红柳林煤矿浅埋煤层群开采覆岩导水裂隙带发育规律研究.pdf

万方数据 万方数据 论文题目红柳林煤矿浅埋煤层群开采覆岩导水裂隙带发育规律研究 工程领域矿业工程 硕 士 生李海军（签名） 指导教师黄庆享（签名） 王建文（签名） 摘 要 陕北侏罗纪煤田赋存丰富的浅埋煤层，随着煤炭资源的消耗，神南矿区各矿逐步进 入煤层群下煤层开采，煤层群开采顶板矿压、漏风、突水、地表损害等问题凸显。覆岩 垮落和裂隙发育规律是安全绿色开采的基础， 亟待研究。 论文针对红柳林煤矿 4-2煤 （上 煤层）与 5-2煤浅埋煤层群开采条件，通过现场实测、物理模拟、数值计算和理论分析， 研究了红柳林煤矿浅埋煤层群覆岩导水裂隙带发育规律。 理论分析得出， 导水裂隙带的发育高度受覆岩关键层的制约， 与关键层的抗拉强度、 软岩层的抗应变能力、岩层下部的自由空间高度和工作面的推进距离有关，采用关键层 理论对关键层进行判定， 分析了不同岩层的极限垮距， 给出导水裂隙带高度的预计公式。 通过现场施工导水裂隙带观测钻孔 SK1 和 SK2 钻孔，采用多种现场测试手段实测 覆岩垮落高度。结果表明，4-2煤层开采后，裂隙在基岩段和土层段均有发育，根据 SK1 钻孔观测，冒落带高度为 16.40m，冒采比为 5.7；根据 SK2 钻孔观测，冒落带高度为 15.50m，冒采比为 5.4，4-2煤层的平均冒采比为 5.5。现场实测得出 4-2煤层工作面初次 来压步距为 5560m，平均周期来压步距 16.13m，基本顶的周期来压强度 3541.7MPa； 5-2煤层工作面初次来压步距为 6368m；平均周期来压步距 14.03m，基本顶平均周期来 压强度 28.546.4MPa，下煤层工作面的来压步距有所减小，来压强度差异增大。 物理相似模拟和数值计算得出的覆岩垮落规律与现场实测基本吻合。研究表明，4-2 煤层工作面顶板冒落带高度为 14.515.8m，是采高的 5.055.5 倍；覆岩稳定后裂隙带高 度 91m，为采高的 31.7 倍。5-2煤层工作面顶板冒落带高度为 26.4m，为采高的 4.4 倍； 裂隙发育高度到达地表，约为采高的 31.7 倍。通过研究，掌握了煤层群开采的覆岩垮落 规律， 得出了导水裂隙带发育高度， 为红柳林煤矿煤层群高效绿色开采提供了理论依据。 关 键 词浅埋煤层；煤层群开采；导水裂隙带；覆岩运动；绿色开采 研究类型应用研究 项目来源国家自然科学基金项目 51674190 万方数据 Subject Study on the development characteristics of overburden water flowing fracture zone in shallow coal seam group of Hongliulin coal mine Specialty Mining Engineering Name Li Haijun（（Signature））哈 Instructor Huang Qingxiang（（Signature））哈 Wang Jianwen（（Signature））哈 ABSTRACT The shallow coal seams of the Jurassic coalfields in northern Shaanxi are abundant. With the consumption of coal resources, the coal mines in the Shennan mining area gradually used the mining of multiple coal seams . The mining poblems for example roof pressure, air leakage, water inrush and surface damage of the coal seam group are highlighted. The laws of overburden caving and fissure development are the basis for revealing the mechanism of roof weighting and safe-green mining, which needs to be studied. This paper based on the mining conditions in shallow coal seam group of 4-2upper seam and 5-2coal seam of Hongliulin Coal Mine. Through the field measurement, physical simulation, numerical simulation and theoretical analysis s, studied the development law and characteristics of overburden water flowing fracture zone WFFZ in shallow coal seam group of Hongliulin Coal Mine. The development height of the WFFZ is restricted by the key stratum of the overburden rock, and it is related to the tensile strength of the key stratum, the resistance of the soft rock stratum, the free space height of the lower part