“两硬”大采高采场顶板结构模型及控制研究.pdf

分类号分类号TDTD7676 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码1042410424 学学 位位 论论 文文 ““两硬两硬””大采高大采高采场采场 顶板结构模型及控制顶板结构模型及控制研究研究 夏夏 洪洪 春春 申请学位级申请学位级别别博士学位博士学位 专专业名称业名称采矿工程采矿工程 指 导 教指 导 教 师师宋宋 振振 骐骐 职职称称教教 授授 指 导 教指 导 教 师师石石 永永 奎奎 职职称称教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二○○一二一二年年十十二二月月 论文题目论文题目 ““两硬两硬””大采高采场大采高采场 顶板结构模型及控制顶板结构模型及控制研究研究 国家重点基础研究发展 973 计划项目（2012CB72310401） 国家自然科学基金项目（51274051） 作 者 姓作 者 姓 名名夏夏 洪洪 春春 入学时间入学时间 20092009 年年 9 9 月月 专 业 名专 业 名 称称采矿工程采矿工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指 导 教指 导 教 师师宋宋 振振 骐骐 职职称称 教教 授授 指 导 教指 导 教 师师石石 永永 奎奎 职职称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期20201212 年年 1 10 0 月月 论文答辩日期论文答辩日期20201212 年年 1212 月月 授予学位日期授予学位日期 STUDY ON ROOF STRUCTURE MODEL IN TWO -HARD FACES WITH LARGE MINING HEIGHT AND THE CONTROL A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of DOCTOR OF TECHNOLOGY from Shandong University of Science and Technology By Xia Hongchun SupervisorProfessor Song Zhenqi Professor Shi Yongkui College of Natural Resources and Environmental Engineering December 2012 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文本人呈交给山东科技大学的这篇博士学位论文，，除了所列参考文献和世所除了所列参考文献和世所 公认的文献外公认的文献外，，全部是本人在导师指导下的研究成果全部是本人在导师指导下的研究成果。。该论文资料尚没有呈交该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定于其它任何学术机关作鉴定。。 博士生签名博士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Doctor of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of ackNowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学博士学位论文 摘要 摘要摘要 大采高综采技术是厚煤层安全高效开采的重要发展方向，由于采高增大，采场煤壁 片帮、冒顶、压架和支架失稳的概率升高，工作面矿压显现规律也明显区别于普通采高， 因而研究其规律的新特征对完善和发展矿压理论和提高该技术应用范围意义重大。 以晋华宫煤矿坚硬顶板及坚硬顶煤（即“两硬” ）地质条件为基础，通过煤岩体力学 实验、地应力测试及反演分析，揭示了晋华宫井田岩石力学特性、所处的地应力状态、 类型和作用特征，通过二维相似材料模型试验及 FLAC 3D 数值模拟研究分析了明显影响矿 压显现的覆岩运动范围及演化规律；通过弹性力学等理论，考虑岩梁轴力、倾角及岩层 间挤压力的影响，分析了“两硬”大采高采场的覆岩运动规律及孕灾机理，揭示了覆岩 空间结构演化规律；通过弹性地基梁理论，分析了大采高采场开采诱发的顶板相关灾害 及顶板断裂弹性能积聚与释放分布规律；以能量守恒定律为基础，建立了大采高条件下 顶板断裂下沉压缩空气动力冲击灾害模型，进一步揭示了大采高诱发围岩灾害原理；建 立了不同阶段的工作面支架选型的控制准则、力学条件及结构参数，阐明了采场来压时 刻“支架与围岩”的关系，推导出了不同工作方式下的位态方程；构建了大采高采场以 控制“覆岩运动参数”为根本的预控体系，杜绝了灾害发生的可能性，通过现场实测和 应用证明，应用效果良好。 本文以“实用矿山压力理论”为指导，以弹性力学、能量守恒及弹性地基梁等理论为 基础，以数值模拟、物理模拟及现场实践为依据，采用理论、试验与现场实践相结合的 手段，同时考虑岩层间挤压力、轴力及煤层倾角等的影响，对“两硬”大采高采场顶板结 构模型及控制进行全面系统的研究与探讨，解决了大同“两硬”大采高工作面开采中存在 的具体问题，为以后类似煤层及煤矿的设计、开采、顶板管理和决策提供了科学依据。 关键关键词词 “两硬”大采高；动载冲击；灾变机理；能量分布；覆岩运动参数预控 山东科技大学博士学位论文 摘要 Abstract Large mining height fully-mechanized is an important development direction for the thick coal seam safely and efficiently mining. Due to mining height increases, probability increased for stope rib spalling, roof fall, instability of pressing frame and bracket, phenomenon law of underground pressure in mechanized caving face, which was also obviously different from normal mining height. Therefore, the new features for study its rule is very signality to improvement and development of mine pressure theory and improve range field of application of the technology. Taking the coal plow in Jinhuagong mine as the foundation, study on stress characteristics and the interaction mechanism for the stope geological power source and mining the power source, with the two-dimensional similar material model and FLAC3D numerical simulation studied and analyzed that the obvious influence for mine pressure of the strata movement appeared scope and