安居矿巨厚火成岩下超高水材料充填开采技术研究.pdf

硕士学位论文 安居矿巨厚火成岩下超高水材料 充填开采技术研究 Study on Super-high-water Material Backfilling Technology with Extremely Thick Igneous Rock above Coal Seam in Anju Mine 作者 赵雨 导师 冯 光 明 教 授 中国矿业大学 二〇一八年五月 万方数据 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、 使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即 ①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文； ②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 年月 日 导师签名 年月 日 万方数据 中 图 分 类 号 T D 8 2 3 学 校 代 码 1 0 2 9 0 U D C_ _ _ _ _ _ _ _ _ _6 2 2_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 密 级 公 开 中 国 矿 业 大 学 硕 士 学 位 论 文 安居矿巨厚火成岩下超高水材料 充填开采技术研究 Study on Super-high-water Material Backfilling Technology with Extremely Thick Igneous Rock above Coal Seam in Anju Mine 作 者 赵 雨_________ 导 师冯光明 申请学位工学硕士 培养单位矿业工程学院 学科专业采矿工程 研究方向岩体力学与岩层控制 答 辩 委 员 会 主 席 桂 评 阅 人__________________ 二〇_ 八年五月 万方数据 致谢 光阴荏荐，日月如梭。 彭城求学数载， 至此终矣， 蓦然回首， 那人那事那物， 仿如昨日，仍历历在目。 在徐七年， 是我人生中最为重要的一段经历。 不论是在专业学习、 思考方式、 综合能力、生活工作等方面，还是其对自身人格塑造、人生观和价值观产生了较 大的影响。 研究生阶段师从冯光明教授， 冯老师在充填开采及矿用新材料研发领域取得 了卓越的成就。感谢冯老师在我研究生阶段能够传道、授业、解惑，能够对我科 研生活进行细心指导和无私帮助， 冯老师严谨的治学态度、 力求创新的学术精神、 低调内敛的作风以及积极向上的人生态度是我不断学习的目标。 值此之际， 谨向 导师表达我最诚挚的敬意。 本论文是在冯老师悉心指导下完成的，冯老师在研究内容、实验设计、撰写 等方面给予了极大的帮助和指导。 同时特别感谢课题组李乃梁副教授在论文选题、 资料收集以及写作期间给予的大力支持与帮助； 感谢课题组任海兵副教授在平时 项目实践方面的教导； 感谢课题组师兄弟高鹏硕士、尹超宇硕士和张赛赛硕士在 文章数值模拟研究以及工程实践方面的帮助。 感谢四年同窗、三年同寝的修俊瑞硕士、赵勇硕士和王磊博士，感谢你们在 平时生活中的理解、 支持与帮助。 感谢好友查蒙琪硕士， 在我低谷时的不断鼓励、 鞭策与帮助，让我觉得有些事我不仅可以做，而且可以做得更好，得此挚友、实 属幸运。 今日， 我们将从矿大毕业， 愿我们的友谊随着岁月流逝更加成熟而深厚。 感谢父母以及兄长一直以来对我的学习、生活的关心、理解与支持，你们是 我的坚强后盾，谢谢你们为我做的一切。 感谢文中所引文献的国内外专家、学者； 感谢在百忙中抽出时间对本论文进 行评审和答辩的各位专家；感谢母校中国矿业大学 至此，我将步入人生的下一个阶段，心怀梦想、脚踏实地、坚持不懈，为精 彩的生活而不断奋斗。 o r V1T t 41 万方数据 摘要 煤层覆岩存在巨厚火成岩，对煤矿开采来说既有有利的方面，也存在一定安 全威胁。巨厚火成岩具有刚度大、强度大和厚度大的特点，其下沉挠度很小，能 够对上覆岩起到很好的承载作用；但随着煤层的不断回采，火成岩与下方岩层出 现离层，且离层间隙越来越大，火成岩内部积聚的弹性能也越来越大，当超过其 极限破断距离时容易对工作面安全回采产生重大威胁， 同时可能造成地表的不均 匀下沉。充填开采技术在控制覆岩活动和地表沉陷方面具有很好的效果，但该技 术很少在控制巨厚火成岩活动方面进行过实践。 基于此， 结合目标矿井属“ 三下” 压煤矿区，提出了 “ 安居矿巨厚火成岩下超高水材料充填开采技术研究”的研究 课题 。文章通过理论分析对巨厚火成岩的结构稳定性进行了研究，介绍了超高水 材料充填开采技术， 并针对此条件下进行了超高水材料充填开采技术参数优化的 F l a c 3 D 数值模拟研究。根据研究结果进行了地表移动变形预计和巨厚火成岩下超 高水材料充填开采系统工艺的设计。主要研究过程与结果如下 1 将实际条件下的巨厚火成岩简化成“ 两端固支梁”模型，基于弹性力 学理论， 分别求解了模型仅受均布载荷作用和火成岩自重作用下的应力分布表达 式 ， 从而得到其内部应力分布表达式； 分析了火成岩最有可能先发生断裂的位置， 通过边界条件计算表明火成岩的两端最先发生断裂， 并由此推导出巨厚火成岩的 极限破断距表达式。阐述了巨厚火成岩下超高水材料覆岩控制机理，超高水材料 充填体与巨厚火成岩对工作面覆岩活动及地表移动变形起协同控制作用。 2 通 过 F l a c 3 D 进行了巨厚火成岩下超高水材料充填开采技术参数的优化 模拟研究。结果表明巨厚火成岩下超高水材料充填开采对顶板及覆岩下沉控制 效果显著，随着材料水体积分数的增大，覆岩下沉量呈增大趋势；在 8 5 充填率 条件下，使用水体积比不超过9 5 . 5 的超高水材料充填开采，对顶板控制作用明 显；随着材料水体积比的减小，能够适当降低煤柱侧向支撑压力，弱化采场应力 集中分布范围，抑制围岩进一步变形。 3 根据地表移动变形预计结果，采用超高水材料充填开采能够最大限度 的减少地表建筑物的破坏，节省补偿费用。同时对巨厚火成岩下超高水材料充填 开采系统进行了设计，包括充填袋、充填泵站能力及选址、充填管路及管径设计 和充填支架的设计。该充填系统方案的设计具有一定的可靠性和可行性，能够实 现在煤层上覆存有巨厚火成岩条件下超高水材料充填开采技术的应用。 该论文有图4 6 幅 ，表 2 0 个 ，参 考 文 献 9 7 篇 。 