孤岛煤柱矸石膏体充填开采覆岩运动演化规律及现场实测研究.pdf

分类号分类号 TD32 密密 级级 公公 开开 U D C 单位代码单位代码 10424 学学 位位 论论 文文 孤岛煤柱矸石膏体充填孤岛煤柱矸石膏体充填开采开采覆岩运动演覆岩运动演 化化规律规律及现场实测研究及现场实测研究 李李 杨杨 杨杨 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称 采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名郭郭 惟惟 嘉嘉 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一二年六月二零一二年六月 论文题目论文题目 孤岛煤柱矸石膏体充填开采覆岩运动演化规律孤岛煤柱矸石膏体充填开采覆岩运动演化规律 及现场实测研究及现场实测研究 作者姓名作者姓名 李李 杨杨 杨杨 入学时间入学时间 2009 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向开采沉陷与环境保护开采沉陷与环境保护 指导教师指导教师 郭郭 惟惟 嘉嘉 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 2012 年年 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期 2012 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 RESEARCH ON THE SITE MONITORING AND EVOLUTION LAW OF OVERLYING STRATA MOVEMENT WITH GANGUE-PASTE FILLING MINING IN ISOLATED COAL PILLAR A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Li Yangyang Supervisor Professor Guo Weijia College of Natural Resources and Environmental Engineering June 2012 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，，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。。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master 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 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 矸石膏体充填是一种集“减沉”、“减排”与“高回采率”为一体的新型环境相容的开采 技术措施，也是绿色开采技术体系的重要组成部分。本文针对矸石膏体充填过程、充填 开采中覆岩运动形式及应力变化情况、充填体压缩率与顶板下沉量之间的关系等相关问 题进行了研究。 通过对岱庄煤矿充填材料性能的研究，结合相似准则，运用均匀配比设计方法，得 到了相似条件下实验室充填材料。在此基础上，利用自行设计的实验室充填系统模拟矸 石膏体充填开采的动态充填过程，根据模拟的结果分析了全采全充条件下覆岩运动形式 及采场应力的变化，结合理论推导得出充填开采上覆岩层仅发育裂隙带和弯曲带，垮 落法开采的直接顶在充填开采时转化为基本顶，工作面来压现象不明显，基本顶以上的 岩层是以离层的形式向上发展的。结合岱庄煤矿的开采条件，得出了“煤柱充填体煤 壁”共同承载结构力学模型，分析了孤岛煤柱充填开采留设煤柱的重要性。 通过对岱庄煤矿 2351 充填工作面现场监测， 得到了充填体压缩量与顶板下沉量之间 的关系，基本顶的初次来压步距及周期来压步距。通过对工作面液压支架多组阻力的监 测得出，液压支架总体工作阻力不大，充填体对顶板的支撑作用明显。 关键词关键词矸石膏体充填；动态模拟；覆岩运动；支承压力分布；充填体压缩量 山东科技大学硕士学位论文 摘要 Abstract Gangue-paste filling is a new type of environmental compatibility mining technical measure，which can reduce subsidence, reduce emissions and improve the recovery rate of coal, also it’s an important part in the system of green mining technology. This paper mainly studied the problems such as filling process , the of overlying strata movement and the changes of stress in filling mining, the relationship between filling compression ratio and the subsidence of roof, etc. Through the study of filling material properties in Daizhuang Coal Mine,combining with the similar standard, using uni proportion design , we got the laboratory filling materials ratio on similar conditions. Based on this, simulated the dynamic filling process of gangue-paste filling with our own design laboratory filling system,according to the results of the simulation, paper analyzed the of overlying strata movement and the changes of stress on the whole filling mining condition, with theoretical derivation we got the overlying strata only develops fracture zones and bending zones, the immediate roof in collapse mining trans into basic roof when in filling mining, pressure phenomenon in mining face is not obvious, the strata above basic roof develops upwards in abscission layer . Combined with the mining conditions of Daizhuang Coal Mine, got a “pillar-filling-coal