唐山矿5煤矸石充填开采覆岩变形模拟及矿压规律研究.pdf

分类号分类号 TD325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 唐山矿唐山矿 5 煤矸石充填开采覆岩变形煤矸石充填开采覆岩变形 模拟及矿压规律研究模拟及矿压规律研究 苏航苏航 申申请请学学位位级级别别硕士学位硕士学位专专业业名名称称矿业工程矿业工程 指指导导教教师师姓姓名名赵赵 同同 彬彬职职称称教教授授 副副指指导导教教师师姓姓名名田田 秀秀 国国职职称称教授级高工教授级高工 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二 O 一八年六月一八年六月 万方数据 论文题目论文题目 唐唐山山矿矿 5 煤煤矸矸石石充充填填开开采采覆覆岩岩变变形形 模模拟拟及及矿矿压压规规律律研研究究 作者姓名作者姓名苏苏航航入学时间入学时间2015 年年 9 月月 专业名称专业名称 矿业工程矿业工程研究方向研究方向矿矿山山压压力力与与岩岩层层控控制制 指导教师指导教师赵同彬赵同彬职职称称教教授授 副指导教师副指导教师 田田秀国秀国职职称称教教授授级级高高工工 论文提交日期论文提交日期2018 年年 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 5 月月 授予学位日期授予学位日期2018 年年 6 月月 万方数据 STUDY ON THE OVERLYING STRATA DEATION AND MINE PRESSURE EVOLUTION LAW OF GANGUE FILLING MINING IN NO. 5 COAL SEM OF TANGSHAN COALMINE Adissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Su Hang Supervisor Professor Zhao Tongbin College of Mining and Safety Engineering May 2018 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 矸石充填开采是一种具有安全性好、采出率高、对环境友好等特点的煤矿 绿色开采技术，可以有效解决“三下”（建筑物下、铁路下和水体下）压煤和堆 积矸石占地等传统煤炭开采技术存在的一系列问题，而矸石充填开采条件下覆 岩变形及矿压显现规律研究对充填开采技术的推广应用至关重要。因此，本论 文针对唐山矿 5 煤 F5001 工作面充填开采的工程条件，采用室内实验、数值模 拟、理论分析和现场监测相结合的方法，研究了矸石充填开采覆岩变形及矿压 显现规律。论文主要结论如下 （1）根据矸石充填工作面顶板钻孔窥视结果，将顶板破断划分为三种结 构，建立了顶板弹性薄板力学模型，可为矸石充填采煤顶板破断判别提供理论 依据。F5001 工作面顶板为分层结构，直接顶厚度为 3.195m，受到的最大拉应 力为 11.87MPa；基本顶厚度为 7.578m，受到的最大拉应力为 9.61MPa。 （2）基于 F5001 工作面的工程地质条件，采用 FLAC3D数值模拟软件对矸 石充填和垮落工作面覆岩的应力场、变形场和塑性区范围进行了对比分析。结 果表明，矸石充填开采条件下，覆岩破坏高度降低了 71.7，塑性区扩展速率 减缓；顶板最大下沉量减小了 35.7；顶板应力值及超前影响范围均减小。 （3）现场矿压监测结果表明，与垮落工作面相比，矸石充填有效减小了工 作面来压频率及强度和超前支承压力超前影响范围。充填开采条件下，工作面 来压步距增大了 74、来压强度减小了 9.2、超前支承压力影响范围减小了 44；顶板及巷帮离层量减小了 28.6、42.9。 关键词关键词矸石充填；矿压规律；覆岩变形；薄板模型 万方数据 山东科技大学硕士学位论文ABSTRACT II ABSTRACT Gangue filling mining, which has characteristics of good safety, higher recovery rate and environmental friendliness, is one kind of green mining technologies. This mining technology can effectively solve the “three under“ coal seam under the building, the railway and the water problems and heaping waste in aboveground. The research of overlying strata deation and mine pressure law is essential for the application of gangue filling mining technology. Therefore, this paper uses the s of laboratory test, numerical simulation, theoretical analysis, and field monitoring to reveal the laws of overburden deation and pressure behavior under gangue filling mining condition. The main conclusions are as follows 1 According to the detection results of roof drilling of the gangue filling face, the broken roof can be divided into three kinds of structures. The mechanical model of roof elastic thin plate was established. The roof of F5001 working face is layered structure. The thickness of the first roof is 3.195m, the maximum tensile stress is 11.87MPa; the thickness of the second roof is 7.578m, and the maximum tensile stress is 9.61MPa. 2 According to the engineering geological conditions of F5001 working face, FLAC3D software was used to compare and analyze the stress field, deation field and plastic failure range of overlying strata between the gangue filling mining face and caving mining face. Simulation results show the failure height of overlying strata decreases by 71.7, and the expansion rate of plastic zone slows down; the maximum roof subsidence decreases by 35.7, and the stress value of roof and the influencing range of abutment pressure decrease. 3 Field monitoring results show that the gangue filling mining can effectively control the weighting frequency, weighting intensity and the influencing range of abutment pressure compared with caving mining. The roof weighting step increases by 74, the weighting intensity decreases by 9.2 and the influencing range of abutment pressure decreases by 44. In addition, the values of roof separation and rib separation decrease 28.6 and 42.9, respectively. Keywords Gangue filling mining; Pressure law; Overlying strata deation; Thin plate model 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 III 目目录录 1绪论绪论........................................................................................................................ 1 1.1研究背景及意义.........................................................................................................................1 1.2国内外研究现状.........................................................................................................................1 1.3主要研究内容及技术路线.........................................................................................................3 2矸石充填工作面工程地质概况矸石充填工作面工程地质概况............................................................................5 2.1F5001 工作面地质概况............................................................................................................. 5 2.2工作面布置参数.........................................................................................................................8 2.3顶板物理力学性质测试.............................................................................................................9 2.4本章小结...................................................................................................................................18 3覆岩应力与变形场时空演化数值模拟分析覆岩应力与变形场时空演化数值模拟分析......................................................19 3.1数值模拟方案...........................................................................................................................19 3.2覆岩破裂时空演化规律分析...................................................................................................23 3.3位移场演化规律分析...............................................................................................................25 3.4应力场演化规律分析...............................................................................................................31 3.5本章小结...................................................................................................................................36 4矸石充填工作面顶板破断结构探测分析矸石充填工作面顶板破断结构探测分析..........................................................38 4.1工作面顶板钻孔窥视...............................................................................................................38 4.2基于钻孔窥视的顶板结构划分析...........................................................................................40 4.3基于薄板模型的顶板破断结构分析.......................................................................................42 4.4本章小结...................................................................................................................................46 5F5001 充填工作面现场监测充填工作面现场监测...............................................................................47 5.1工作面充填工艺.......................................................................................................................47 5.2工作面控顶区矿压显现规律...................................................................................................49 5.3工作面超前矿压显现规律.......................................................................................................55 5.4本章小结...................................................................................................................................63 6结论与展望结论与展望.......................................................................................................... 