关键词巨厚火成岩；超高水材料覆岩控制机理；充填参数优化；地表移动变形 预计；充填系统设计 I 万方数据 Abstract An ext r em el y t h i c k i gn eo u s r o c k , wh i c h exi s t s i n o ver bu r d en r o c k s , h a s bo t h f a vo r a bl e a n d p o t en t i a l s a f et y t h r ea t s f o r c o a l m i n i n g. T h e ext r em el y t h i c k i gn eo u s r o c k s a r e c h a r a c t er i zed by l a r ge r i gi d i t y, h i gh s t r en gt h , a n d l a r ge t h i c k n es s . T h ei r s u bs i d en c e d ef l ec t i o n i s ver y s m a l l , a n d t h ey c a n p l a y a go o d l o a d - bea r i n g r o l e f o r t h e o ver bu r d en r o c k s . Ho wever , a s t h e m i n i n g c o n t i n u es , t h e i gn eo u s r o c k s a n d t h e l o wer r o c k f o r m a t i o n s a r e s ep a r a t ed . As t h e d i s t a n c e bet ween t h e l a yer s i n c r ea s es , t h e el a s t i c en er gy a c c u m u l a t ed i n t h e i gn eo u s r o c k i s a l s o i n c r ea s i n g. Wh en i t exc eed s t h e l i m i t br ea k i n g f a u l t t h r o w, i t i s l i k el y t o p o s e a m a j o r t h r ea t t o t h e s a f e m i n i n g o f t h e wo r k i n g f a c e, a n d m a y c a u s e u n even s u r f a c e s u bs i d en c e. Ba c k f i l l m i n i n g t ec h n o l o gy h a s go o d r es u l t s i n c o n t r o l l i n g o ver bu r d en a c t i vi t i es a n d s u r f a c e s u bs i d en c e. Ho wever , t h i s t ec h n i q u e h a s r a r el y been p r a c t i c ed i n t h e c o n t r o l o f ext r em el y t h i c k i gn eo u s r o c k a c t i vi t i es . Ba s ed o n t h i s , t a k i n g i n t o c o n s i d er a t i o n t h e t a r get m i n e wh i c h m i n i n g u n d er vi l l a ges , r a i l wa ys a n d wa t er bo d i es , t h e a u t h o r p u t f o r wa r d t h e Study on Super-high- water Material Backfilling Technology with Extremely Thick Igneous Rock above Coal Seam in Anju Mine. In t h i s p a p er , t h e a u t h o r s t u d i es t h e s t r u c t u r a l s t a bi l i t y o f ext r em el y t h i c k i gn eo u s r o c k s t h r o u gh t h eo r et i c a l a n a l ys i s , i n t r o d u c es t h e t ec h n o l o gy o f f i l l i n g a n d m i n i n g o f u l t r a - h i gh wa t er m a t er i a l s , a n d s t u d i es o n t h e o p t i m i za t i o n o f t h e t ec h n i c a l p a r a m et er s o f s u p er - h i gh - wa t er m a t er i a l ba c k f i l l i n g m i n i n g u n d er t h i s c o n d i t i o n by F l a c 3 D n u m er i c a l s i m u l a t i o n . Ac c o r d i n g t o t h e r es ea r c h r es u l t s , t h i s p a p er gi ves t h e p r ed i c t i o n o f s u r f a c e m o vem en t d ef o r m a t i o n by MSPS, a s o f t wa r e t o m i n e s u bs i d en c e f o r ec a s t , a n d d es i gn s t h e s u p er - h i gh - wa t er m a t er i a l ba c k f i l l i n g m i n i n g s ys t em s . T h e m a i n r es ea r c h p r o c es s a n d r es u l t s a r e a s f o l l o ws 1 T h e ext r em el y t h i c k i gn eo u s r o c k u n d er a c t u a l c o n d i t i o n s i s s i m p l i f i ed i n t o a two-end fixed-supported beam m o d el . T h r o u gh t h e t h eo r y o f el a s t i c m ec h a n i c s , t h e s t r es s d i s t r i bu t i o n u n d er t h e a c t i o n o f u n i f o r m l o a d a n d i gn eo u s r o c k wei gh t i s es t a bl i s h ed r es p ec t i vel y a n d t h e exp r es s i o n o f t h e i n t er n a l s t r es s d i s t r i bu t i o n o f t h e ext r em el y t h i c k i gn eo u s r o c k i s a n a l yzed . Ba s ed o n t h e c o n s i d er a t i o n o f l i m i t t h i n k i n g, t h e l o c a t i o n wh er e t h e i gn eo u s r o c k i s m o s t l i k el y t o br ea k f i r s t i s a n a l yzed , t h a t i s x / a n d x 0 , y h / 2 . C o m p u t a t i o n a n d c o m p a r i s o n o f t h e bo u n d a r y c o n d i t i o n s s h o ws t h a t t h e t wo en d s o f t h e i gn eo u s r o c k f i r s t f r a c t u r e, a n d f r o m t h i s , t h e u l t i m a t e br ea k i n g f a u l t t h r o w exp r es s i o n o f t h e h u ge t h i c k i gn eo u s r o c k i s d ed u c ed . 