of the rock layer and the propulsion distance of the working face. Using the key stratum theory to determine key stratum and analyse the limited distance of different rock layers, giving a computational ula of the height of the WFFZ. According to site observation of drillhole SK1 and SK2, the WFFZ was obtained, and the overburden caving height was observed through various site observation s. The results show that the fractures develop in bedrock and soil layer after 4-2coal seam mining, according to observation of drilhole SK1, the height of caving zoneis 16.4m, the ratio of which to mining height is 5.7. According to observation of drilhole SK2, the height of caving 万方数据 zone is 15.5m, the ratio of which to mining height is 5.4, and the average ratio is 5.5.According to site observation, the first weighting intervalof 4-2coal seam faces is 5566m, and the average periodic weighting interval is 16.13m, the periodic weighting strength of main roof is 3541.7MPa. The first weighting interval of 5-2coal seam faces is 6368m, and the periodic weighting interval is 14.03m, the periodic weighting strength of main roof is 28.546.4MPa. The weighting interval of lower coal seam faces decreases, the difference of weighting strength are increased. The law of overburden collapse caused by physical similarity simulation and numerical calculation is basically consistent with the field measurement. The research shows that the height of the caviing zone of the 4-2 coal seam is 14.515.8m, the ratio of which to mining height is 5.055.5. After the overburden is stabilized, the height of the fracture zone is 91m, the ratio of which to mining height is 31.7. The height of the caviing zone of the 5-2 coal seam is 26.4m, the ratio of which to mining height is 4.4; the development height of the fracture reaches the surface, the ratio of which to mining height is 31.7. Through the research, the law of overburden caving in coal seam group mining is mastered, and the development height of water flowing fracture zone is obtained, which provides a theoretical basis for high-efficiency green mining of coal seam group in Hongliulin coal mine. Key wordsshallow coal seam; multiple-seam mining; water flowing cracks zone; overburden movement；green mining ThesisApplied research 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 选题的背景和研究意义................................................................................................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 “三带”发育规律研究现状..................................................................................2 1.2.2 浅埋煤层群开采覆岩垮落规律研究现状..........................................................4 1.3 研究内容及技术路线...................................................................................................6 1.3.1 研究内容.............................................................................................................6 1.3.2 技术路线.............................................................................................................6 2 浅埋煤层群开采导水裂隙带高度预计理论分析.................................................................8 2.1 研究区概况...................................................................................................................8 2.1.1 工作面开采位置及井上下关系.........................................................................8 2.1.2 工作面开采地质条件.......................................................................................10 2.2 关键层的判定与受力分析.........................................................................................10 2.2.1 关键层的极限跨距分析...................................................................................10 2.2.2 软岩受力弯曲的水平变形分析.......................................................................11 2.3 岩层下部自由空间计算.............................................................................................13 2.4 导水裂隙带高度的理论预计.....................................................................................13 2.5 本章小结.....................................................................................................................18 3 浅埋煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度实测研究...........................................................20 3.1 钻孔冲洗液漏失量测覆岩垮落高度.........................................................................20 3.2 岩性编录观测覆岩垮落高度.....................................................................................27 3.3 地球物理测井观测覆岩垮落高度.............................................................................30 3.4 导水裂隙带高度实测工程类比.................................................................................31 3.5 本章小结.....................................................................................................................33 万方数据 目录 II 4 浅埋煤层群开采覆岩垮落运动规律...................................................................................34 4.1 浅埋煤层群开采矿压显现规律实测分析..................................................................34 4.2 物理模拟实验研究.....................................................................................................37 4.3 4-2煤开采覆岩垮落特征及裂隙发育规律分析.........................................................39 4.4 5-2煤开采覆岩垮落特征及裂隙发育规律分析.........................................................42 4.5 本章小结.....................................................................................................................45 5 浅埋煤层群开采覆岩裂隙带演化规律数值模拟...............................................................46 5.1 数值计算模型的建立.................................................................................................46 5.2 4-2煤层覆岩垮落规律及裂隙发育特征分析.............................................................46 5.3 5-2煤层覆岩垮落规律及裂隙发育特征分析.............................................................48 5.4 浅埋煤层群开采覆岩破断特征数值模拟.................................................................50 5.4.1 初次破断数值模拟............................................................................................50 5.4.2 周期破断数值模拟............................................................................................51 5.5 本章小结.....................................................................................................................53 6 结论.......................................................................................................................................54 致谢...........................................................................................................................................55 参考文献...................................................................................................................................56 附录...........................................................................................................................................60 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景和研究意义 1.1.1 选题背景 我国西部拥有大量的浅埋煤层煤炭资源。其中，陕北侏罗纪煤田是我国探明储量最 大的煤田之一，占全国煤炭储量的 14。该煤田煤层埋藏浅，赋存煤层多，主要开采煤 层群。我国西部浅埋煤层群绿色开采，对国民经济建设具有重要的战略意义[1-3]。 神南矿区位于陕北侏罗纪煤田神木北部矿区南部，处于干旱、半干旱的毛乌素沙漠 与黄土高原接壤地区，矿区总面积约 373km2，煤炭资源总储量约 55 亿 t。目前，矿区 各矿井大多主采煤层属于大采高煤层，大部分区域的第一煤层开采完毕，进入第二、三 主采煤层开采，如张家峁煤矿已进行 4-2和 5-2煤层群开采，也将进行 2-2、3-1、4-2、4-3、 5-2等煤层群开采；柠条塔煤矿一直进行 1-2、2-2煤层群的开采，也将面临一盘区 1-2、2-2、 3-1和二盘区 1-2、2-2、3-1、4-2、4-3、5-2等煤层群开采；红柳林煤矿于 2015 年首采 24201 工作面，进入煤层群开采，已进行 4-2和 5-2煤层群开采，将来进行 2-2、3-1、4-2、4-3、 4-4、5-2等煤层群的开采。其中多数煤层为大采高煤层，大采高煤层群开采已成为神南矿 区的主要开采方式。 根据陕北侏罗纪煤田多年来的生产实践经验， 煤层群下部煤层开采时容易出现来压 强度大，来压迅猛，动载系数大，台阶下沉，压架冒顶等剧烈来压现象[4-6]。红柳林煤矿 所属神南矿区各矿井自 2009 年陆续投产以来，曾出现工作面冒顶、压架、煤壁片帮、 漏风等一系列问题。尤其是进入煤层群开采阶段，出现了异于单一煤层开采的煤层群开 采矿压显现特征，不仅对工作面作业人员及设备构成了严重威胁，而且严重制约了矿井 的安全高效生产。尽管关于神南矿区导水裂隙带高度进行了许多研究，但目前针对红柳 林煤矿煤层群开采导水裂隙带高的研究甚少， 且红柳林煤矿关于导水裂隙带高度的现场 实测目前还没有，因此有必要进行红柳林煤矿导水裂隙带高度研究。一方面为红柳林煤 矿的安全生产提供技术保障，另一方面为陕北浅埋煤层群工作面的开采提供借鉴意义。 1.1.2 研究意义 目前，浅埋煤层群采场顶板结构及岩层控制理论尚未形成完整的理论体系，还不能 有效地指导生产实践，且缺少对浅埋煤层群开采条件下覆岩运动规律的现场实测。本文 运用理论计算与分析、现场实测、物理模拟和数值模拟方法，针对红柳林煤矿实际开采 状况，开展浅埋煤层群开采条件下覆岩运动规律及导水裂隙带发育规律的研究，从根源 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 上解释浅埋煤层群开采工作面矿压显现异常的原因。 研究成果将促进陕北侏罗纪煤田安 全高效绿色开采技术的发展，为浅埋煤层群安全高效开采提供理论依据，该研究具有重 要的理论意义和实践价值。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 “三带”发育规律研究现状 国外学者开展了部分研究， 如 F.S.Kendorski 等[7]和 G.E.Tieman 等[8]认为隔水岩组可 避免上行裂隙的发展与贯通，即“三带”高度不突破隔水层可保证上覆水资源免受破坏。 S.M.Hutcheson 等[9]通过研究上覆岩层厚度对地下水的影响中发现， 不同厚度下的覆岩垮 落形态存在差异， 其发育高度也有所不同， 黏土层的阻渗作用有效减弱了裂缝继续发展。 早期地质学者就对我国煤矿开采覆岩破环的导水裂缝带做了大量的实测和理论研 究，并根据不同覆岩岩性等，统计得出计算导水裂缝带高度的经验公式，但是由于各矿 区的具体地质条件、采矿方法各不相同，经验公式得出的结果仅能作为参考，如表 1.1 所示。 表表 1.1 厚煤层的导水裂隙带高度计算公式厚煤层的导水裂隙带高度计算公式 岩性计算公式之一（m）计算公式之二（m） 坚硬 中硬 软弱 极软弱 刘天泉[10]提出了“覆岩破坏学说”，是国内研究导水裂缝带发育机理的基础。施龙青 建立了基于采场顶板“上四带”划分理论[11]。李文平等通过调研和收集山东省（鲁西南地 区）及邻近省份安徽省综采导水裂缝带高度实例，研究了导水裂缝带发育高度与多因素 影响之间的关系式[12]。 侯恩科等总结了鄂尔多斯盆地神府矿区、黄陵矿区、铜川矿区和彬长矿区导水裂缝 100 8.9 1.22.0 H M H M     100 5.6 1.63.6 H M H M     100 4.0 3.15.0 H M H M     100 3.0 5.08.0 H M H M     3010 H HM  2010 H HM  105 H HM  万方数据 1 绪论 3 带的发育高度与煤层采厚的比值关系[13,14]。滕永海等探讨了综采放顶煤条件下导水裂缝 带发育规律和特点[15]。 但我们仍应当清楚的认识到我国对导水裂缝带的研究仍基本处于 经验统计、类比、数值模拟、相似材料模拟、实测以及某一类条件的简单理论分析等的 研究阶段。 随着生产力水平的提高和发展，大采高和煤层群工作面的开采，促使我们需要对导 水裂缝带发育高度的探查和发育规律的研究还需进一步研究。 黄庆享等[16]利用分形力学和理论力学， 结合大量的实际经验和物理模拟实验结果， 将裂缝带又分为“似连续带”和“块体铰接带”，提出“上行裂缝”和“下行裂缝”是影响隔水 层稳定性的重要因素。 马雄德，王苏健等进行了神南矿区采煤导水裂隙带高度预测结果表明，导水裂隙带 高度与煤层采厚关系密切，呈非线性关系，根据本地区实测数据建立的统计公式在预测 导水裂隙带高度时更加逼真[17]。 赵兵朝[18]建立了导水裂缝带广义损伤因子的概念，同时与覆岩断裂损伤程度成正 比。李涛、王苏健等进行了微电阻率扫描成像测井探测采动土层导水裂隙研究，结果表 明物理模拟试验发现导水裂隙带发育至土层，裂采比 28.9。现场实测发现微电阻率扫 描成像测井识别完整裂隙准确率 100，识别的裂隙判定裂采比为 28.2，与模拟结果吻 合[19]。 王苏健、冯洁等进行了生态脆弱矿区土层中导水裂缝带发育高度研究结果表明物 理模拟、数值模拟辨别出的裂采比为 28.129.1，微电阻率扫描成像探测出裂采比 28.328.5，微电阻率扫描成像识别与其他手段所得结果吻合[20]。 张镇[21]结合西部浅埋煤田，对不同覆岩结构的垮落运动规律进行了分析，并选取了 苏家壕和纳林庙煤矿作为试验点，开展了实测与模拟研究，得出在浅埋大采高工作面开 采结束后，待采空区垮落稳定后实测，覆岩中只存在两带。同时，利用不同的理论分析 条件， 对开采过程中的松散层效应进行了研究， 选取了合适的液压支架， 实践效果较好。 李伟等[22]导水裂隙带发育高度实测结果是现场有效帮助人们对于覆岩破坏高度的 有效把握。一旦突破隔水层的厚度，井下的人员及设备将受到威胁，富水性开采的覆岩 垮落规律研究显得尤为重要。C.C[23]采用数值模拟确定某金属矿的采动影响的范围。 刘书贤[24]等通过以急倾斜开采的赵各庄煤矿为背景，获取到大量的现场实测数据， 并设计开发出三维物理模拟实验架，进行覆岩垮落规律的研究，结合 2-D 非线性的数值 模拟，对于急倾斜煤矿各开采方案进行了详细的分析，得出覆岩不同层位的垮落规律。 张荣亮[25]等人运用 ANSYS，对倾斜煤层开采时，分析开采空间周围覆岩的应力的 变化、位移的变化，分析在上下山方向，覆岩垮落形态的不对称性和地表移动规律的特 殊性进行了研究，模拟得出了影响覆岩垮落规律的主要因素是煤层的倾角，从而造成覆 岩中三带发育规律的特殊性。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 李向阳[22]基于不同研究区域内，岩石固有的力学参数和力学行为的不同，测定得出 特殊的物理力学参数，根据实测得出的参数开展物理模拟和数值计算，能够最大程度的 保证模拟的真实性和可靠性。只有掌握岩石的破坏行为特征，才能掌握覆岩运动规律和 破坏特征，从而根据研究目标制定合理的控制措施。 唐春安等[26-29]等应用 RFPA2D，系统的模拟在煤层群工作面开采到结束，覆岩运动 的动态演变过程。栾元重[30]等针对具体某矿的煤层群开采，利用理论计算得出煤层群工 作面开采后的导高位 50.8m， 采用“双端堵水器”方法现场实测结果是 53.6m， 结合 UDEC 模拟，得出间隔岩层的厚度影响煤层群工作面导水裂隙带发育高度的主要原因之一。 1.2.2 浅埋煤层群开采覆岩垮落规律研究现状 （1）浅埋煤层群开采技术概述 长期以来，国内外针对单一煤层开采的矿山压力显现及岩层控制进行研究，研究积 累的成果基本上对不同厚度煤层开采过程中顶板的活动规律及矿压显现规律有了较为 清楚的认识[31-42]。目前，对于煤层群开采的研究尚少，在考虑下层煤的开采对上层煤的 影响同时，还必须考虑上层煤开采对下层煤开采的影响及破坏。煤层群下煤层开采工作 面出现矿压显现剧烈，动载明显，异常压架，冒顶等现象，已有的研究成果主要围绕下 煤层工作面开采的模拟、巷道布置以及煤柱下开采技术和矿压规律等方面，还未涉及煤 层群开采过程中的围岩控制内容。 国内外对浅埋煤层矿压规律和围岩控制理论、 浅埋大采高煤层开采和煤层群开采围 岩控制方面进行了深入细致的研究， 有关煤层群开采方面的研究主要集中在非浅埋深条 件下采场矿压实测与模拟及巷道支护设计方面。 有必要对浅埋煤层群开采顶板结构运动 特征及浅埋煤层群采场覆岩垮落规律进行深入研究，为今后同类煤层的开采提供参考， 为矿区安全、高产、高效开采提供理论指导。 （2）浅埋煤层群开采矿压显现规律 黄庆享教授通过对榆家梁煤矿浅埋煤层群 4-2、4-3和 5-2煤层开采矿压实测对比，分 析了近距离煤层群下煤层开采过采空区及煤柱的矿压显现规律及不同采高、 不同面宽的 矿压变化规律，发现下煤层过上部已采煤层采空区时，来压步距变短，来压强度增大， 过上部已采煤层遗留煤柱时矿压增幅最大，达 41.4％；工作面宽度一样，工作面支架载 荷随采高增大而增大[43]。 王国旺通过对大柳塔煤矿活鸡兔井 12303、12304、12305、12306 四个工作面进行 矿压实测及分析，得出层间距与来压步距、动载系数、来压持续时间成正比，层间距较 小时，易出现漏顶；当工作面通过沟壑、沟谷或特厚松散层等特殊地质构成时，矿压显 现剧烈，易出现切顶事故，需加强顶板管理[44]。 谷拴成教授等通过对柠条塔煤矿 N1200 工作面开采时上覆岩层中无采空区与有采 万方数据 1 绪论 5 空区的数据对比，发现大小周期来压交替出现等不同于常规工作面的矿压显现规律[45]。 陈梦，朱卫兵等对石圪台煤矿特近煤层群工作面的矿压显现规律进行了实测，得出 特近距离工作面开采矿压显现一般，周期来压步距变化不大，动载系数小；层间有关键 层时，工作面矿压显现受关键层控制，层间无关键层时，下煤层矿压受上煤层形成的关 键层结构控制，且层间有关键层的工作面矿压显现要比无关键层强烈[46]。 王创业等对石圪台煤矿 31201 工作面过采空区及煤柱的矿压规律进行了实测与模 拟， 得出工作面过上煤层采空区时来压异常， 过上覆煤柱时工作面来压剧烈， 片帮严重， 漏矸支架立柱下沉量大，导致压架事故[47]。侯志成分析了石圪台煤矿 31201 工作面发生 大范围切顶，压架等动载矿压机理，并提出了防治措施[48]。 张聚国等[49]针对浅埋煤层的矿压显现规律不同于普通埋深煤层的矿压显现规律的 情况，运用地表变形观测与理论分析，研究了昌汉沟煤矿浅埋深煤层开采地表移动变形 规律。 任艳芳等[50,51]研究了浅埋煤层开采工作面围岩应力场特征；综合数值模拟、物理相 似模拟与实测的手段，研究了榆家梁煤矿浅埋煤层开采工作面超前支承压力分布规律， 研究得出， 工作面超前支承压力峰值变化受基本顶破断与断裂带导通地表的周期性发生 影响存在大小周期性变化。 赵雁海，宋选民等[52]结合理论分析、数值计算与实测的方法，针对补连塔 1-2煤与 2-2煤层间距 2140m 的浅埋煤层群开采条件， 研究了上部煤层开采后煤柱底部应力分布 状态，确定了合理的回采巷道错距。 （3）浅埋煤层群覆岩结构研究 许家林、朱卫兵根据神东矿区浅埋近距离煤层重复采动区域覆岩特征，将浅埋煤层 群开采覆岩结构分为 3 类 4 种①上煤层已采单一关键层结构；②上煤层已采无典型关 键层结构；③上煤层已采多层关键层结构[53]。 黄庆享指导刘寅超， 杜君武开展了关于浅埋煤层群开采覆岩垮落规律与工作面合理 布置等方面的研究，确定了让开上煤层煤柱应力增高区的合理错距计算公式，建立了煤 层群开采地表均匀沉降力学模型，给出了同采工作面合理错距的计算公式，为浅埋煤层 群的科学开采提供了依据[54,55]。 刘长友分析了浅埋煤层群间隔岩层台阶错动的演化规律， 对煤层群开采多采空区下 顶板群结构失稳进行了分析研究，建立了顶板群结构失稳模型[56,57]。 张百胜分析研究了极近距离下部