吕沟煤矿薄煤层炮采工作面矿压显现规律研究.pdf

全日制硕士学位论文 吕沟煤矿薄煤层炮采工作面矿压显现规律研究吕沟煤矿薄煤层炮采工作面矿压显现规律研究 学 生 类 别 学术型研究生 申请人姓名 陈兴隆 指 导 教 师 郭文兵 专 业 名 称 采矿工程 研 究 方 向 矿山压力及其岩层控制 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二二 O 一二年六月一二年六月 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 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 工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含 任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究 的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅，允许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和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用 影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD323 密密 级公开级公开 UDC622 单位代码单位代码10460 吕沟煤矿薄煤层炮采工作面矿压 显现规律研究 Study on the strata pressure behavior of thin coal seam blasting mining face in lvgou coal mine 申 请 人 姓 名申 请 人 姓 名陈兴隆陈兴隆 申请学位申请学位 硕硕 士士 学学 科科 专专 业采矿工程业采矿工程 研究方向研究方向 矿山压力及其岩层控制矿山压力及其岩层控制 导导 师师郭文兵郭文兵 职职 称称 教教 授授 提 交 日 期提 交 日 期 2012 年年 4 月月 答辩日期答辩日期 2012 年年 6 月月 河南理工大学 万方数据 万方数据 致 谢 本论文是在尊敬的导师郭文兵教授悉心指导下完成的，在研究生学习的三年 中，郭老师严谨的治学态度、一丝不苟的工作作风、实事求是的科研原则，深深 影响和启发着我，老师不仅在我的学业上耐心指导，为我提供很多锻炼的机会， 使我在专业知识方面取得了长足的进步，同时在我的生活上给予我无私的帮助和 热情的关怀，值此论文即将完成之际，谨向郭老师致以学生崇高的敬意和衷心的 感谢。 感谢能源学院对我的培养，感谢学院勾攀峰教授、李化敏教授、翟新献教授、 尤名庆教授、刘少伟副教授、韦四江副教授等老师在授课过程中对我的谆谆教诲 和指导，感谢苏承东教授在煤岩力学参数测定试验中给予的帮助与指导，感谢郭 保华老师在论文完成过程中给我提出的宝贵建议，感谢宋常胜老师给我提供相似 模拟实验的经验和学习机会，感谢吕沟煤矿赵佑庭总工和生产技术科相关人员在 现场实测过程中提供了极大的方便和帮助。 感谢雍强、马晓川、赵文生、胡志华、赵东旭等众多师兄弟的热情帮助和鼎 力支持；感谢学院09级全体研究生同学在我的生活上、学习上提供的关心和指导， 一起愉快的度过了三年难忘的研究生生活。 感谢我的家人多年来对我的无私奉献和莫大的支持，使我顺利的完成研究生 阶段的学习和生活，在今后的工作和学习中，我会更加努力，不辜负家人的期望。 感谢本文中所引用文献的各位著、编、译者。 最后，向百忙之中对本论文评阅的专家、教授们致以深深的感谢由于时间 和作者水平有限，论文中难免有很多不足之处，恳请各位专家对本文批评指正。 陈兴隆 2012.3.31 万方数据 万方数据 I 摘 要 薄煤层炮采工作面在开采过程中由于受到采场条件、支护工艺形式的限制， 顶板管理难度较大，在矿山压力的作用下，容易造成单体支柱压死或压坏，设备 损害，人员伤亡等恶性事故。因此，研究薄煤层工作面的矿压显现规律、围岩应 力分布特征及支柱承载特征对薄煤层工作面的安全生产具有重要意义。 本文以吕沟煤矿七4801 薄煤层工作面为工程背景，通过采用实验室煤岩力学 性质参数测定、现场矿压观测、理论分析、相似材料模拟等相结合的方法，对吕 沟煤矿薄煤层工作面矿压显现规律、上覆岩层结构特征及其运移规律进行了研究。 通过对工作面矿压进行现场实际观测，分析总结出薄煤层工作面矿压显现规 律、支柱的承载特性及超前支承压力分布特征，在现场观测的基础上结合实验室 煤岩力学性质参数测定结果对工作面顶板进行分级， 结果表明工作面老顶为 I 类顶 板，来压不明显，通过运用“关键层理论”对上覆岩层特征进行分析，得出工作 面关键层位置及其对工作面矿压的影响结果，确定了工作面上覆岩层垮落带及裂 隙带的高度，运用实验室相似模拟实验手段，得出工作面上覆岩层运移、破断规 律及应力分布规律。 本文的研究结果对于吕沟煤矿薄煤层工作面的开采起到了有效的指导作用， 确保了矿井的安全生产，同时为其它地质条件与开采工艺相似矿井的工作面安全 开采提供了理论指导。 关键词关键词薄煤层；矿压显现；上覆岩层运移特征；相似模拟； 万方数据 万方数据 III Abstract It’s roof management is difficulty, because it is restricted in stope conditions and support technology. Under the action of ground pressure, can easily cause single prop pushed down, equipment damaged and casualty, therefore, it’s important for production safety that behavior law of mine pressure, the characteristics of surround rock stress and pillar bearing are studied. This paper has 801 of thin seam mining face as its engineering background, with the s of laboratory testing of rock physical parameters, field measurement, similar simulation experiment, theoretical analysis and numerical simulation. It deals with the study of behavior law of mine pressure, as well as the the structure of the overlying rock strata and its movement characters. This paper analysis and summary the behavior law of mine pressure, the characteristics of pillar bearing and front abutment pressure distribution characteristic by field measurement, the roof of the working face is analyzed. Based on the field observation and the results of laboratory testing of rock physical parameters, the results show that the main roof is the I grade and the roof weighting is not obvious. Overlying Strata characteristics is analyzed by using key strata theory, it get results of the position of key stratum, the effects on mine pressure and the height of caving zone and fractured zone of the working face. The failure characteristics of overlying strata and its displacement regularity are got by field measurement. The results played an effective role in guiding the mining of thin coal seam face in Lugou coal mine, which ensured mine production safety, and they can provide a theoretical guidance for other mines with similar geological conditions and mining technology. Keywords thin seam mining; strata behavior; migration characteristics of overlying strata; similar simulation 万方数据 万方数据 V 目 录 摘摘 要要.......................................................................................................................I 目目 录录......................................................................................................................V 1 绪论绪论.......................................................................................................................1 1.1 研究背景和意义.................................................................................................1 1.2 国内外研究现状.................................................................................................2 1.2.1 采场上覆岩层移动规律国内外研究现状..............................................................................2 