夹河矿工广煤柱开采岩层与地表移动规律研究.pdf

硕士学位论文 夹河矿工广煤柱开采岩层 与地表移动规律研究 Study on the Law of Strata and Ground Movement due to the Extraction of Industry Square Pillar of Jiahe Mine 作 者张 坤 导 师谭志祥 教授 中国矿业大学 二〇一五年五月 万方数据 中图分类号 TD325 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 夹河矿工广煤柱开采岩层与地表移动规律研究 Study on the Law of Strata and Ground Movement due to the Extraction of Industry Square Pillar of Jiahe Mine 作 者 张 坤 导 师 谭志祥 教授 申请学位 工学硕士 培养单位 环境与测绘学院 学科专业 大地测量学与测量工程 研究方向 开采沉陷及变形监测 答辩委员会主席 评 阅 人 二〇一五年五月 万方数据 学位论文使用授权声明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 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 张坤 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 三月的风暖暖的，连云都变的淡淡的，伴随着温暖的阳光和温柔的清风我的 研究生生活就要接近尾声了。三年的时光，一千多个日出日落，数不清的矿大点 点滴滴转眼间就过去了，此时此刻心中有一种说不出的滋味在盘旋。离别季伤感 季，在即将离别之前向所有关心过我、帮助过我、鼓励过我的家人、老师、同学 和朋友致以最真诚的感谢和祝福。 本文是在导师谭志祥教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、矿区资料的 处理到研究方案的确定，一直到论文的最终定稿，处处凝聚着谭老师的智慧和心 血，张张体现着谭老师的关怀和指导，没有谭老师的鼎力相助本文是不可能顺利 完成的。谭老师渊博的知识、阔达的生活态度深深影响着我的学习和生活，让我 从一个不谙世事的懵懂少年逐渐成长为成熟、稳重的大男孩。谭老师优秀的做人 品质、 严谨的治学态度、 淡泊名利的处世作风时刻鼓舞着我不断进取、 勇于拼搏， 这些都是谭老师传授给学生的最好的精神财富。 忘不了您三年来在生活和学习上 给予的帮助，给我们创造的好的学习环境，研究生生涯有了您的悉心关怀我们才 能茁壮的成长。此时此刻，千言万语也不能完全表达出学生对您的感激之情，提 携之情永生难忘。 师从三载，受益良多，在这将要离别之际衷心的祝福谭老师生活美满，家 庭幸福，桃李满天下，越活越年轻 感谢邓喀中教授三年来对我学习和生活上的帮助以及在我论文选题时给予 的建设性意见，感谢您为我们创造的好的学习和科研环境。您孜孜不倦的治学精 神和境由心生的生活态度将会影响我的一生， 无论学生以后走的有多远都不会忘 记您赠予我们的人生格言。在此向邓老师表示深深的感谢，并致以诚挚的敬意。 感谢在论文选题过程中给予指导和帮助的张书毕老师、范洪冬老师、顾伟老 师、张宏贞老师。感谢环测学院的郭广礼老师、吴侃老师、杨化超老师以及所有 帮助过我的老师。 感谢夹河矿的各位领导为我的论文创造提供了大量的现场实测 数据。 感谢李培现博士、柳聪亮博士、花奋奋博士、王晓华博士、刘辉博士、姚国 标博士、祝传广博士、陈炳乾博士、张祥博士、连增增博士、郝明博士、李春梅 博士、 于洋博士、 王亚超博士、 黄继磊博士等各位师兄师姐在学习生活上的帮助， 你们的科研精神时刻鼓舞着我前进。感谢郭仓硕士、牛海鹏硕士、韩晶硕士、王 业显硕士、严剑锋硕士、王江涛硕士、刘晓菲硕士、李斌硕士、钱进硕士等师兄 师姐让我能够迅速融入 A407 这个温馨的大家庭。感谢同门刘玮璞、王拂晓、元 亚菲、赵伟颖、范雪婷、冯军、赵晨亮、杨俊凯、程熙、陈华、程丹、赵保成、 万方数据 陈宏念、庄会富、王刘宇、汪磊、李达、高晓雄等师弟师妹们陪我度过的每一个 日夜，与你们同行让我感受到了家庭的温暖，我相信无论何时何地我们的友谊将 常在。 感谢室友胡俊、管大祥、夏大章、王顺、廖威、汪辉等给予我生活和学习上 的帮助，有你们的陪伴让我的研究生生活充满了色彩。 感谢我的父母和姐姐， 您们的默默付出和无私的关怀是我求学路上的不竭动 力，父母养育之恩、姐姐关怀之情无以回报，祝愿您们永久健康快乐。 最后感谢参加论文答辩的各位老师，感谢您们百忙之中来参加我的论文评 审，向您们道一声辛苦了 万方数据 I 摘摘 要要 工业广场保护煤柱开采是许多资源将要枯竭的煤矿所面临的问题， 为保证开 采过程中井筒与地表建筑物的安全有必要对工广煤柱开采技术进行研究。 本文在 前人研究的理论基础上以夹河矿工业广场保护煤柱为研究对象， 通过矿区实测资 料处理、工业广场煤柱开采方案研究以及数值模拟等多个方面的综合研究，为夹 河矿工业广场煤柱开采提供了合理的开采方案， 同时也能为其他矿区类似地质条 件下的工业广场保护煤柱开采提供参考。论文主要工作和内容如下 1对夹河煤矿 7208 工作面地表沉陷观测站的实测资料进行详细的分析，获 得了本区的地表移动变形规律及概率积分法预计参数， 为本区工业广场保护煤柱 开采研究提供了科学依据。 2根据国内外工业广场煤柱开采的理论以及国内现有的开采实例，针对夹 河矿工业广场煤柱的地质采矿条件设计了过井筒煤柱的开采方案 首先把过煤层 处的井壁更换为可缩性井壁，其次在可缩性井壁外侧设置闭合木垛，然后在井筒 周围留设一定宽度的方块煤柱，不对方块煤柱进行开采，只对方块煤柱以外的保 护煤柱进行条带开采。 3以夹河矿工广煤柱为原型结合 FLAC3D 数值模拟程序，对不同的开采方 法、 不同采留宽以及不同回采率情况下的工广煤柱开采方案进行力学和移动变形 方面的分析，可以得出以下结论①对方块煤柱以外的保护煤柱采用全采时，井 筒以及地表的移动变形较大，不利于井筒和地面建筑物的保护；同时井筒底部受 到的竖向应力集中的影响可能产生井筒的破坏。 而条带开采对井筒和地表建筑物 的影响较小，有利于井筒的保护。②在回采率相同的情况下，采留宽的变化对井 筒的影响很大；采宽越大地表下沉越大，井筒的移动变形也越剧烈，在回采率不 变的情况下采宽越小对井筒和地表建筑物的保护越有利。③当采宽一定时，随着 回采率的增加地表和井筒的移动变形增大，但其增加量较小。因此采宽一定时， 在保证条带煤柱稳定性的前提下可以尽可能大的提高回采率。 4结合过井筒煤柱开采方案和数值模拟结果，采用全采和条采两种方法对 夹河矿工广煤柱开采方案进行设计， 采用概率积分法对两种方案开采以后的地表 和井筒移动变形情况进行预计分析， 通过综合分析认为夹河矿工业广场煤柱采用 采宽为 40m、留宽为 60m 的条带开采方案比较合适。 5 通过分析开采后井筒出现破坏的原因，有针对性的对井筒进行提前维修 和加固，增强井筒的抗变形能力，同时在工广煤柱开采的过程中要经常对井壁以 及井下提升设施进行检查维修， 防止出现大的事故。 在工作面地表要设立观测站， 并对地表建筑物和生产设备进行观测， 当发现井筒和地表建筑物出现大的破坏时 万方数据 II 要立即停止开采，并找出问题出现的原因加以解决。 该论文有图 83 幅，表 11 个，参考文献 98 篇。 