2 T h r o u gh F l a c 3 D , a n o p t i m i zed s i m u l a t i o n s t u d y o n t h e t ec h n i c a l p a r a m et er s o f II 万方数据 super-high-water material backfilling mining under the extremely thick igneous rock wa s c o n d u c t ed . T h e r es u l t s s h o w t h a t s u p er - h i gh - wa t er m a t er i a l ba c k f i l l i n g m i n i n g u n d er t h e ext r em el y t h i c k i gn eo u s r o c k h a s r em a r k a bl e ef f ec t o n t h e c o n t r o l o f r o o f a n d o ver l yi n g s t r a t a s u bs i d en c e. Wi t h t h e i n c r ea s i n g o f t h e wa t er vo l u m e f r a c t i o n o f t h e m a t er i a l , t h e o ver bu r d en s u bs i d en c e vo l u m e s h o ws a n i n c r ea s i n g t r en d . U n d er t h e c o n d i t i o n o f 8 5 f i l l i n g r a t e, m i n i n g h a s a s i gn i f i c a n t c o n t r o l ef f ec t o n t h e r o o f wh en s u p er - h i gh - wa t er m a t er i a l ba c k f i l l i n g wi t h a wa t er vo l u m e r a t i o o f n o t m o r e t h a n 9 5 . 5 . Wi t h t h e r ed u c t i o n o f t h e wa t er vo l u m e r a t i o , t h e l a t er a l s u p p o r t p r es s u r e o f t h e c o a l p i l l a r c a n be a p p r o p r i a t el y r ed u c ed , a n d t h e d i s t r i bu t i o n r a n ge o f wo r k f a c e s t r es s c o n c en t r a t i o n c a n be wea k en ed a n d t h e f u r t h er d ef o r m a t i o n o f t h e s u r r o u n d i n g r o c k c a n be s u p p r es s ed . 3 Ac c o r d i n g t o t h e p r ed i c t ed r es u l t s o f s u r f a c e m o vem en t a n d d ef o r m a t i o n , t h e u s e o f s u p er - h i gh - wa t er m a t er i a l ba c k f i l l i n g m i n i n g c a n m i n i m i ze t h e d es t r u c t i o n o f s u r f a c e bu i l d i n gs a n d s a ve c o m p en s a t i o n c o s t s . T h en , t h e s u p er - h i gh wa t er m a t er i a l ba c k f i l l i n g m i n i n g s ys t em u n d er t h e ext r em el y t h i c k i gn eo u s r o c k wa s d es i gn ed , i n c l u d i n g s t a n d a r d s i zes o f f i l l i n g p a c k s , t h e a bi l i t y d es i gn o f t h e f i l l i n g p u m p i n g s t a t i o n s a n d i t s s i t e s el ec t i o n , t h e d es i gn o f f i l l i n g p i p el i n es a n d i t s d i a m et er s , a n d t h e d es i gn o f f i l l i n g s u p p o r t . Pr a c t i c e p r o ved t h a t , t h e d es i gn o f t h e f i l l i n g s ys t em h a s c er t a i n r el i a bi l i t y a n d f ea s i bi l i t y, a n d i t c a n r ea l i ze t h e a p p l i c a t i o n o f t h e s u p er - h i gh - wa t er m a t er i a l ba c k f i l l i n g m i n i n g t ec h n o l o gy u n d er t h e c o n d i t i o n s o f d ep o s i t i n g ext r em el y t h i c k i gn eo u s r o c k s a bo ve c o a l s ea m s . 