南梁煤矿间隔式采空区下煤层开采动压机理研究.pdf

西安科技大学西安科技大学 硕 士 学 位 论 文 南梁煤矿间隔式采空区下煤层开采动压机理研究 专业名称矿业工程 作者姓名田云鹏 指导老师范公勤 万方数据 西安科技大学 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，可以采用影印、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 论文题目南梁煤矿间隔式采空区下煤层开采动压机理研究 工程领域矿业工程 硕 士 生田云鹏 签名 指导教师范公勤 张杰 副教授 签名 摘 要 浅埋煤层由于其煤层赋存具有埋深浅、基岩薄、表土覆盖层较厚等特点，其采场矿 压显现常呈现出不同于其它煤层的特征，来压时工作面矿压显现强烈，因此对于浅埋煤 层，采场矿山压力控制是目前的一个难题。而浅埋近距离煤层重复采动覆岩关键层结构 类型及其破断运动特征是引起下煤层工作面矿压显现剧烈程度的一项重要因素， 是掌握 下煤层工作面发生动载矿压机理的前提， 对于浅埋近距离煤层上煤层已采下层单一关键 层而言，当上煤层采后其上关键层破断后的结构处于失稳状态，下煤层开采时下关键层 结构破断后的结构易出现滑落失稳，工作面矿压显现异常强烈，工作面易出现台阶下沉 和压架事故。 南梁煤矿位于神府矿区新民开采区内，其中 2-2、3-1两层煤层为井田的主要可开采 煤层，两煤层的平均间距为 20m，上煤层 2-2煤层采用长壁式开采和房柱式开采的间隔 式开采方法，下煤层 3-1煤层采用长壁式开采方法。 论文针对神东矿区浅埋近距离煤层重复采动易出现动载矿压之特点， 以南梁煤矿地 形为工程背景，采用现场调研、相似材料模拟实验、理论分析和数值模拟等手段，开展 了浅埋近距离煤层间隔式开采后重复采动覆岩结构失稳机理的研究， 确定南梁煤矿间隔 式开采后对下煤层矿压的影响因素， 提出南梁煤矿近距离煤层间隔式重复采动上覆岩层 结构失稳控制与防范措施，避免因动载矿压影响矿井的正常生产。 关 键 词 浅埋煤层；间隔式开采；重复采动；关键层结构；动载矿压 研究类型 应用研究 万方数据 Subject Study on the mechanism of strong strata behavior in partitional mining of Nanliang coal mine Specialty Mining Engineering Name Tian Yun-peng Signature Instructor Fan Gong-qin, Zhang Jie Signature ABSTRACT The shallow coal seam has the characteristics of shallow buried depth, thin bedrock thick cover, heavy soil, It’s rock pressure in coal face always different with other coal seam, Pressure of workface are strong ,so as to shallow coal seam, It’s still a difficult problem at present to control the coal face pressure. But the key strata structural morphology in shallow coal seam re-mining and the movement characteristics of breaking are the important factor to judge the severe degree of pressure manifestation, it’s also the premise to master the mechanism of strong strata behavior in lower coal seam. As to the shallow seam has single key stratum that the up seam has been mined, when the key stratum fractured structure is in an unstable state after the coal seam is mined, the lower key strata structural morphology prone to sliding instability, the pressure of workface is very stronger, the workface prone to step subsidence and crushing accident. NanLiang coal mine located in the mine area of ShenFu XinMin,the 2-2 and 3-1 coal seam are the main mineable seams,the average distance between the two seams was 20 meters,the 2-2 coal seam use the longwall mining and the room-pillar mining ,the 3-1 coal seam adopts the longwall mining . Aiming at the Shendong mining area of shallow buried close distance coal seam repeated mining easy to appear the characteristics of dynamic load of mine pressure, using NanLiang coal mine as engineering background, Using the spot investigation, the similar material simulation experiment, theoretical analysis and numerical simulation, To carry out the study on overburden strata structure failure mechanism of repeated mining of