wall” common bearing structure mechanics model, and analyzed the importance of coal pillar in isolated coal pillar with gangue-paste filling. Through the site montoring of 2351 filling face in Daizhuang, we conclued the relationship between the filling compression and subsidence of roof,roof initial pressurized distance and roof periodical pressurized distance. Through the resistances monitoring of hydraulic support on working face,got that the overall work resistance is not big, the filling body has the obvious support effect for roof. Key wordsgangue-paste filling; dynamic simulation; overlying strata movement; abutment pressure distribution;filling body compression content 山东科技大学硕士学位论文 目录 目目 录录 1 绪论绪论1 1.1 研究目的及意义....................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状....................................................................................................... 2 1.3 论文主要研究内容和方法....................................................................................... 7 2 充填条件下覆岩运动理论及充填体稳定性分析充填条件下覆岩运动理论及充填体稳定性分析8 2.1 充填条件下覆岩运动的基本理论............................................................................ 8 2.2 采场围岩及充填体稳定性分析.............................................................................. 17 2.3 本章小结................................................................................................................ 22 3 充填条件下覆岩运动及支承压力显现相似模拟研究充填条件下覆岩运动及支承压力显现相似模拟研究23 3.1 岱庄煤矿充填开采工程背景 ................................................................................. 23 3.2 充填相似材料的配比及力学特性.......................................................................... 26 3.3 相似材料模拟试验概况......................................................................................... 33 3.4 充填条件下覆岩运动的动态演化过程.................................................................. 39 3.5 本章小结................................................................................................................ 50 4 充填开采覆岩运动及矿压显现实测研究充填开采覆岩运动及矿压显现实测研究 51 4.1 充填体变形实测研究............................................................................................. 51 4.2 充填开采采场应力变化规律实测研究.................................................................. 57 4.3 充填开采顶板下沉量影响因素分析...................................................................... 64 4.4 本章小结................................................................................................................ 65 5 结论及展望结论及展望66 5.1 主要结论................................................................................................................ 66 5.2 论文创新点............................................................................................................ 67 5.3 论文展望................................................................................................................ 67 致致 谢谢69 攻读硕士学位期间主要科研及成果攻读硕士学位期间主要科研及成果70 参考文献参考文献71 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 Introduction1 1.1 Research Purpose and Meaning.................................................................................................1 1.2 Current Research at Home and Abroad....................................................................................2 1.3 The Content and s of the Paper....................................................................................8 2 Overlying Strata Movement Theory and Filling Body Stability Analysis on Filling Conditions9 2.1 Basic Theory of Strata Movement Under Filling Conditions....................................... 