关键词关键词工广煤柱；条带开采；数值模拟；地表变形；井筒保护 万方数据 III Abstract Industry Square protect pillar mining is an issue that many resources exhausted Coalmine will be face, in order to ensure the safety of the wellbore and surface building in mining process is necessary for the Industrial Square mining technology research. In this paper, the theoretical basis of previous studies on in Jiahe protective pillar mining industry as the research object, by mining the measured data processing、 Prediction of wellbore and surface movement deation analysis、Research on industry square pillar mining and numerical simulation comprehensive research, Provides the reasonable mining scheme for Jiahe mine industry square pillar, At the same time, can also provide reference for other mining industry square pillar mining under similar geological conditions. The main work and reads as follows 1 Through the detailed analysis of the Jiahe 7208 working surface observation data of observation station, get the area surface movement and deation rule and probability integral parameter, based wide area coal workers pillar mining study provides a scientific basis, To provide a scientific basis for coal mining industry square pillar of the region. 2 According to the theoretical research and the exploitation of existing instances of domestic and abroad industrial square coal pillar mining, geological and mining conditions for Jiahe Minerals Industry Square Pillar designed over wellbore coal pillar mining scenarios First, the cross seam at replace the wall shrinkable borehole, followed crib set is closed on the outside of the wall can be reduced, and then around the wellbore leaving in certain coal pillar width of the box, not the other column lump coal mining, other than just lump column protection strip mining coal column. 3 In this paper, Jiahe Minerals Industry Square Pillar as the prototype, combined with FLAC3D numerical simulation program for different mining s, different mining and industrial plaza remain wide pillar mining program different recovery rate in case of the mechanical deation and movement areas analysis, we can draw the following conclusions ① Protection of coal column outside of the box pillar of the whole mining, wellbore and surface movement and deation is large, is not conducive to the protection of the borehole and the ground building; At the same time under the influence of the vertical stress concentration at the bottom of the 万方数据 IV wellbore may produce the destruction of the wellbore. The strip mining have less effect on the shaft and the surface structures, is conducive to the protection of the wellbore. ② The recovery rate under the same conditions, mining width left great influence on the change of well bore; mining width bigger surface subsidence is bigger, the movement and deation of shaft is intense, the recovery rate under the condition of constant mining width smaller protection of wellbore and surface buildings more favorable. ③ When mining width of 40 meters, with the movement and deation recovery rate of increase in surface and borehole increases, but it increases the amount is small. In the case of certain mining width, to ensure the stability of the strip coal pillar situation can be as large as possible to improve the recovery rate. 4 with the simulation results of shaft coal pillar mining and numerical , using two kinds of mining and mining design of Jiahe mine coal pillar mining scheme, two kinds of schemes of mining surface movement and deation of wellbore and predicted by using probability integral , through the comprehensive analysis of that folder River miners wide coal pillar mining width for strip mining scheme using 40m, leave 60m wide strip is appropriate. 