evolution rule, coal rock physical and mechanical experiments situ stress measurement and inversion analysis reveals Jinhuagong mechanical properties, in which the stress state, type and role characteristics, the paper makes scientific prediction for the distribution of the secondary stress field and surrounding rock mass caused by coal - mining; On this basis,with the elastic mechanics theory, it defined and described that structure of the model, the configuration characteristic of the various parts, mechanical structural features and with the development of stope dynamic process promote model, analysis of its stope strata movement rules and subsquently mechanism, reveal the spatial structure of the overburden rock evolution. Based on it, from the elastic foundation beams theroies, analyzed that related disasters induced by the exploitation of large mining height workface, the roof fracture elastic energy accumulation and release of the distribution law. Based on the law of conservation of energy, developed large mining height workface of disaster control model, reveals disaster principle of pillar rockburst induced by the large mining height are broken,and verified by numerical simulation; it established criteria for control over the selection of the different stages of the working face, mechanical conditions and structural parameters, the pressure to clarify the stope moment “supports and surrounding rock“ relationship, derived the different work under the way of a state equation; According to achievement of theoretic research, it pointed out pre-control system to control the structure of the overlying strata and rescue measures, eliminate the possibility of disaster, through field measurement and applications that the achievement is feasible. In this paper, it has been researched according to the mining pressure theory, which based 山东科技大学博士学位论文 摘要 on indepth and systematic research evolution and characteristics of stress field that ”hard rock and hard coal” large mining height fully-mechanized strata space structure., it solved the actual problems in Datong. It provides scientific basis for the similar design of the coal mine, coal mining, production safety management and strategic decision. KeyWords two hard faceswith large mining height；impact under dynamic load; mutation mechanism;energy distribution; precontrol overlying mining rock 山东科技大学博士学位论文 目录 I 目录目录 1 1 绪论绪论 .................................................................................................................... 1 1 1.1 研究的目的及意义....................................................................................................... 1 1.2 国内外研究动态及文献综述........................................................................................ 5 1.3 论文主要内容............................................................................................................. 10 1.4 论文研究方法与技术路线...........................................................................................11 2 2 煤岩体煤岩体力学参数与地应力测试力学参数与地应力测试........................................................................ 1313 2.1 煤层赋存地质特征..................................................................................................... 13 2.2 煤岩体力学参数测试................................................................................................. 15 2.3 应力场的空间分布特征............................................................................................. 23 2.4 小结............................................................................................................................ 41 3 3 采场覆岩运动规律相似材料模拟与数值模拟研采场覆岩运动规律相似材料模拟与数值模拟研究究 ........................................ 4242 3.1 相似材料模拟试验研究 ............................................................................................. 42 3.2 数值模拟研究............................................................................................................. 48 3.3 小结............................................................................................................................ 60 4 4 采场顶板结构演化及控制方法采场顶板结构演化及控制方法........................................................................ 6161 4.1“两硬”大采高采场覆岩运动规律 ............................................................................... 61 4.2 顶板结构力学模型参数分析...................................................................................... 64 4.3 采场灾害控制方法..................................................................................................... 82 4.4 小结.......................................................................................................................... 103 5 5 工程应用工程应用 ........................................................................................................ 105105 5.1 晋华宫煤矿 8210 工作面采场覆岩结构预控技术................................................... 105 5.2 三道沟煤矿 85201 工作面采场覆岩结构预控技术..................................................114 5.3 工作面实测研究....................................................................................................... 120 5.5 小结.......................................................................................................................... 133 山东科技大学博士学位论文 目录 II 6 6 主要结论及创新点主要结论及创新点.......................................................................................... 134134 6.1 主要结论 .................................................................................................................. 134 6.2 创新点 ...................................................................................................................... 136 致谢致谢.................................................................................................................... 137137 攻读博士期间主要研究成果攻读博士期间主要研究成果 ............................................................................ 138138 公开发表论文................................................................................................................. 138 从事科学研究................................................................................................................. 138 科研奖励........................................................................................................................ 139 纵向科研........................................................................................................................ 139 横向科研........................................................................................................................ 139 参考文献参考文献............................................................................................................ 