1.2.2 薄煤层工作面矿压规律显现研究现状.................................................................................4 1.3 研究内容及方法.................................................................................................6 1.4 技术路线 ............................................................................................................7 2 工作面地质采矿条件及煤岩力学参数测定工作面地质采矿条件及煤岩力学参数测定.........................................................9 2.1 七4801 工作面地质采矿条件............................................................................9 2.1.1 工作面概况.............................................................................................................................9 2.1.2 工作面地质及水文地质.........................................................................................................9 2.1.3 巷道布置.................................................................................................................................9 2.1.4 采煤方法...............................................................................................................................10 2.1.5 采煤工艺及设备...................................................................................................................10 2.1.6 顶板管理...............................................................................................................................10 2.2 煤岩力学性质实验...........................................................................................11 2.2.1 采样地点及主要设备...........................................................................................................11 2.2.2 岩石物理力学参数测定结果...............................................................................................12 2.3 本章小结 ..........................................................................................................14 3 薄煤层工作面上覆岩层移动规律分析薄煤层工作面上覆岩层移动规律分析...............................................................15 3.1 岩层控制中的关键层理论 ...............................................................................15 3.2 关键层判断分析...............................................................................................15 3.2.1 上覆岩层结构特征...............................................................................................................15 3.2.2 关键层层位确定...................................................................................................................16 3.3 “砌体梁”结构稳定性分析............................................................................20 3.4 关键层对工作面矿压的影响............................................................................22 3.5 工作面垮落带和裂隙带高度的确定................................................................23 万方数据 VI 3.6 本章小结 .......................................................................................................... 24 4 薄煤层工作面上覆岩层运动规律相似模拟研究薄煤层工作面上覆岩层运动规律相似模拟研究............................................... 25 4.1 相似模拟实验概述.......................................................................................... 25 4.2 相似模拟实验原理.......................................................................................... 25 4.2.1 相似模拟实验理论...............................................................................................................25 4.2.2 相似准则...............................................................................................................................26 4.3 相似模拟实验设计.......................................................................................... 26 4.3.1 相似材料的选取...................................................................................................................27 4.3.2 相似参数的确定...................................................................................................................27 4.4 模型的制作...................................................................................................... 28 4.4.1 相似材料配比及用量...........................................................................................................28 4.4.2 模型的制作...........................................................................................................................29 4.4.3 模型的加载...........................................................................................................................30 4.4.4 测点设计及观测....................................................................................................................31 4.5 相似模拟实验结果分析 .................................................................................. 33 4.5.1 实验过程描述.......................................................................................................................33 4.5.2 上覆顶板位移特征分析.......................................................................................................37 4.5.3 煤壁前方支承压力分布规律分析.......................................................................................39 4.6 本章小结.......................................................................................................... 41 5 薄煤层工作面矿压显现规律现场实测及分析薄煤层工作面矿压显现规律现场实测及分析 .................................................. 43 5.1 工作面及回采巷道矿压现场观测方案........................................................... 43 5.1.1 矿压观测目的.......................................................................................................................43 5.1.2 矿压观测的主要内容...........................................................................................................43 5.1.3 工作面及回采巷道现场观测方案.......................................................................................43 5.1.4 观测设备...............................................................................................................................44 5.2 工作面来压观测结果分析............................................................................... 45 5.3 工作面支柱阻力观测与分析........................................................................... 48 5.3.1 工作面初撑力分布规律.......................................................................................................48 5.3.2 工作面最大工作阻力分布规律...........................................................................................50 5.3.3 工作面平均工作阻力分布规律...........................................................................................51 万方数据 VII 5.3.4 工作面支护强度分析...........................................................................................................52 5.4 回采巷道矿压实测结果分析............................................................................53 5.4.1 机巷巷道变形观测分析.......................................................................................................54 5.4.2 回风巷道变形观测分析.......................................................................................................55 5.4.3 超前支护单体柱载荷观测分析...........................................................................................56 5.4.4 超前支承压力分布特点.......................................................................................................57 5.5 倾斜方向支承压力分布规律............................................................................57 5.5.1 下联络巷变形实测分析........................................................................................................57 5.5.2 倾斜工作面超前支承压力分布分析...................................................................................58 5.6 工作面底板比压测试结果分析........................................................................59 5.6.1 底板比压测试方案...............................................................................................................59 5.6.2 观测数据分析.......................................................................................................................60 5.7 煤层顶板分类...................................................................................................62 5.7.1 煤层老顶的分级...................................................................................................................62 5.7.2 煤层直接顶分类...................................................................................................................63 5.8 本章小结 ..........................................................................................................63 6 结论与展望结论与展望.........................................................................................................67 6.1 结论..................................................................................................................67 6.2 展望..................................................................................................................68 参考文献参考文献.................................................................................................................69 作者简历作者简历.................................................................................................................73 学位论文数据集学位论文数据集 .....................................................................................................75 万方数据 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景和意义 煤炭是不可再生资源，同时是我国现阶段的主要能源，据相关研究报告显示， 至 2030 年，煤炭在我国能源消费中的比重仍将占 70％左右[1- 2]。虽然我国煤炭资 源丰富，但经济可采储量较少，人均探明开采储量仅为世界平均值的 1/2。开采薄 煤层的产量在全国原煤总产量中所占的比重虽然不大，但也是不可忽视的资源[3]， 我国薄煤层分布较广，从东北到西南，由华北至华东都有薄煤层赋存。依据我国 煤层厚度划分标准，0.8- 1.3m 为薄煤层，小于 0.8m 属于极薄煤层。根据 1986 年至 l990 年期间对全国 90 多个国有重点煤矿的统计，其中有 77 个矿务局如开滦、平 顶山、北票、通化、芙蓉及攀技花、兖州、淄博、徐州、井经、邯郸和义马等 424 个矿区井， 赋存着 765 个薄煤层， 工业储量达 90 多亿吨， 可采储量近 60 多亿吨， 占全国煤矿煤炭总储量的 20.42，而采出量却不足总量的 10。随着我国煤矿开 采强度的加大，厚及中厚煤层资源逐渐减少，薄及较薄煤层的开采逐渐受到煤炭 企业的重视。因此，薄煤层规模化开采对于开发利用煤炭资源，提高资源利用率 将日趋重要，延长矿井开采年限和实现高效开采都具有十分重要的意义[4- 5]。 目前，与厚煤层开采相比，薄煤层赋存条件差，开采条件复杂，机械化开采 难度大，产量低，大量薄煤层被废弃或因技术条件而搁置开采，薄、厚煤开采比 例失调问题十分突出，尤其是近距离煤层开采时，薄煤层开采最为困难[6- 7]。如何 在薄煤层特殊的地质与技术条件下，提高开采技术水平和生产效率、采出率和产 量，一直是一个技术难题[8]。因此，研究薄煤层开采矿压显现规律将为薄煤层开采 提供有利的技术保证。 难采煤层是指由于特殊赋存条件，若不采取相应的措施，难以有效地开采的 煤层。薄和极薄煤层属于难采