膏体充填回收房柱式遗留煤柱方法研究.pdf

硕士学位论文 膏体充填回收房柱式遗留煤柱 方法研究 Study on the Recovery of the Residual Coal Pillar in Room and Pillar Goaf Using the Paste Backfilling 作 者甘建东 导 师周华强 教授 中国矿业大学 二○一四年五月 万方数据 中图分类号 TD823 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 膏体充填回收房柱式遗留煤柱 方法研究 Study on the Recovery of the Residual Coal Pillar in Room and Pillar Goaf Using the Paste Backfilling 作 者 甘建东 导 师 周华强 教授 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 绿色采矿 答辩委员会主席 张东升 评 阅 人 蒋金泉、瞿群迪 二○一四年五月 万方数据 78 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 膏体充填回收房柱式遗留煤柱方法研究 ， 是本人在导师指导下， 在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的成 果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 学位学位论文使用授权论文使用授权声明声明 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 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书 研究生 甘建东 在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案的 要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学 位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论 文撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文送 专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 本论文是在周华强教授的悉心指导和亲切关怀下完成的。在三年的硕士生 涯中，周老师在学习、生活上给予学生无微不至的关怀。周老师高尚的思想道 德、严谨的治学态度、渊博的知识深深影响着学生，学生必将受益终生。学生 在此向恩师周老师和师母冯老师表示衷心的感谢和深深的敬意。 在本论文的撰写过程中，常庆粮老师给了学生多方面的帮助和指点，在此 学生由衷的感谢常庆粮老师。另外，论文还得到了实验室师兄王光伟博士、刘 长安硕士、宋光远硕士、蔡宇硕士、蒋昊良硕士的帮助，感谢各位师兄弟热情 帮助。 本文还得到了徐州中矿大贝克福尔科技有限公司有关领导和同事的热情帮 助使得论文能够顺利完成，感谢工程部孙晓光部长、材料所李亮所长、电控部 胡永峰部长给予我的帮助，他们务实认真的作风让人印象深刻，值得学习。在 此谢谢他们对本人的照顾，及对本文所作出的贡献。 感谢家人及同学、朋友对本人学业、生活上的支持与照顾，尤其感谢父母 一直以来默默为之付出，在此表示深深的谢意。感谢未婚妻马英女士，感谢其 在本论文中有关材料方面的帮助，尤其感谢她多年来的陪伴，不求回报，默默 奉献。 感谢在百忙之中抽出时间对本论文进行评审和答辩的各位专家敬请给予 指导和启迪。 最后，感谢论文中所引用文献的作者。 万方数据 I 摘摘 要要 膏体充填是煤矿绿色技术体系的重要内容之一，近年来，煤矿膏体充填技术 发展较快，得到了广大煤矿企业的重视和关注，并在诸多煤矿得到了推广实施， 取得了良好的技术和经济效果，其系统工艺技术已基本成熟。陕北榆林地区小型 煤矿普遍采用房柱式采煤方法，留下大量的残留煤柱，造成采出率低，同时留下 大量房柱式采空区，还为采空区自然发火和大面积塌陷埋下了巨大隐患。 本文以榆林地区房柱式开采某矿为背景，针对房柱式采空区问题，提出了采 用膏体充填的方法来回收房柱式采空区遗留煤柱资源、治理采空区，通过研究研 究区域覆岩结构、膏体充填材料、充填体支撑能力等问题，为遗留煤柱的安全回 收提供了技术依据和有益参考。 文章首先从理论上对房柱式采空区充填开采之前煤柱载荷应力分布、 充填前 后覆岩支撑体系的演变过程、 顶板垮落步距进行分析计算，为膏体充填开采方案 设计及相关参数设计提供理论依据； 针对煤矿具体条件提出了膏体充填回收房柱 式遗留煤柱具体方案， 对房柱式采空区遗留煤柱分三阶段采用全部充填方式进行 回收， 对房柱式采空区遗留顶煤资源采用条带部分充填方式进行回收；对膏体充 填支撑系统稳定性进行评价，并通过相关公式计算，确定膏体充填所需充填体的 强度 4 MPa 和 2 MPa； 以该强度要求为指标， 选择当地丰富的风积砂和黄土作为 充填原材料，以 SL 胶结料为胶凝材料，进行了相关的优化配比试验，获得了最 优配合比； 最后对膏体充填回收煤柱资源效果进行了分析，膏体充填能有效的减 少地表沉陷，控制地表建筑物变形在允许的范围内。 本文的初步研究为房柱式采空区遗留煤柱资源回收、 房柱式采空区治理提供 了一条新的思路， 能有效推进膏体充填技术在房柱式采空区处理问题上走向实践。 该论文有图 52 幅，表 4 个，参考文献 54 篇。 关键词关键词膏体充填；房柱式采空区；煤柱回收；充填材料 万方数据 II Abstract The paste filling is one of the important content of green technology in coal mine system. In recent years, Coal paste filling technology developed rapidly, received recognition and attention from the majority of coal mining enterprises, got promoted in many coal mines, and good technical and economic results have been achieved, and the system has been basically mature technology. Small coal mines In yulin of shanxi province use room and pillar mining , leave a lot of residual pillar, lead to the low recovery rate, have a lot of room and pillar goaf，buried the huge hidden trouble for goaf spontaneous combustion and large-area collapse. This paper puts room and pillar mining mine in yulin area as the background. In view of the room and pillar goaf, Put forward to using paste filling to recycling residual coal resources in room and pillar goaf and governance goaf. By studying the regional strata structure, paste filling material, filling body bearing capacity ，the technical basis is provided for the safety of the residual pillar recovery and useful reference. In the first place，this paper research on stress distribution of coal pillar load before filling,the evolution of the overburden rock supporting system before and after the filling process and the analysis of roof caving step distance of the study area. The researches provide theoretical basis for the paste filling mining scheme and related parameters design. In view of the specific conditions of studied coal mine ,paste filling recycling residual pillar concrete solutions have been proposed. recycling residual pillar of room and pillar goaf in three stages use complete backfilling, recycling residual top-coal resources of room and pillar goaf use banding part filling. Aeolian sand and loess as filling materials, The article studied the optimal proportion of paste, uated the stability of paste filling support system, determined the strength of the filling body 4 MPa and 2 MPa. The last, The paste filling effect of recovery of coal resources is analyzed, The results showed that the paste filling can effectively reduce surface subsidence and the surface buildings deation was controlled in the permitted range. In this paper, The results of the preliminary study provides a new train of thought for residual pillar resources recovery and room and pillar goaf management, Can effectively promote the paste filling technology on the issue in room and pillar goaf treatment into practice. 