4 6 p i c t u r es , 2 0 t a bl es a n d 9 7 r ef er en c es a r e i n c l u d ed i n t h i s p a p er . Keywo r d s ext r em el y t h i c k i gn eo u s r o c k ; o ver bu r d en c o n t r o l m ec h a n i s m ; f i l l i n g p a r a m et er o p t i m i za t i o n ; s u r f a c e m o vem en t a n d d ef o r m a t i o n p r ed i c t i o n ; f i l l i n g s ys t em d es i gn III 万方数据 目录 摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I 目录. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV 图清单. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII 表清单. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XI 变 量注释表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII 1绪论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1 . 1课题研究背景与意义. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1 . 2 国内外研究现状. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 . 3 主要研究内容与方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 1 . 4 课题预期效果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2安居矿上覆巨厚火成岩稳定性研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 . 1 巨厚火成岩稳定性的力学分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 . 2 巨厚火成岩破断距分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 2 . 3 工作面合理布置参数分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2 . 4 巨厚火成岩下超高水材料充填开采覆岩控制机理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2 . 5 本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 3 巨厚火成岩下超高水材料充填开采技术参数研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 8 3 . 1 超高水材料充填开采简介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 3 . 2 超高水材料充填开采数值模型设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 3 3 . 3 超高水材料充填开采参数优化的数值分析研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 6 3 . 4 本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 4 巨厚火成岩下超高水材料充填开采方案设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 4 . 1 充填开采布置方案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 4 4 . 2 基于概率积分法的地表移动变形预计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 7 4 . 3 开采方案比选. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 4 . 4 本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 5 巨厚火成岩下超髙水材料充填开采系统设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 5 . 1 充填区域概况. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 IV 万方数据 5 . 2 充填方法及充填材料参数确定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 5 . 3 充填泵站制浆能力及选址. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 5 . 4 充填管路设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 5 . 5 超高水材料充填支架设计. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 5 . 6 本章小结. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4 6结论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6 参 考 文 献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 8 作 者 简 历 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 3 学位论文原创性声明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 4 学位论文数据集. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 5 V 万方数据 Go门to门ts Abs t r a c t. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C o n t en t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .