老虎台矿上覆岩层结构特征对开采影响研究.pdf

I I IL I I I I I I I I I I H H I I I H I I I I I1 lY 3 4 7 0 0 8 2 】 博。。士学位谗。变 ”馨晚台矿l 孳覆器层结鞫特萄孽簿 蘑渤髓鹾囊 一一t j 一二。、 ’一．’、 - 。，瑟j ≥．警毫2 鎏 一。‘．驾孽乎．矿二薹 ” ，0 。． I ’二 j j c ’≯．E 穗i 挺。求炎蹲■； ，≯ 。。。 、| j I ．⋯。i 曩◇一式攀净1 { 『 小 万方数据 分类号 T D 一3 2 5 U D C6 2 2 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 博士学位论文 老虎台矿上覆岩层结构特征对开采影响研究 l 腆蔓坦。0 _ n ．．量he ．．S 勤￡u _ ￡l 腆置a ．I ．．G h 曼捌№鱼金n 鱼ic ．量．Q ￡蔓扣喱麒y i 礁g ．签l ￡；她 塑取照。l l 曼．．1 珏n 强￡娶曼金．Q 取．．1 蜩真娶j 娶g ．- 0 量．I 懊．o H M l 叠i ．T 嘎i n 旦 作者姓名 指导教师 申请学位 学科专业 汤国水 张宏伟教授 工学博士 采矿工程 研究方向矿山压力与岩层控制 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 I I Y I I l 3 U4 I I I l 7 1 1 1 0 1 1 1 0 I I l 8 I I I n 2 l l l 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝工提拉本太堂有关保留、使用 学位论文的规定，同意辽主工墨拉本太堂保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名壶垒 虱彬 导师签名 年月日年月日 万方数据 致谢 论文是在张宏伟教授的悉心指导和严格要求下完成的，从论文的选题直到最后成稿的 每个环节都凝聚了导师的心血和智慧。张宏伟教授渊博的学识、严谨的治学态度、勇于创 新的风范、坚持不懈的钻研精神、不计名利的高尚品格深深的影响了我；张老师诲人不倦、 事事关心他人的处世风格和平易近人的风范，给我留下了极其深刻的印象。在论文写作过 程中，得到了张老师高屋建瓴的指导，取得的每一点进步都凝聚着恩师的心血。张老师不 但在学业上给予大量的指导和启发，还在工作和生活上给予诸多关怀与帮助，张老师严谨 的治学态度、深厚的学术造诣、朴素的生活作风和孜孜不倦的探索精神使我深受感染。在 论文完成之际，谨向我的导师致以最崇高的敬意和最衷心的感谢 感谢辽宁工程技术大学矿业学院和研究生院对我的培养 感谢矿业学院李胜教授、题 正义教授、许振良教授、陈学华教授、韩军教授、杨艳国副教授、霍丙杰副教授、宋卫华 副教授、兰天伟副教授、陈蓥副教授、朱志洁讲师、荣海讲师在专业知识方面给予的帮助 感谢付兴博士、朱峰博士、李云鹏博士、赵象卓博士、郭超博士等师兄弟在日常学习 交流中给予的热心帮忙和建议，与师弟们在平时学习交流探讨中获得了许多新的想法与认 知。 感谢抚顺矿业集团老虎台煤矿矿长李国宏、总工程师杨发武、副总工程师盛继权、王 景新等领导在现场工业性试验方面提供的大力支持 感谢父母的养育之恩，感谢爱人的陪伴，感谢孩子的鼓励，你们一直是我最坚强的后 盾 感谢百忙之中评审论文和参加答辩的专家和评委们 万方数据 摘要 老虎台矿主采煤层为特厚复合煤层，经过了之前的分层充填开采后，目前正在利用综 放工艺开采水砂充填开采留设的阶段煤柱，或者是利用综放工艺开采对特厚煤层原生煤体 进行分层放顶煤开采。特厚煤层重复采动引起的上覆岩层结构破坏和断层活动非常复杂， 对开采的影响也与常规开采具有很大差异。为此需要对老虎台矿其上覆岩层结构特征进行 研究，确定采动条件下上覆岩层的运动与破坏过程、覆岩空间结构及其运动规律，以及典 型构造区域上覆岩层活动特征，重复采动工作面上覆岩层三带分布规律，优化巷道布置、 开采工艺，并保障矿井安全高效开采。 论文从矿井地质条件、煤层赋存及厚煤层工作面分层开采情况等方面出发，确定老虎 台矿井开采技术条件；通过对老虎台矿井工作面及煤柱区进行的E H ．4 探测电阻率剖面及 地质钻孔提供的钻孔岩层结构信息综合分析，确定上覆工作面离层结构特征及其空间范 围；采用数值模拟计算方法，特厚煤层开采后上覆岩层的变形和破坏规律进行研究，确定 不同地质和开采条件下采场上覆岩层的变形特征、应力分布形态和破坏特征，揭示上覆岩 层结构运动规律；综合理论分析、数值模拟、微震监测等方法的研究数据，确定老虎台井 田上覆岩层三带分布特征，并确定上覆岩层采动破坏特征分区；基于矿井水文地质特征， 对工作面上覆岩层结构充水特征进行分析，确定上覆岩层结构充水对开采的影响；通过现 场观测及数值模拟，确定不同岩层结构特征及开采技术条件的工作面矿压显现规律及对开 采的影响，进而对矿井开采技术方案进行优化，提出安全开采的建议。 通过论文研究确定了老虎台矿不同开采形式的工作面上覆岩层三带发育规律，完成了 工作面上覆岩层采动破坏区域划分，阐明了工作面上覆岩层结构特征、运动破坏过程及应 力动态演化规律，最终确定了上覆岩层运动规律对开采的影响。在绿色页岩区内开采遗留 阶段煤柱工作面，即开采不受水害危险威胁区域，可根据遗留煤柱具体条件，建议适当加 大开采高度，加大推进速度；在断层构造区与砂砾岩出露区，对于水害危险性较小区域， 采用分层综放开采时，为减小开采覆岩破坏高度，可采用增加分层数量、降低分层高度， 建议适当降低两个区域范围内工作面长度，由2 0 0 m 减小至1 6 0 m ～1 8 0 m ，推进速度由1 ．9 m ／d 降低至1 ．5 m ／d 。在水害危险性较大区域，建议采用水砂充填开采工艺。 关键词三带分布；覆岩运动；结构特征；矿压显现 万方数据 A b s t r a c t T h em a i nm i n i n gc o a ls e a mo fL a oH u t a iM i n ei St h ee x t r at h i c kc o a ls e a mo nL a o h u t a i m i n e ．A f t e rt h es l i c i n ga n df i l l i n g ，n o wt h es e c t i o nc o a lp i l l a r ，s e tb yt h ew a t e ra n ds a n df i l l i n g m i m n g ，a r em i n e db yt h et e c h n o l o g yo ff u l l y m e c h a n i z e dc a v i n gm i n i n g ，o rb yt h et e c h n o l o g yt O t o pc o a lc a v i n gm i n i n go fe x t r at h i c kc o a ls e a m ．T h es t r u c t u r a ld a m a g ea n dt h ef a u l ta c t i v i t yo f o v e r l y i n gs t r a t ai sv e r yc o m p l i c a t e d ，c a u s e db yr e p e a t e dm i n i n gi ne x t r at h i c kc o a ls e a ma n dh a s g r e a td i f f e r e n c ew i t I lc o n v e n t i o n a lm i n i n g ．T h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eo v e r l y i n gs t r a t ai nt h eL a oH u t a iM i n e ．T h em o v e m e n ta n df a i l u r ep r o c e s s o fo v e r l y i n gs t r a t a , o v e r l y i n gm u l t i s t r a t as p m i Ms t r u c t u r ea n di t sm o t i o nl a wu n d e rm i n i n g c o n d i t i o n s ，a n dc h a r a c t e r i s t i c so fo v e r l y i n gs t r a t ai nt h et y p i c a lt e c t o n i ca r e a ，a n dt h ed i s t r i b u t i o n l a wo f ”t h r e ez o n e s ”o fo v e r l y i n gs t r a t ai nt h er e p e a t e dm i n i n gf a c ea r ed e t e r m i n e d ，o p t i m i z i n g r o a d w a yl a y o u ta n dm i n i n gt e c h n o l o g y ，e n s u r i n gs a f ea n de f f i c i e n tm i n i n go fm i n e ． A c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o no fm i n e ，t h eo c c u r r e n c eo fc o a ls e a ma n dt h e s t r a t i f i e dm i n i n go ft h i c kc o a ls e a m ，t h em i n i n gt e c h n o l o g yc o n d i t i o no fL a o h u t a im i n ei s d e t e r m i n e d ．B yt h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fr o c ks t r u c t u r ei n f o r m a t i o n ，p r o v i d e db yt h e g e o l o g i c a ld r i l l i n ga n dE H 一4r e s i s t i v i t yp r o f i l i n go fw o r k i n gf a c ea n dc o a lp i l l a ra r e ao ft h e L a o h u t a im i n e ，t h ew o r k i n gf a c es e p a r a t i o ns t r u c t u r ea n di t ss p a c i a ls c a l ei sd e t e r m i n e d ．B yt h e m e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n dt h es t u d yo nt h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r el a wo fo v e r l y i n g s t r a t aa f t e re x t r at h i c kc o a ls e a mm i n i n g ，t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r e s sd i s t r i b u t i o na n d f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eo v e r l y i n gs t r a t aa r ed e t e r m i n e di nd i f f e r e n tg e o l o g i c a la n dm i n i n g c o n d i t i o n s ，r e v e a l i n gt h em o v e m e n tl a wo fo v e r l y i n gs t r a t as t r u c t u r e ．B a s e do nt h er e s e a r c hd a t a ， g o tb yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dm i c r o s e i s m i cm o n i t o r i n gm e t h o d s ， t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f ”t h r e ez o n e s ”o fo v e r l y i n gs t r a t ai nt h eL a o h u t a im i n ea n d t h e m i n i n gd a m a g e c h a r a c t e r i s t i c so fo v e r l y i n gs t r a t aa r ed e t e r m i n e d ．B a s e do nt h e h y d r o g e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em i n e ，t h ea n a l y s i so fw a t e rf i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f o v e r l y i n gs t r a t ai nw o r k i n gf a c e ，t h ei n f l u e n c eo ft h es t r u c t u r eo fo v e r l y i n gs t r a t ao nt h em i m n g i s d e t e r m i n e d ．A c c o r d i n gt o f i e l do b s e r v a t i o na n dn u m e r i c a l s i m u l m i o n ，s t r a t ab e h a v i o r c h a r a c t e r i s t i c sa n di t si n f l u e n c eo nm i n i n gw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n dm i n i n gc o n d i t i o n sw e r e o b t a i n e d ．A n dt h em i n i n gs c h e m eo ft h ec o a lm i n ei so p t i m i z e da n ds o m ea d v i c eO i ls a f em i n i n g i Sp r o p o s e d ． I I 万方数据 I nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h e ‘‘t h r e ez o n e s ’’d e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo v e r l y i n g s t r a t ao fp a n e l sw i t hd i f f e r e n tm i n i n gm e t h o d si nL a o h u t a ic o a lm i n ea r ed e t e r m i n e d ；t h e m i n i n gd a m a g e da r e ad i v i s i o no ft h eo v e r l y i n gs t r a t ai sc o m p l e t e d ；t h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i cf a i l u r ep r o c e s sa n dd y n a m i ce v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s t r e s so ft h eo v e r l y i n gs t r a t ao fp a n e l sa r ec l a r i f i e dc l e a r l y ．A n df i n a l l y ，t h ei n f l u e n c eo f o v e r l y i n gs t r a t am o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so nm i n i n gi sd e t e r m i n e d ．I ng r e e ns h a l ea r e a ， t h em i n i n go fp a n e l sh a sn of l o o dd a n g e r ，a n dt h em i n i n gh e i g h ts h o u l db ei n c r e a s e d p r o p e r l y ．I nf a u l ta n ds a n d yc o n g l o m e r a t ez o n e s ，t h e r ee x i s t ss l i g h tf l o o dd a n g e r ；t h e r e f o r e ， w h e nm i m n gw i t hf u l l ym e c h a n i z e ds l i c i n gc a r v i n g ，t h es l i c i n gn u m b e rs h o u l db ei n c r e a s e da n d t h es l i c i n gh e i g h ts h o u l db ed e c r e a s e dt od e c r e a s et h ef a i l u r eh e i g h to ft h eo v e r l y i n gs t r a t a ．I ti s s u g g e s t e dt h a tt h ep a n e ll e n g t hi n t h et w oa r e a sb ed e c r e a s e df r o m2 0 0mt o16 0m ～18 0m ．a n d t h ea d v a n c i n gs p e e df r o m1 ．9 m ／dt o1 ．5 m ／d ．I ns e v e r ed a n g e rz o n e s ，h y d r a u l i cf i l l i n gm i n i n g m e t h o di Ss u g g e s t e d ． K e yW o r d s T h r e eb e l tl a w ；O v e r l y i n gs t r a t am o v e m e n t ；S t r u c t u r a lc h a r i c t e r i s t i c s ； M i n ep r e s s u r e a p p e a r a n c el a w I I I 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯．⋯．．．．．．．．⋯．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 选题背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 上覆岩层三带规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2上覆岩层破坏理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 1 ．3 研究内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 1 ．3 ．2技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 老虎台矿上覆岩层变形分析与三带分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．1 老虎台矿井田概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2 老虎台矿上覆岩层三带计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．2 ．1水砂充填开采覆岩三带计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．2 ．2阶段煤柱开采覆岩三带计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．2 ．3原生煤体综放开采覆岩三带计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 2 ．2 ．4不同开采形式覆岩三带理论计算结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 2 ．3老虎台矿上覆岩层变形计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 2 ．3 ．16 3 0 0 5 工作面上覆岩层变形计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 2 ．3 ．25 5 0 0 3 工作面上覆岩层变形计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3老虎台矿不同开采方法上覆岩层结构破坏特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．1水砂充填开采遗留煤柱开采覆岩结构破坏分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．1 ．1 F L A C 数值模拟简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 3 ．1 ．2 数值计算模型及参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 3 ．1 ．3 水砂充填开采遗留煤柱开采覆岩最大主应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 万方数据 3 ．1 ．4水砂充填开采遗留煤柱开采覆岩破坏特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 3 ．1 ．5 水砂充填开采遗留煤柱开采覆岩变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 5 3 ．2原生煤体综放开采覆岩结构破坏特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 3 ．2 ．1数值计算模型及参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 3 ．2 ．2原生煤体综放开采覆岩最大主应力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 3 ．2 ．3原生煤体综放开采覆岩结构破坏分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 3 ．2 ．4原生煤体综放开采覆岩变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 3 ．3 老虎台矿上覆岩层结构微震监测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 3 ．3 ．1老虎台矿微震监测系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 8 3 ．3 ．25 5 0 0 2 工作面微震高度分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 3 ．3 ．35 5 0 0 2 工作面覆岩破裂特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 0 3 ．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 4老虎台矿上覆岩层结构特征E H ．4 探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 4 ．1E H ．4 探测原理与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 6 4 ．1 ．1E H ．4 高分辨率电导率测试系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 4 ．1 ．2 数据处理与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 7 4 ．26 3 0 0 5 工作面上覆岩层结构探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 8 4 ．2 ．16 3 0 0 5 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 8 4 ．2 ．2 6 3 0 0 5 工作面E H ．4 探测测线布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 8 4 ．2 ．36 3 0 0 5 工作面E H ．4 探测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 4 ．2 ．46 3 0 0 5 工作面上覆岩层结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 4 ．38 3 0 0 3 工作面上覆岩层结构探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 4 4 ．3 ．18 3 0 0 3 工作面概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 4 4 ．3 ．28 3 0 0 3 工作面E H ．4 探测测线布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 5 4 ．3 ．3 8 3 0 0 3 工作面E H ．4 探测结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 6 4 ．3 ．48 3 0 0 3 工作面上覆岩层结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 9 4 ．4 老虎台矿上覆岩层结构特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 0 4 ．4 ．1 上覆岩层结构离层特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 0 4 ．4 ．2上覆岩层结构变化分区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 0 V 万方数据 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 5 老虎台矿上覆岩层运动特征对开采的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 5 ．1 上覆岩层运动特征及其分区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 3 5 ．1 ．1 老虎台矿上覆岩层三带分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 3 5 ．1 ．2老虎台矿重复采动上覆岩层破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 3 5 ．1 ．3老虎台矿重复采动上覆岩层变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 4 5 ．1 ．4 老虎台矿上覆岩层采动破坏特征分区⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 4 5 ．2上覆岩层结构充水特征及其对开采的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 6 5 ．2 ．1矿井水文地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 6 5 ．2 ．2上覆岩层结构充水特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 6 5 ．2 ．3 上覆岩层结构充水对开采的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 6 5 ．3上覆岩层结构特征对矿压显现的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 10 5 ．3 ．1 不同开采条件下矿压显现规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 0 5 ．3 ．2 上覆岩层结构对矿压显现的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 9 5 ．4 开采技术优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12 0 5 ．4 ．1 采煤方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 0 5 ．4 ．2工作面长度与推进速度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 5 ．4 ．3工作面顺槽合理层位选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 1 5 ．4 ．4 安全开采建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 4 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 5 6结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12 6 6 ．1主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 6 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 7 6 ．3展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12 8 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l3 4 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 6 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 7 V I 万方数据 辽宁工程技术大学博士学位论文 1 ．1 选题背景及意义 我国是以煤为主要能源的国家，煤炭占一次性能源消费结构的6 5 ％左右，截至到2 0 1 5 年底，全国煤炭资源总量约为5 ．9 万亿t 同时，我国也是世界第一产煤大国，其产量约占 世界煤炭总产量的4 0 ％，2 0 1 5 年全国煤炭总产量突破3 7 亿t ，2 0 1 6 年可达4 0 亿t ，预计 到2 0 5 0 年，煤炭在我国能源中的比重仍然可达到5 0 ％以上。以上数据说明在未来相当长 的时间内，煤炭作为我国主要能源的格局不会有太大改变。 在我国现有的煤炭资源结构中，厚煤层 厚度／ 3 ．5m 的产量和储量均占4 5 ％左右， 而且是我国实现高产高效开采的主力煤层。由于地质条件的差异、技术和经济条件的限制， 目前我国较为常用的厚煤层采煤方法为综放开采，与其他采煤方法相比，综放开采具有安 全高产高效的优势，集中体现在综放开采较分层开采提高了煤炭产量，减少了巷道掘进 量，简化了生产系统，实现了生产集中化，可进行采放平行作业；工效得到提高，工作面 搬家次数减少，吨煤成本大幅下降。我国自1 9 8 2 年引进综放技术以来，使综放开采理论 及技术得到了迅速发展，取得了举世瞩目的成绩。综放开采不仅是不稳定厚煤层开采的最 好方法，也是我国实现高产高效矿井建设、进行采煤工艺改革的有效途径，在综放开采的 发展历程中，广大的科技工作者和现场工程技术人员在综放理论研究和技术开发方面所做 的大量工作和所取得的丰硕成果。 但由于综放开采煤层厚度大、煤层及顶板赋存条件普遍较为复杂，因此综放开采过程 中出现了许多需要解决的新问题，许多矿井都形成了大面积综放采空区，采空区被采区煤 柱、工作面条带煤柱、孤岛煤柱及边角煤柱等不同煤柱所分割。同时，受到不同地形地质 条件及开采技术条件的限制，厚煤层综放开采条件下的上覆岩层运动与破裂特征、上覆岩 层空间结构、三带分布规律与常规开采有显著的差异。因此对于综放开采条件下的上覆岩 层运动及破裂特征对开采的影响是十分迫切的。 老虎台矿坐落在素有“煤都”之城的抚顺，是抚顺矿业集团有限责任公司下属的重点 煤矿，位于抚顺煤田中部。矿井于1 9 3 7 年开工建设，1 9 4 2 年竣工投产，现生产规模为3 0 0 万吨／年，开拓方式为斜、立井混合开拓，提升方式为斜井皮带，主采煤层为特厚煤层，最 大煤层厚度近ll O m ，平均煤层厚度也可达5 8 m 。作为一个开采历史悠久的矿井，经过之 前的分层充填开采后，目前老虎台矿井正在利用综放开采水砂充填开采留设的阶段煤柱， 或利用综放开采对特厚煤层原生煤体进行分层放项煤开采，具备了多种不同的开采方式。 万方数据 老虎台矿上覆岩层结构特征对开采影响研究 特厚煤层覆岩为绿色页岩和油母页岩，覆岩结构整体属于“弱．弱”结构。由主干断裂F 1 的存在，派生出低序次的分支构造，其特征是分支构造压性断裂F 1 8 、F 1 8 ．1 走向近于东西， 与主干断裂F l 成2 0 。“ 3 0 。锐角相交，锐角指向东西。 特厚煤层重复采动引起的上覆岩层动态移动、破断与断层活动非常复杂，对于工作面 开采及围岩稳定具有重大影响，上覆岩层不同破坏分区内的离层空间与破坏裂隙会逐渐演 化成围岩中的导水通道，若此时存在突水源，并于导水通道连通，就可能形成矿井水害。 7 3 0 0 3 综放工作面在2 0 0 7 年发生一次透水事故，该工作面于2 0 0 6 年9 月1 5 日投产，由东 向西方向推进，该工作面为俯斜8 。～1 4 。进行综放开采，最大放煤高度4 0 m - 6 0 m ，两顺 槽均为1 5 。的下坡；在2 0 0 7 年3 月1 0 日2 0 时4 4 分工作面推进到1 9 0 m 位置时，上隅角 突发透水事故，大量水体经过切巷并沿两顺槽急速下冲，冲毁支架2 0 0 余个，透水量约3 0 0 0 m 3 ，共带出煤5 0 0 0m 3 ，2 0 0 0 m 巷道被冲堵破坏，造成了人员伤亡及财产损失，工作面被 迫停产。 因此对于老虎台矿井不同开采形式的工作面覆岩三带分布规律，覆岩运动演化特征， 覆岩离层结构特征及空间范围以及不同破坏分区对开采影响的研究是十分必要的，论文研 究成果可为老虎台开采工艺参数优化提供技术支持，对于保障矿井安全高效开采具有重要 意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 上覆岩层三带规律研究 国外对三带理论进行了长期的研究，例如德国学者耳哈西 1 9 8 2 的“自然斜面理 论”；法国人F a y o l 1 8 8 5 的“圆拱理论”；豪斯 1 8 8 9 的“分带理论”；H a l b a u m 1 9 0 3 将采空区上方的岩层看作是悬臂梁I l l 。F c k a r d t 1 9 1 3 把岩层移动过程视为各岩层逐渐弯 曲的结论1 2 】；西德学者克拉茨 H ．K r a t z s c h 1 9 8 3 总结概括了煤矿开采沉陷的预计方 法，并发表采动损害及其防护【3 】；英国矿业局于1 9 6 8 年就颁布了海下采煤条例，对覆 岩的组成、厚度、煤层采厚以及采煤方法等都作了相应的具体规定；日本曾经有1 1 个矿 井进行过海下采煤【4 】，海下的水患防治措施严密，安全规程针对冲积层的组成与赋存厚度 作出了允许与禁止开采规定；俄罗斯于1 9 7 3 年出版了确定导水裂隙带高度方法指南【5 】’ 1 9 8 1 年颁布了有关水体下开采的规程，根据覆岩中粘土层厚度、煤厚、重复采动等条件的 变化来确定安全采深，但这些规定与规程大多是统计经验而没有深入的理论和方法研究【6 】。 万方数据 辽宁工程技术大学博士学位论文 英国矿务局结合矿区地质结构特点和己知的上覆岩层的物理力学性质参数，用相似材 料建立上覆岩层的模拟模型，模拟开采煤层开采时的覆岩破坏过程，覆岩破坏特征和规律， 并且重点模拟在不同覆岩特性、不同开采厚度、断层活化时的覆岩破坏规律和高度，得到 三带发育高度及其计算方法【7 】。 法国学者研究开采煤层上覆岩层的垮落过程时，认为它是一个渐进破坏过程，具有一 定的垮落规律。这个垮落规律可以用过程分析法来研究，也就是用一种有效的手段获取覆 岩垮落过程中的信息。因现场实测和物理模型都不能获取垮落过程中的足够信息，而数值 模拟则填补了这个不足【8 J 。 王志NE g l 等运用理论分析、相似材料模拟、数值计算、现场实测等方法，对主关键层 位置对导水裂隙带发育规律影响进行了研究，同时研究了关键层破断块体结构运动对导水 裂隙演化的影响。 刘洋[ 1 0 】研究了水帘洞矿综放开采条件下，工作面不同采宽与导水裂隙带发育高度之间 的关系，并确定了工作面临界采宽。运用F L A C 3 D 软件，模拟分析了工作面采宽从8 0 ～3 0 0 m ，累计2 3 个数值模型，进而确定出在不同采宽条件下导水裂