万方数据 III This paper has 52 figures,4 tables and 54 references. Keywordspaste backfill mining; room and pillar goaf; pillar recovery;filling material 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I 目目 录录 ........................................................................................................................ IV 图清单图清单 ..................................................................................................................... VIII 表清单表清单 ....................................................................................................................... XII 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................. XIII 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 问题的提出 ............................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 2 1.3 研究内容和研究方法............................................................................................ 10 2 工程背景工程背景 ................................................................................................................. 12 2.1 井田范围 ............................................................................................................... 12 2.2 地形地貌 ............................................................................................................... 14 2.3 煤层开采条件 ....................................................................................................... 14 2.4 地层 ....................................................................................................................... 14 2.5 采煤方法 ............................................................................................................... 16 3 膏体充填回收房柱式遗留煤柱理论分析膏体充填回收房柱式遗留煤柱理论分析 ............................................................. 17 3.1 煤柱内应力分布 ................................................................................................... 17 3.2 煤柱载荷计算分析 ............................................................................................... 19 3.3 充填前后覆岩支撑体系演化过程 ....................................................................... 20 3.4 房柱式开采顶板断裂步距分析 ........................................................................... 21 3.5 本章小结 ............................................................................................................... 24 4 膏体充填回收房柱式遗留煤柱方法研究膏体充填回收房柱式遗留煤柱方法研究 ............................................................. 25 4.1 煤层开采顺序设计 ............................................................................................... 25 4.2 膏体充填开采方案 ............................................................................................... 33 4.3 本章小结 ............................................................................................................... 37 5 膏体充填材料选择及其配比实验膏体充填材料选择及其配比实验 ......................................................................... 39 5.1 充填原材料选择 ................................................................................................... 39 5.2 膏体充填材料性能要求 ....................................................................................... 39 5.3 充填原材料初步分析测试 ................................................................................... 40 万方数据 V 5.4 风积砂和黄土用作膏体充填材料的初步试验 ................................................... 41 5.5 膏体充填材料全应力应变曲线 ........................................................................... 48 5.6 本章小结 ............................................................................................................... 49 6 膏体充填体支撑系统稳定膏体充填体支撑系统稳定性评价及充填体强度的确定性评价及充填体强度的确定 ..................................... 50 6.1 房柱式采空区充填体支撑体系形成过程与特点 ............................................... 50 6.2 两个薄弱区受力条件分析 ................................................................................... 52 6.3 充填体强度选择 ................................................................................................... 53 6.4 本章小结 ............................................................................................................... 60 7 膏体充填治理房柱式采空区回收膏体充填治理房柱式采空区回收遗留煤柱资源效果分析遗留煤柱资源效果分析 ................................. 61 7.1 膏体充填以后房柱式采空区安全性分析 ........................................................... 61 7.2 膏体充填提高资源回收率效果分析 ................................................................... 63 7.3 膏体充填减少地表开采沉陷效果分析 ............................................................... 64 7.4 膏体充填首试区开采对地面建筑物的保护效果分析 ....................................... 64 7.5 本章小结 ............................................................................................................... 71 8 主要结论与建议主要结论与建议 ..................................................................................................... 72 8.1 主要结论 ............................................................................................................... 72 8.2 论文存在的问题及建议 ....................................................................................... 73 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 74 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 77 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 78 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 79 万方数据 VI Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ..................................................................................................................... VI List of Figures ......................................................................................................... VIII List of Tables ............................................................................................................. XII List of Variables...................................................................................................... XIII 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 The Issues Raised ..................................................................................................... 1 1.2 Survey of Current Research at Home and Abroad ................................................... 2 1.3 Main Research Content and ...................................................................... 10 2 Engineering Background ........................................................................................ 12 2.1 Range of the Mine .................................................................................................. 12 2.2 Topography and Geomorphology .......................................................................... 14 2.3 Coal Mining Conditions ......................................................................................... 14 2.4 ation Conditions ............................................................................................ 14 2.5 Mining ...................................................................................................... 16 3 Theoretical Analysis of the Recovery of Residual Coal Pillar in Room and Pillar Goaf by Using Paste Backfill Mining ............................................................. 17 3.1 Stress Distribution of Coal Pillars.......................................................................... 17 3.2 Calculation and Analysis of Pillar Load ................................................................ 19 3.3 Rock Supporting System Evolution Process before and after Filling .................... 20 3.4 Room and Pillar Mining Roof Fracture Interval Analysis ..................................... 21 3.5 Brief Summary ....................................................................................................... 24 4 s Analysis of the Recovery of Residual Coal Pillar in Room and Pillar Goaf by Using Paste Backfill Mining ....................................................................... 25 4.1 Coal Mining Sequence Design............................................................................... 25 4.2 Paste Filling Mining ................................................................................. 33 4.3 Brief Summary ....................................................................................................... 37 5 Paste Filling Material Selection and Match Experiments ................................... 39 5.1 Selection of the Filling Raw Materials .................................................................. 39 万方数据 VII 5.2 Perance Requirements of Paste Filling Material ............................................ 39 5.3 Preliminary Analysis and Test of Filling Materials ............................................... 40 5.4 Preliminary Test of Aeolian Sand and Loess to be Used as Paste Filling Materials ...................................................................................................................................... 41