5 By analyzing the causes of the destruction of the wellbore after mining, targeted for repair and reinforcement of the wellbore in advance, and enhance resistance to deation of the wellbore, while in the process of working in a wide pillar mining and underground borehole should regularly upgrade facilities for inspection, to prevent a major accident. In the work surface to set up observation stations, and observation of the surface building and production equipment, when the wellbore and surface buildings appear much damage to immediately stop production, and find out the cause of the problems to be solved. This paper has 83 figures, 11tables, 98 references. Keywords Industrial Square Pillar; strip mining; numerical simulation; surface deation; wellbore protection 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................ I I 目目 录录 ........................................................................................................................ V V 图清单图清单 ...................................................................................................................... IXIX 表清单表清单 .................................................................................................................... XIVXIV 变量注释表变量注释表 .............................................................................................................. XVXV 1 1 绪论绪论 ........................................................................................................................ 1 1 1.1 研究背景及意义 ............................................... 1 1.2 国内外研究现状 ............................................... 2 1.3 研究的内容及技术路线 ......................................... 6 1.4 本文结构安排 ................................................ 8 2 2 研究区域概况研究区域概况 ...................................................................................................... 1010 2.1 矿区概况 .................................................... 10 2.2 矿井地质特征 ................................................ 10 2.3 工业广场保护煤柱概况 ........................................ 12 2.4 本章小结 .................................................... 20 3 3 夹河矿地表移动变形规律实测研究夹河矿地表移动变形规律实测研究 ................................................................. . 2 21 1 3.1 7208 工作面概况 ............................................. 21 3.2 7208 工作面观测结果分析 ..................................... 23 3.3 概率积分法参数求取 ......................................... 28 3.4 本章小结 .................................................. 29 4 4 工工业业广广场场煤柱开采方案的数值模拟研究煤柱开采方案的数值模拟研究 .......................................................... 3030 4.1 煤柱开采方案的数值模拟分析 .................................. 30 4.2 井筒煤柱开采方案 ............................................ 31 4.3 数值模型建立 ................................................ 34 4.4 模拟结果及分析 .............................................. 37 4.5 本章小结 .................................................... 57 5 5 井筒与工井筒与工业业广广场场煤柱开采工程应用煤柱开采工程应用 ................................................................. . 5858 万方数据 VI 5.1 井筒与工业广场煤柱开采技术要求 .............................. 58 5.2 工业广场煤柱开采方案 ........................................ 59 5.3 工程应用 .................................................... 59 5.4 工业广场煤柱开采沉陷预计 .................................... 62 5.5 井筒破坏机理及预防措施 ...................................... 73 5.6 本章小结 .................................................... 76 6 6 主要结论与展望主要结论与展望 .................................................................................................. 7777 6.1 主要结论 .................................................... 77 6.2 不足和展望 .................................................. 78 参考文参考文献献 .................................................................................................................. 7979 作者简历作者简历 .................................................................................................................. 8 84 4 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 .............................................................................................. 8 85 5 学位论文数据集学位论文数据集 ...................................................................................................... 8 86 6 万方数据 VII Contents Abstract ...................................................................................................................... I I Contents ...................................................................................................................... V V List of Figures .......................................................................................................... IXIX List of Tables .......................................................................................................... XIVXIV List of Variables ........................................................................................................ XVXV 1 Introduction ............................................................................................................ 1 1 1.1 Research Background and Significance.............................. 1 1.2 Present Research at Home and Aboard .............................. 2 1.3 Main Contents and Technical Routes ............................... 6 1.4 Organization .................................................. 8 2 The general situation of study area ...................................................................... 1010 2.1 General Situation of Mining Area ................................. 10 2.2 Mine geological features ........................................ 10 2.3 General Situation of Protective Coal Pillar in Industrial Square ......... 12 2.4 Summary .................................................... 20 3 Experimental study on the deation law of the surface movement of the jiahe mine .......................................................................................................................... 2 21 1 3.1 Overview of 7208 working face .................................. 21 3.2 Analysis of the observation results of 7208 working face .............. 23 3.3 Derived for Probability Integral Prediction Parameters .......... 28 3.4 Summary .................................................... 29 4 Study on Numerical Simulation of industry square pillar mining scheme ........ 3030 4.1 Numerical simulation analysis of coal pillar mining scheme ............ 30 4.2 Shaft coal column mining scheme ................................ 31 4.3 The numerical model is established ............................... 34 4.4 Simulation results and analysis ................................... 37 4.5 Summary .................................................... 57 5 Shaft and industry square pillar mining engineering application ...................... 5858 万方数据 VIII 5.1 Wellbore with the coal pillar mining technology ..................... 58 5.2 Industry square pillar mining scheme .............................. 59 5.3 Engineering application ........................................ 59 5.4 Industry square pillar mining subsidence prediction .................. 62 5.5 The failure mechanism and preventive measures of shaft ............... 73 5.6 Summary .................................................... 76 6 The main conclusion and prospect ...........................................................