shallow coal seam mining in the close coal seams, Determine the NanLiang coal mine partitional mining influence factors to the lower coal seam pressure, NanLiang coal mine close coal seams partitional mining overlying strata structure of control instability and measures are put forward, to avoid the strong strata behavior influence the normal production 万方数据 Keywords Shallow coal seam; Partitional mining; Remining; Key strata structural morphology; Strong strata behavior Thesis Application Research 万方数据 目 录 I 目 录 目 录 ................................................................................................................................... I 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 ............................................................................................................. 2 1.2 研究领域内的国内外研究现状 ..................................................................................... 3 1.2.1 国内外采动覆岩运动规律研究现状 ................................................................. 3 1.2.2 浅埋单一煤层开采采场矿山压力研究现状 ..................................................... 5 1.2.3 浅埋近距离煤层重复采动矿山压力研究现状 ................................................. 7 1.3 论文研究内容和方法 ..................................................................................................... 8 1.3.1 研究内容和方法 ................................................................................................. 8 1.3.2 研究的技术路线 ................................................................................................. 9 2 复采条件下覆岩关键层结构及破坏特征 .......................................................................... 10 2.1 复采覆岩关键层结构分类 .......................................................................................... 10 2.1.1 下层单一（复合）关键层结构 ...................................................................... 10 2.1.2 下层无关键层或多层关键层结构 .................................................................. 11 2.2 复采下关键层结构的失稳特征及动载矿压 .............................................................. 12 2.2.1 下关键层结构的破断失稳特征 ...................................................................... 12 2.2.2 下关键层结构失稳引发的动载矿压 .............................................................. 13 2.3 南梁煤矿地质结构分析 .............................................................................................. 14 2.3.1 南梁煤矿地质结构概况 .................................................................................. 14 2.3.2 南梁煤矿关键层结构位置分析 ...................................................................... 14 2.4 本章小结 ...................................................................................................................... 16 3 复采覆岩运动破坏规律相似模拟实验研究 ...................................................................... 17 3.1 相似模拟方案及设计 .................................................................................................. 17 3.1.1 模拟南梁煤矿工作面概况 .............................................................................. 17 3.1.2 模拟南梁煤矿工作面方案 .............................................................................. 19 3.1.3 相似条件的确定 .............................................................................................. 19 3.2 模拟过程及分析 .......................................................................................................... 21 3.2.1 2 -2 煤层开采模拟分析 ...................................................................................... 21 3.2.2 3-1煤层开采模拟分析 ...................................................................................... 25 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 II 3.3 本章小结 ...................................................................................................................... 31 4 复采条件下关键层结构失稳数值模拟分析 ...................................................................... 33 4.1 数值模拟方法 .............................................................................................................. 33 4.1.1 离散单元方法 .................................................................................................. 33 4.1.2 udec 软件介绍 .................................................................................................. 33 4.2 数值模拟的建立 .......................................................................................................... 35 4.2.1 力学参数的选取 .............................................................................................. 35 4.2.2 数值模拟方案及设计 ...................................................................................... 36 4.3 数值模拟的结果及分析 .............................................................................................. 37 4.3.1 2-2煤层开采过程及分析 .................................................................................. 37 4.3.2 3-1煤层开采过程及分析 .................................................................................. 43 4.4 本章小结 ...................................................................................................................... 46 5 间隔式采空区下复采现场动压防治措施 .......................................................................... 48 5.1 危险区域及工作面来压位置预测 .............................................................................. 48 5.2 复采动压主要预防措施 .............................................................................................. 49 6 结论 ...................................................................................................................................... 50 致谢 .......................................................................................................................................... 52 参考文献 .................................................................................................................................. 53 附录 .................................................................................................................................. 58 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 我国浅埋煤层广泛分布于陕西神府、东胜煤田，由于其煤层赋存具有埋深浅、基岩 薄、表土覆盖层较厚等特点，其采场矿压显现常呈现出不同于其它煤层的特征，来压时 工作面矿压显现强烈，出现台阶下沉，有时甚至压坏支架。因此对于浅埋煤层，采场矿 山压力控制是目前的一个难题。 南梁井田位于神府矿区新民开采区内，地处陕西省神木、府谷两县交界处的黄羊城 沟北侧，行政区划隶属府谷县老高川乡管辖。井田位于毛乌素沙漠东南缘与陕北黄土高 原北端的接壤地带， 区内为典型的黄土地貌， 属黄土丘陵沟壑区， 地形复杂， 沟壑纵横， 坎陡沟深，地表侵蚀强烈。井田地势总体呈中部高而南北低，最高处位于神树梁，海拔 高程为1321.2m，最低处位于井田西北界的白火盘，海拔高程1083.38m。本区属神府 矿区，是陕北侏罗纪煤田的一部分，地层区域属鄂尔多斯盆地的东北部。中生代后期， 受燕山运动影响，陕北区域东部抬升，地层遭受强烈剥蚀，从而使地层自东而西由老到 新出露，大致呈北北东向带状分布。区域地层由老到新依次为三叠系、侏罗系、白垩 系、第三系及第四系。 南梁煤矿地处神府侏罗纪煤田地方开采区的边界地带， 井田内延安组共含煤十余层， 参与储量计算的可采煤层有四层，即 2-2、3-1、3-1 下、5-1 煤层，其中 2-2、3-1两层为井田 主要可采煤层。 其中 2-2煤层，全区分布为一结构简单的稳定型中厚煤层，在井田南、北边界沟谷 地段出露，并在北部沟谷两侧沿露头自燃。该煤层采用房柱式开采和长壁式开采结合的 间隔式开采方法，煤厚 1.20～2.70m，平均 2.05m，井田大部地段煤厚大于 2.0m，其范 围呈半圆形分布于中部及西南部，并向东减薄，至东南角最薄。该煤层厚度稳定，结构 简单，普遍不含夹矸。 3-1煤层及 3-1 下煤层，在井田西北部杨山沟、小板兔川出露，并沿露头有窄条带状自 燃区分布，该煤层拟采用长壁式开采，该区全区可采，属稳定煤层。其富煤区位于井田 内N14～N13号孔一线东南部， 在煤层复合部位煤厚在4m以上， 由南向北变薄， 至N13～ PK57～N8 号孔一线附近分岔成 3-1和 3-1 下两层煤。分岔区内 3-1 煤层厚 2.0m 左右，向北 继续变薄，而煤层间距逐渐加大，3-1煤层一般含 1～3 层夹矸，厚度为 0.08～0.24m，岩 性为泥岩、炭质泥岩；3-1 下煤层以薄煤层为主，煤厚 0～1.64m，平均 1.11m，与上部煤 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 层间距 2.0m 左右，含 1～2 层夹矸或不含矸，矸厚 0.08～0.13m，岩性为泥岩、粉砂岩。 截止 2013 年 5 月南梁煤矿正在回采 20205 工作面，20307 工作面为其接续工作面。 南梁煤矿井田范围内 2-2煤层剩余工业资源储量总计 19.35Mt， 设计可采储量约 12.30Mt； 若按照目前矿井 1.20Mt/a 生产规模计算，预计 2-2煤剩余服务年限仅约 7 年，后需开采 下煤层 3-1煤层。 2-2煤层采用间隔式开采和综合机械化开采后留下大量的采空区和煤柱， 之后南梁煤 矿将对 3-1煤层进行开采，南梁煤矿 3-1煤层在 2-2煤层的采空区下进行，属于典型的浅 埋煤层复采，与南梁煤矿距离相近，地质条件相似的大柳塔矿在同样开采下煤层时，发 生过两次动载矿压，本课题就是通过对南梁煤矿重复采动覆岩破坏规律进行研究，提出 南梁煤矿近距离煤层间隔式重复采动上覆岩层结构失稳控制与防范措施， 避免因动载矿 压影响矿井的正常生产，对下煤层开采过程中可能出现的矿压显现异常进行有效控制。 1.1.2 研究意义 在综机设备选择正确的基础上，既能实现高产高效，更能保证安全生产，特别是液 压支架的选择，直接决定工作面安全，且其投资占综采设备投资的 85左右，是综机设 备中最需要精心选择的。对于榆神府矿区综合机械化，正确选择液压支架的意义更为重 要，如神东大柳塔煤矿活鸡兔井 21305 工作面开采 1-2煤层，其内 H86 地面钻孔距切 眼约 2324m，地面地势平坦。根据现场实测资料得出的采场矿压显现为周期来压步距 平均 11m，动载系数普遍在 1.57～1.62，最大达 1.88，周期来压持续长度约 3.6m，来 压时安全阀开启率最大达到 77.6，煤壁片帮普遍在 200～400mm、最大达 600mm，在 装备有额定工作阻力 12000KN 液压支架的采场矿压显现远远比上煤层开采时强烈。同 样 21304 工作面采用 DBT 公司额定工作阻力为 8638KN 的支架，回采期间采场矿压显 现异常强烈，曾发生 2 次动载矿压，工作面出现较大的切顶、冒顶和煤壁片帮情况。因 此，在上部煤层顶板覆岩关键层结构失稳情形下，开采单一关键层结构的下煤层时，下 煤层采场矿压同样会显现异常， 浅埋近距离煤层重复采动时下煤层顶板单一关键层破断 后的砌体梁不能形成稳定结构，从而易引发动载矿压。而补连塔煤矿 32301 工作面 2-2 煤层与 1-2煤层间距 30.02m，煤层间存在 2 层亚关键层，由下往上依次为厚 5.67m 的 粉砂岩和 12.16m 的细粒砂岩， 由于下煤层开采时其顶板多层关键层由下往上逐层破断， 该工作面回采时矿压显现并不强烈。 本课题就是通过对南梁浅埋煤层重复采动下行开采时覆岩运动破坏的机理进行研 究，对南梁煤矿可能出现的矿压问题进行实验判断，通过对现有支架参数的改善等措施 达到对其可能出现的矿压问题的进行有效控制，其研究成果不仅对南梁煤矿，而且对神 府煤田矿井实现高产高效都具有非常重要的意义。 万方数据 1 绪论 3 1.2 研究领域内的国内外研究现状 1.2.1 国内外采动覆岩运动规律研究现状 实践表明，煤矿开采引起的采动损害问题均与采动覆岩运动有关。地下煤炭资源采 出后，必然引起岩体向采空区内移动，岩层移动将造成一系列的环境与安全问题。如矿 山压力显现会危及井下工作人员及设备的安全； 采动裂隙发育会引起围岩中水与瓦斯的 运移，从而引发井下瓦斯突出与突水等事故；岩层移动传递到地表会引起地表塌陷，导 致建筑物和耕田的毁坏。为了解决上述问题，研究并掌握采动覆岩移动破坏规律是关键 所在。 在采动覆岩运动规律的研究方面，国内专家学者经过长期不懈努力研究，根据回采 工作面前后岩体形态总结提出了“横三区” 、 “竖三带”的总体认识，即沿工作面推进方 向将上覆岩层划分为重新压实区、离层区和煤壁支承区，由下往上将上覆岩层移动划分 为垮落带、裂缝带和弯曲下沉带[1]。 在采场顶板结构的认识问题上，学术界对覆岩可能形成的结构提出了众多假说，其 中主要有压力拱假说、悬臂梁假说、铰接岩块假说和预成裂隙假说。 在 20 世纪 70 年代末，我国学者钱鸣高院士根据大量的生产实践，结合岩层内部移 动的现场实测，提出了岩体结构的“砌体梁”力学模型，创造性地发展了前述有关假说 [2-5]。砌体梁假说较好的给出了破断岩块的咬合方式及平衡条件，很好地解释了采场矿 山压力显现规律[6-10]。在 80 年代中后期，砌体梁结构理论的力学模型取得了体系化和定 量化的发展，并展开了砌体梁结构断裂形态、断裂时机对工作面矿压显现的影响，为采 场矿山压力的控制及支护设计提供了理论依据[11-13]。钱鸣高院士提出的砌体梁理论已经 在生产实践中得到广泛应用，并取得了长足发展[14-18]。 至 90 年代中期，随着对岩层控制科学研究的不断深入以及迫切需要解决岩层活动 中更为广泛的问题，在 “砌体梁”理论的基础上，进一步提出了“岩层控制的关键层 理论”[19-22]，关键层理论的提出将矿山压力、岩层移动与地表沉陷研究有机的结合在一 起，为更全面、深入的解释采动岩体活动规律与采动损害现象奠定了基础，为煤矿绿色 开采技术研究提供了新的理论平台[23-25]。 宋振骐院士提出的“传递岩梁”假说认为由于断裂岩块之间的相互咬合，始终能 向煤壁前方及采空区矸石上传递作用力，因此，岩梁运动时的作用力无需由支架全部承 担；支架承担岩梁作用力的大小，由对其运动的控制要求决定[25-28]。老顶岩梁给支架的 力，一般取决于支架对岩梁运动的抵抗程度，可能存在“给定变形”和“限定变形”两 种工作方式[28-32]。 邹喜正教授曾对压力拱假说进行了新的解释[46]， 曹树刚教授提出了复合压力拱的概 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 念[47]。靳钟铭教授等通过对国内较早采用综放工艺的潞安矿区、阳泉矿区部分综采面进 行实测研究，发现顶煤存在拱式和半拱式的放落规律[48]。古全忠教授等较早利用数值模 拟方法对放顶工作面顶板运动规律进行了研究，提出了采场上覆岩层运动结构为“拱– 梁”结构，认为上覆岩层的运动实质上是拱向梁的转换运动过程[49]。张顶立教授等提出 了“砌体梁”与“半拱”式结构结合而构成的综放工作面覆岩结构的基本形式[50,51]。 吴立新教授等在详细分析现场实测资料与岩层移动过程的基础上， 提出了条带开采 的覆岩托板控制理论[52]。张向东、范学理、赵德深等教授认为上覆岩层的运动是一个复 杂的时空过程，并根据流变力学理论和控制板梁组合运动理论，研究了覆岩运动及离层 发展的时空过程[53]。 姜福兴教授等基于微地震定位监测技术监测岩体在三维空间破裂的成果， 以及多种 边界条件工作面岩层运动和应力场的观测结果，提出了长壁采场覆岩空间结构的概念， 并将覆岩空间结构分为中间有支撑的“θ”型、中间无支撑的“O”型、 “S”型和“C” 型 4 类[54-56]。 谢广祥教授等通过大量数值模拟研究， 认为在综放工作面围岩中存在高应力束组成 的宏观应力壳，针对不同的影响因素（工作面长度，层厚等）综采面采场应力壳的变化 发展问题进行了研究[57-60]。 岩层控制的关键层理论[11-13]的基本观点是当煤层上覆岩层中存在多层坚硬岩层时， 各坚硬岩层因其变形和破断特征不同而对其采场顶板岩层运动所起的作用不同， 把对覆 岩全部或局部起决定作用的岩层称为关键层，前者称主关键层，后者称亚关键层[33-36]。 即覆岩中主关键层只有一层，亚关键层可以有多层。通常，覆岩中的关键层一般为厚度 较大的硬岩层， 但覆岩中的厚硬岩层不一定都是关键层[37-39]。 关键层判别的主要依据为 在关键层破断时，其所控制的岩层是否随之产生整体运动，即其上覆全部岩层或局部岩 层的下沉变形是否相互协调一致[40]。关键层理论研究的总体思路是通过掌握关键层的 变形破断及其运动规律以及在运动过程中与岩层间的相互耦合作用关系， 认识煤炭资源 采出后岩层由下往上移动变形的动态过程，并对采动过程中的位移场、应力场、裂隙场 进行有效监测与控制，避免采动灾害事故的发生。 岩层控制的关键层理论为采动岩层移动破坏规律的深入研究提供了理论平台， 其中 的创新主要体现在以下两个方面首先，将采动覆岩看作一整体进行研究，避免了因学 科专业不同而形成相对分割的研究现状，实现了采场矿压、开采沉陷、水与瓦斯运移等 方面研究的有机统一；其次，抓住了岩层运动的主要矛盾，突出了重点，避免了传统学 科中对岩层进行统计均化的不足[41-46]。 岩层控制的关键层理论自提出以来， 中国矿业大学许家林教授等在关键层的判别方 法[15,16]；关键层上的载荷分布与关键层破断规律[13]；关键层运动对采场矿压、地表沉陷 及采动裂隙场分布的影响[19-25]；关键层理论在卸压瓦斯抽采、开采沉陷控制等方面的工 万方数据 1 绪论 5 程应用上所取得的显著进展[26-31]。如针对神东矿区浅埋煤层的赋存特征，提出了关键层 两类四种的分类方法，揭示了浅埋煤层关键层运动对地表沉陷动态过程的控制作用，分 析了浅埋煤层地表沉陷观测间隔周期对地表下沉动态曲线形态和最大下沉速度的影响， 揭示了浅埋煤层关键层运动对顶板导水裂隙演化的规律和补连塔煤矿四盘区顶板异常 突水机理等； 研究了皖北祁东煤矿松散承压含水层的载荷传递作用对关键层复合破断的 影响，并揭示了工作面突水压架机理[17,18]。 中国矿业大学缪协兴教授等将关键层理论用于保水开采技术中， 通过研究建立了保 水采煤的隔水关键层模型，系统分析了关键层复合效应对关键层破断、采场来压、岩层 移动、采动裂隙分布以及地表沉陷的影响。 西安科技大学侯忠杰教授等根据浅埋煤层的特点， 提出了覆岩全厚整体台阶切落的 判断公式，补充了关键层理论在浅埋煤层应用中的判定准则；推导出组合关键层弹性模 量、承受载荷和极限跨距的计算公式[62-66]。 近年来， 岩层控制的关键层理论得到学术界和采矿工程技术人员的普遍关注与认可， 关键层理论已在煤炭行业多个研究领域得到较好的推广应用， 并取得了良好的经济效益。 [67] 1.2.2 浅埋单一煤层开采采场矿山压力研究现状 我国浅埋煤层广泛分布于陕西神府、东胜煤田，由于