9 2.2 Stability Analysis of Surrounding Rock and Filling Body......................................... 18 2.3 Chapter Summary .................................................................................................... 24 3 Similar Simulation Research of Overlying Strata Movement and Supporting Pressure Appearance on Filling Conditions25 3.1 Filling Mining Engineering Background in Daizhuang Coal Mine.................................25 3.2 Similar Material Ratio and Mechanical Properties of Filling Body........................... 28 3.3 General Situation of Similar Material SimulationTest............................................... 35 3.4 Overlying Strata Dynamic Evolution Process on Filling Conditions......................... 41 3.5 Chapter Summary........................................................................................................................52 4 Site Monitoring of Strata Movement and Strata Behaviors in Filling Mining54 4.1 Deation Site Monitoring of Filling Body........................................................... 54 4.2 Site Monitoring of Stope Stress Changement in Filling Mining.......................................60 4.3 Influence Factors Analysis in Roof Subsidence in Filling Mining...................................67 4.4 Chapter Summary........................................................................................................................68 5 Conclusion and Prospect69 5.1 Main Conclusions........................................................................................................................69 5.2 Paper Innovation Points.............................................................................................................70 5.3 Paper Prospect..............................................................................................................................70 Acknowledgement72 Achievements during Working on Master Paper73 References74 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 研究目的及意义研究目的及意义 地下岩体在开挖以前，原岩应力处于三向受力的原始平衡状态。开掘巷道或进行回 采工作时，破坏了原始的应力平衡状态，引起岩体内部的应力重新分布，直至形成新的 平衡状态，这是一个极其复杂的物理力学变化过程。在这一过程中，采场围岩必将随工 作面的推进发生覆岩离层、垮落等。采场围岩活动不仅会对采矿作业产生重大影响，同 时还控制着地表沉陷、岩体内水和瓦斯的运移规律，如控制不当，还会引发采场大面积 来压、冲击地压、突水、瓦斯突出等重大灾害事故。 中共党的十六大报告明确提出“走出一条科技含量高， 经济效益好， 资源消耗低， 环境污染少，人力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。”因此，针对我国资源相对 短缺，环境比较脆弱的基本特点，建立适合我国国情的资源节约、环境友好的工业化道 路势在必行[1]。 煤矸石是煤炭开采和洗选过程中的废弃物，是目前排放量最大的工业固体废弃物之 一， 每年排放量近亿 t， 目前已累计堆积 34 亿 t， 占地约 1.3 万 ha， 而且正在以每年 1.52.0 亿 t 的速度增加。排放矸石对地面生态环境造成严重破坏，主要表现在污染环境、侵 占土地、恶化人类生活环境、危害人类安全。 另外，由于我国国民经济的快速发展，能源需求大量增加，随着煤炭资源的大量开 采，村庄下压煤问题越来越突出，严重影响着许多矿山企业的正常生产。我国仅统配煤 矿的生产矿井“三下”（建筑物下、铁路下、水体下）压煤就达 137.9 亿 t，其中 69为建 下压煤。根据山东省的统计资料，山东全省建筑物下压煤达 44 亿 t，占可采储量的 53。 仅济宁市厚煤层压煤村庄就有 3600 多个，2012 年前需要搬迁的就达 564 个。龙固、赵 楼矿井首采区开采一次性就需要搬迁 13 和 12 个村庄[2]。长期以来，我国“建下”压煤开 采主要采用村庄搬迁、条带开采和覆岩离层注浆这几种方法，并且，其中 75是靠村庄 搬迁来完成的，但是，目前村庄搬迁的方法越来越难进行。一是因为村庄搬迁的距离过 大，给农民生产和生活上带来了许多不便，农民不愿意搬迁；二是近年来土地征用费用 居高不下，搬迁费用一路攀升，给煤矿企业带来了沉重的经济负担。