141141 山东科技大学博士学位论文 目录 III Contents 1 Introduction1 1.1 Significance of the research1 1.2 Research dynamic and literature review in domestic and international5 1.3 Main Contents of the Study10 1.4 Research s and technical route11 2 Physical and mechanical parameters and ground stress test of coal rock13 2.1 characteristics of geological occurrence by coal seam13 2.2 Test of physical mechanical parameters by coal rock15 2.3 Features of space distribution by stress field23 2.4 Summary41 3 Research on similar materials and numerical simulation by strata movement rules42 3.1 Research on similar materials simulation42 3.2 Research on numerical simulation48 3.3 Summary60 4 Structure evolution and controlling means of stop roof61 4.1 Structure evolution and controlling means of stop roof61 4.2 Analysis of parameters by structure model of the roof64 4.3 s of disaster-controlling by stope82 4.4 Summary103 5 Application of the Engineering105 5.1 Structure evolution and controlling means of stop roof105 5.2 Structure evolution and controlling means of stop roof114 5.3 Research on Measured120 5.4 Summary133 6 Main Conclusions and Innovation points134 6.1 Main Conclusions134 6.2 Innovation points136 Thanks137 Main research results during the Ph.D.138 Published papers. 138 Scientific research.139 山东科技大学博士学位论文 目录 IV Scientific research reward139 Longitudinal research139 Transverse research139 References. 141 山东科技大学博士学位论文 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 研究的目的及意义研究的目的及意义 我国的能源资源中煤炭能源最为丰富，截止 2010 年底，全国煤炭已探明地质储量 1.5 万亿吨，占化石能源资源总储量的 97.9。煤炭在我国能源结构中的比重非常大，根 据 2011 年的统计数据，我国煤炭产量 35.2 亿吨占世界产煤总量的 48.3，占国内一次 能源消耗量的 66。 煤炭产量从 2001 年的 13.81 吨到 2011 年的 35.2 亿吨， 年均增加 1.9 亿吨[1]，保证了我国经济和社会发展的需求，而煤矿的安全生产和煤炭产量的稳产高产 关系到我国经济增长的命脉。 “两硬”即煤层硬煤质坚硬，f3.04.5和顶板岩层坚硬多为整体性强的厚砂岩、砾 岩，层理节理均不发育，性质坚硬，f8[89]。由于顶板坚硬，不能及时冒落充填采空区， 在采空区形成悬顶。当悬顶达到极限跨度时，往往发生突变失稳，造成采场动压冲击， 压死支架，影响工作面正常生产。特别是在大采高工作面，这种现象更加严重，是厚煤 层开采的技术难题[2-3]。 晋华宫矿 8210 工作面开采 12煤层，可采走向长度 1700m，工作面长度 163.7m，平 均采厚 5.5m，平均倾角 6，煤层 f 值 34 之间，基本顶为中粗砂岩，厚度 18.2m，岩性 特征为浅灰色，砂质孔隙式胶结；直接顶为细砂岩，厚度 3.2m，岩性特征为浅灰色局部 为粉砂岩夹煤线，水平层理；伪顶为粉细砂岩，厚度为 0.4m，其顶板单轴抗压强度为 60160Mpa，即 f616，因此该工作面为典型的“两硬”大采高工作面。 工作面于 2010 年 1 月 1 日试生产， 在生产过程中发生过几次顶板突然失稳造成工作 面大面积剧烈来压压死支架的灾害。工作面三个月只推进了 49m，在此期间，工作面顶 板事故频繁发生，顶板压力显现较为明显，其中 8 月 2 日692m 位置和 9 月 10 日710m 位置两次均出现顶板突然来压，支架被压死事故，其中 8 月 2 日压架事故影响生产 25 天，9 月 10 日压价事故影响约 23 天。 2010 年 8 月 2 日，当工作面开采至头 706.8m、尾 678.5m 处时，工作面发生顶板来 压，来压情况为工作面 2580支架处煤壁片帮 1m3m，片帮煤量大，采煤机正处于 10支架处向头割煤，因此片帮煤矸石大，卡在采煤机底部，不能及时运走，导致工作面 运输机超负荷不能运行， 在组织工人清理运输机上煤矸期间， 工作面支架不能及时前移， 山东科技大学博士学位论文 1 绪论 2 机道空顶大，导致工作面机道局部顶板折断下沉塌落 24m，大面积支架被压死，活柱 无行程，影响生产 25 天。 2010 年 9 月 10 日，工作面开采至头 726.6m、尾 699m 时，工作面出现顶板来压， 支架整体受损严重，导致机道顶板折断下沉漏顶。共计影响生产 23 天。 2010 年 11 月 2 日夜班，当工作面开采至头 755.3m、尾 733.2m，距上次来压位置平 均 31.5m 时，工作面顶板来压，工作面 2070支架煤壁炸帮深 2m 左右，1870支架机 道顶板裂开，下沉 0.5m 左右，工作面采空场 113支架悬板长约 6m，1495支架上部 顶板跟架塌落，9598支架后方悬板长约 6m，2070支架安全阀全部开启卸载，局部压 力达到 44MPa，大部分压力在 42MPa，共计影响生产 3 天。 2010 年 11 月 21 日夜班，当工作面开采至头 832.2m、尾 796.1m 时，距上次来压位 置平均 8.1m 时，工作面顶板来压，工作面 3070支架煤壁炸帮深 1m 左右， 4653支 架机道顶板裂开， 下沉 0.5m 左右， 工作面 3070支架安全阀全部开启卸载， 工作面 198 支架上部顶板全部塌落，工作面压力为 45MPa，来压持续 15 个小时，共计影响生产 2 天。 2010 年 11 月 28 日夜班，当工作面开采至头 863m、尾 831m 时，距上次来压位置平 均 12.7m 时，工作面顶板来压，工作面 2688煤壁炸帮深 1.5m 左右，2688机道支架 顶板裂开，下沉 0.6m 左右，支架被压死，活柱没有行程，支架安全阀全部开启卸载，工 作面采空场 1-98支架上部顶板全部塌落，工作面压力在 45MPa，影响生产 7 天时间。 8210 工作面顶板剧烈来压情况如表 1.1 及图 1.1 所示。 20 世纪 90 年代，由于综放开采厚煤层具有工效高、掘进工程量低、产