张百胜[36]把开采上部煤层时底板岩层的损伤深度 hs用作划分极近煤层的基准。 当煤 层间距 hjhs时，那么该煤层群可视为极近距离煤层。刘天泉等[37]在已有理论基础上， 通过计算得出底板岩层在采动影响下的破坏范围。 2001 年，康永华[38]等通过研究发现在第一次煤层开采中降低开采高度，在重复采 动中合理提高开采高度能够最大限度减少周围岩石的损伤范围。 2004 年，张平松[39]通过地震波 CT 技术对煤层上覆岩层破坏规律进行探测，从测试 原理、工作方法及资料解释等方面阐述了孔-巷间地震波 CT 探测技术，并通过煤矿上提 工作面观测实例，进一步说明该方法进行上覆岩层破坏观测及判定的准确性和可行性， 并运用地震波 CT 技术手段来计算覆岩破坏的高度。 2010 年，徐学锋[40]等通过理论分析、物理模拟、数值计算等技术手段,对煤层巷道 底板冲击矿压发生的影响因素、动载扰动下底板冲击显现规律进行了研究。研究发现水 平方向的应力是造成底板发生冲击矿压的主要因素。 2011 年，张华磊[41]通过物理相似材料模拟实验研究了在重复采动影响下煤层底板 巷道破坏情况。 2001 年，郑磊[42]基于实测、物理模拟、理论分析相结合的研究手段，揭示了浅埋 近距离煤层群开采时顶板结构破坏的一般规律。 2010 年，朱涛等[43]构建了“散体-块体”顶板结构力学模型，并运用散体和块体理 论，分析了极近距离下煤层工作面直接顶周围岩石的稳定性，揭示了下层煤工作面开采 时端面顶板冒落的机理。 2010 年，王庆雄等[44]对比和分析了近距离煤层不同距离间隔岩层工作面的矿压实 测数据与工作面来压规律，总结发现下层煤开采时的矿压显现规律随着间隔岩层距离的 不同变化而变化。 2018 年，黄庆享等[45]研究了浅埋近距离煤层群下煤层开采的覆岩垮落特征与顶板 万方数据 1 绪论 5 结构， 基于岩层控制的浅埋煤层群将浅埋近距离煤层群分为 3 类 浅埋极近距离煤层群、 浅埋单关键层近距离煤层群和浅埋双关键层近距离煤层群，得到了支架合理支护阻力的 计算方法。 2018 年，黄庆享等[46]通过物理模拟实验发现在近距离煤层下煤层开采时，间隔岩 层顶板一般具有单一关键层，顶板初次垮落破断形成“非对称三铰拱结构” ，上煤层采 空区垮落的顶板结构形成载荷层。下煤层开采后，上煤层垮落顶板结构受采动影响进而 活化，与下煤层三铰拱结构共同形成“非对称三铰拱梁与拱壳载荷结构” 。 2018 年，黄庆享等[47]针对浅埋极近距离煤层采空区下开采支架载荷确定难题，揭 示了采空区垮落顶板二次采动结构的运动特征，研究表明，上层煤顶板垮落稳定后在采 空区形成“自由冒落区”和“斜柱条梁区” 。 2018 年，黄庆享等[48]通过实验研究浅埋煤层群开采减小煤柱集中应力的影响，并 实现地表均匀沉降和地表裂缝耦合控制。避免上部和下部煤层之间区段煤柱间集中应力 的叠加以及煤柱支承影响区域围岩非连续沉降。 2019 年，黄庆享等[49]通过物理模拟，理论分析等方法，研究了浅埋煤层群开采应 力场、位移场、裂隙场演化规律，提出了基于三场耦合控制的合理煤柱错距。 1.2.3 浅埋煤层群开采过煤柱矿压规律研究现状 浅埋近距煤层群上煤层开采后，采空区会遗留有区段煤柱。上煤层开采完后，在进 行下煤层开采时，工作面上部顶板中存在遗留煤柱，导致下煤层工作面应力重新分布， 下煤层工作面过煤柱时，矿压显现强烈。通过神东矿区现场实测结果显示，下煤层工作 面开采出煤柱时，工作面支架压力增大，支架损坏严重。关于浅埋煤层群过煤柱时的矿 压显现规律的研究成果如下 2010 年，鞠金峰[50]通过研究指出，对于煤柱上方岩层关键块体稳定性的控制，将 直接影响出煤柱时产生的动压现象是否作用在下煤层工作面。同时，分析了煤柱内部受 力的情况，指出下煤层工作面在过煤柱区域时不同于其他区域矿压显现的直接原因是由 于煤柱上的应力集中。 2010 年，朱卫兵等[51]通过研究发现，下煤层工作面受到的应力集中程度与上煤层 开采后留设的煤柱宽度有直接影响，并且会使巷道整体失稳变形与支护设备失效。 2013 年，鞠金峰等[52]在采用物理相似模拟模拟实验，解释了下煤层开采工作面产 生压架事故的原因。采空区煤柱上方岩层的关键层的回转运动导致间隔岩层的破断失 稳，间隔岩层的破断失稳导致采空区煤柱失稳，从而导致下煤层工作面进出煤柱时出现 了严重的压架事故。 2014 年，陈苏社等[53]通过整理总结大量现场实测数据，采用加快工作面推进速度 和工作调斜开采，避免了下煤层开采过煤柱时的动压现象。同年，于斌等[54]揭示了下煤 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 6 层工作面过采空区煤柱，来压时的“煤柱-覆岩运动”联合作用机理。 2015 年，彭海兵等[55]研究得出，由于空巷是应力集中区域，所以工作面在过空巷 阶段容易出现强来压现象，应该在过煤柱（出空巷）阶段加强对巷道的整体支护，并且 在距煤柱边界 15m 处，工作面矿压显现剧烈。 2016 年，李行能等[56]通过物理模拟和数值计算等手段，揭示了下煤层工作面在过 上部煤柱时，工作面出现压架、巷道底鼓的机理，指出采用运输机底鼓处起底等措施， 可以有效控制巷道变形，并且效果明显。 2020 年，周海丰等[57]研究了综采工作面过空巷群期间空巷失稳机理及基本顶破断 规律，从而解决大采高综采工作面快速通过大断面空巷群，避免发生冒顶压架的问题。 研究结果显示老顶超前破断和空巷支护不足是空巷发生失稳破坏主要原因。 综上所述，目前国内外学者对近距离煤层开采的研究以某一特定赋存条件的近距离 煤层为主要研究对象。关于下层煤在上覆采空区回采时，煤柱影响区下以及工作面进煤 柱，过煤柱和出煤柱时采场的矿压显现规律和顶板结构破坏没有进一步的研究和说明。 因此，基于上述研究背景，本文探讨上煤层开采后煤柱的集中应力分布规律，揭示下煤 层工作面在过煤柱阶段的矿压