条带法和覆岩离层 注浆法在减少地表沉陷和开采损害方面能起到一定的的作用，但是条带法的采出率仅为 4060，资源浪费严重。覆岩离层注浆法所能减少的地表沉陷变形量不超过 40，基 本不能达到地表变形小、建筑物不破坏的目的。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 采空区充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分，尤其在人口密集地区解决建 筑物下开采更应受到重视。随着山东孙村、太平、岱庄等煤矿采用膏体充填技术进行建 下采煤的初步实施，煤矸石膏体充填采空区逐渐成为煤矿正常开采和“三下”压煤的合理 开采技术。深入研究矸石膏体充填开采的理论问题对促进岩层移动控制技术发展、丰富 开采沉陷理论、完善绿色开采技术体系都具有较强的理论意义。同时，煤矸石膏体胶结 充填技术很好的解决了煤矸石的污染和堆放问题、煤矿的开采损害问题以及“三下”压煤 问题，同时在保护地下水资源不受破坏，提高煤炭资源回收率，改善矿山安全生产条件 等方面发挥了重大作用。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 充填开采方法与技术国外研究现状充填开采方法与技术国外研究现状 充填开采就是在井下或地面用矸石、砂、碎石等物料充填采空区，达到控制岩层运 动及地表沉陷的目的[3]。充填按充填方式分为胶结充填和非胶结充填，非胶结充填又分 为干式充填和水力充填。 国外矿山充填技术发展了一百多年， 在近 60 年取得了较大的进展。 矿山充填技术的 发展经历了以下四个阶段 第一阶段 20 世纪初澳大利亚的塔斯马尼亚芒特莱尔矿和北莱尔矿进行的废石干式 充填以及 20 世纪 30 年代加拿大诺兰公司霍恩矿山公司首次试验磁铁矿和炼铜炉渣的干 式充填[4]。该方法以处理废弃物为目的，并没有研究充填材料的性质以及充填工艺。 第二阶段20 世纪 50 年代，国外发展了非胶结充填的水砂充填技术，并由此真正 开始将矿山充填纳入采矿计划，成为采矿系统的一个组成部分，并且开始对充填材料及 充填工艺进行研究[5]，这一阶段主要是将尾矿借助水力充入井下采空区，其充填料的输 送浓度较低，一般在 6070左右，需要在采场大量脱水。加拿大和澳大利亚的一些矿 山应用了此技术。 第三阶段20 世纪 6070 年代，开始研发和应用尾矿胶结充填技术。由于非胶结充 填体无自立能力，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的需要，因此在水砂充填工艺 [6-12]得以发展并推广应用后，就开始发展采用胶结充填技术。其代表矿山有澳大利亚的 芒特艾萨矿，在 60 年代采用尾矿胶结充填工艺回采底柱，其水泥添加量为 12。随着 胶结充填技术的发展，在这一阶段已开始深入研究充填材料的特性、充填材料料与围岩 的相互作用、充填胶凝材料和充填体的稳定性。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 第四阶段20 世纪 8090 年代，随着采矿工业的发展，原充填工艺已不能满足回采 工艺的要求和进一步降低采矿成本或环境保护的需要，因此发展了高浓度充填技术、块 石砂浆胶结充填、全尾矿胶结充填和膏体充填等新技术。高浓度充填是指充填料到达采 场后，虽有多余水分渗出，但其多余水分的渗透速度很低、浓度变化较慢的一种充填方 式。制作高浓度的物料包括天然集料、破碎岩石料和选矿尾砂。对于天然砂和尾矿料的 高浓度概念，一般是指重量浓度达到了 75的充填料浆。所谓膏体充填[13]则指充填料呈 膏状，在采场不脱水，其胶结充填体具有良好的强度特性。 1.2.2 充填开采方法与技术国内研究现状充填开采方法与技术国内研究现状 国内矿山充填技术起步比国外晚 1020 年，经过近 70 年的发展，在国外研究经验 的基础上，国内矿山充填技术取得了很大的成就。国内矿山充填技术同样经历了四个阶 段。 第一阶段 上世纪 50 年代以前， 国内矿山发展了以处理废弃物为目的的废石干式充 填工艺。但在 1956 年以后，随着回采技术的发展，废石干式充填因其生产能力小、效率 低及劳动强度大，满足不了回采技术发展的要求，逐渐被淘汰。 第二阶段1965 年在锡矿山南矿首次进行了尾砂水力充填的实践，20 世纪 70 年代 在招远金矿、凡口铅锌矿和铜录山铜铁矿等矿应用了尾砂水力充填工艺，80 年代则已在 国内 60 余座有色、 黑色等金属矿山的开采中广泛应用了水砂充填， 为了指导水砂充填采 矿，我国的一些科研机构和学者也对水砂充填的理论展开了研究。 第三阶段20 世纪 60 年代，金川龙首镍矿、凡口铅锌矿等按建筑混凝土的要求和 工艺制备输送胶结充填料，取得成功。这种传统的粗骨料胶结充填的输送工艺复杂，而 且对物料级配的要求较高，因而一直未获得大规模推广使用。在 20 世纪 70 年代至 80 年代，上述充填基本被细砂胶结充填取代[14-23]。细砂胶结充填开始在招远金矿、焦家金 矿和凡口铅锌矿等矿山获得应用。 第四阶段20 世纪 90 年代进一步发展的膏体及似膏体泵送胶结充填技术，该技术 在煤矿逐渐推广使用。 对于煤矿， 所谓固体废物膏体充填开采就是把煤矿附近的煤矸石、 炉渣、粉煤灰、河砂、劣质土或城市固体垃圾等固体废物在地面加工成无临界流速、不 需脱水的膏状浆体，利用充填泵或重力作用通过管道输送到井下，适时充填采空区。目 前，山东孙村、太平、岱庄等煤矿采用膏体充填技术进行建下采煤，取得了很好的经济 和社会效益。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 目前矿山应用的充填开采方法与技术主要如下[3] （1）覆岩离层注浆充填法 覆岩离层注浆充填法[28]是利用矿层开采后覆岩开裂过程中形成的离层空间，借助高 压注浆泵，从地面通过钻孔向离层空间注入充填材料，占据空间、减少采出空间向上的 传递，支撑离层上位岩层、减缓岩层的进一步弯曲下沉，从而达到减缓地表下沉的目的。 我国自 20 世纪 80 年代后期先后在大屯徐庄煤矿、兖州东滩煤矿、新汶华丰煤矿等进行 了离层注浆试验，不同程度地减缓了地表沉陷，取得了一定的实践经验，获得了一定的 效果。 （2）固体废弃物充填开采 固体废弃物充填开采就是在井下或地面用矸石、砂子、碎石、建筑垃圾等物料将采 空区充填起来，达到控制地表沉陷的目的。在煤矿生产中，伴随产生的固体废物矸石在 1525，我国历年累计堆放的煤矸石约 45 亿 t，而且堆积量还以每年 1.52.0 亿 t 的速 度增加。很多专家认为，矸石膏体充填开采可以解决煤矸石地面堆积带来的诸多问题 [2427]。 （3）冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉法 冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉法又叫托管充填，该技术利用冒落带岩石的碎胀性 注入胶结材料对采空区矸石进行固结，目的在于控制采空区基本顶的下沉，从而达到控 制地表沉陷的目的。此技术在德国应用过一段时间，国内现在尚处于试验阶段。 （4）胶结充填法 与普通水砂充填等比较，膏体充填[13,29-31]表现出优越的独特性①浓度高，膏体的 浓度一般达到了 7684。②流动状态为柱塞结构流，充填管道横截面上的浆体基本上 以相同的流速流动，无临界流速。③膏体料浆基本不沉淀