64 6.1主要结论...................................................................................................................................64 6.2创新点.......................................................................................................................................65 6.3不足与展望...............................................................................................................................65 参考文献参考文献.................................................................................................................... 66 致致 谢谢.......................................................................................................................... 70 攻读硕士期间主要成果和获奖情况攻读硕士期间主要成果和获奖情况........................................................................71 万方数据 山东科技大学硕士学位论文Contents IV Contents 1Introdution............................................................................................................ 1 1.1Background and significance...................................................................................................1 1.2Research status.........................................................................................................................1 1.3Main research contents and technoloyg roadmap....................................................................3 2Engineering geological conditions of gangue gilling mining face.....................5 2.1Geological overview of F5001 mining face.............................................................................5 2.2Parameters of mining face layout.............................................................................................8 2.3Mechancial properties tests of roof..........................................................................................9 2.4Summary ...............................................................................................................................18 3Numerical simulation study on the stress and deation evolution las of the overlying strata...................................................................................................19 3.1Simulation scheme................................................................................................................. 19 3.2Analysis of the fracture evolution law of overlying strata.....................................................23 3.3Analysis of the displacement field.........................................................................................25 3.4Analysis of the stress field......................................................................................................31 3.5Summary.................................................................................................................................36 4Detection and analysis of roof broken structure of gangue filling face......... 38 4.1Borehole detection of the roof................................................................................................38 4.2Roof structure classification based on borehole detection.....................................................40 4.3Analysis of the roof broken structure based on thin plate model.......................................... 42 4.4Summary.................................................................................................................................46 5In site monitoring of F5001 mining face...........................................................47 5.1Filling process of mining face................................................................................................47 5.2Evolution law of roof pressrue...............................................................................................49 5.3Evolution law of abutment pressure.......................................................................................55 5.4Summary.................................................................................................................................62 6Conclusions and outlooks...................................................................................64 6.1Main conclusions....................................................................................................................64 6.2Innovatrion points...................................................................................................................64 6.3Outlooks................................................................................................................................. 65 References..................................................................................................................66 Acknowledgements...................................................................................................70 Main achievements during the master period........................................................71 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1绪论绪论 1.1研究背景及意义研究背景及意义 随着中国经济的快速发展，煤炭作为主要能源需求一直在增加，导致近年 来煤炭开采速度随矿山开采年限的延长和开采深度的扩大而增加，一些资源枯 竭的矿山逐渐进入了衰老期，甚至关闭。大多数矿区必然面对“三下”（建筑物 下、铁路下、水下）压煤问题[1-2]，但传统开采技术无法解决这一问题。据不完 全统计，矿井“三下”压煤达 140 亿吨左右[3]，而且在煤炭生产过程中会产生大 量的废弃矸石，传统的采矿方法是将其提升到地面堆积，形成矸石山，造成大 面积土地被占用、环境污染、地表生态环境遭受严重破坏等问题。 地下矿物开采出后，采空区顶板悬空失去支撑，打破开采区域原岩应力平 衡，上覆岩层在自重力作用下发生冒落，同时向上方传递沿着一定的边界角， 直至传递到地表，导致地表上方下沉塌陷出一个比采空区域大得多的盆地。这 种由岩体自重应力引起的， 称为重力型塌陷[4-10]。 地表沉陷比构造型岩体破坏较 弱，但由其所引起的地表变形和沉陷对地表和地下工程都造成严重性破坏，对 人类带来危害。由于我国煤炭资源大量采挖，带来了地表变形沉陷的严重问题， 这是现在各个煤炭企业都要面对的现实问题。 矸石充填开采本质是利用矸石占据一定的采场空间， 替代相应的煤炭资源， 降低覆岩下沉速度，达到减少沉降的目的[11-14]。该技术不仅能够解决地面排矸 造成的环境污染问题，而且能够减少地面沉降和环境破坏，是一种有效的绿色 开采技术[15-16]。因此，研究矸石充填开采条件下覆岩移动变形及矿压显现规律 等问题，是贯彻落实煤炭行业科学发展观，实现煤矿绿色开采的重要举措，同 时也是煤炭开采技术的重要发展方向， 为煤炭工业的可持续发展注入新的活力。 1.2国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1充填技术发展历程充填技术发展历程 国内外煤矿都曾采用过充填法采煤，并且取得了较大突破，具体主要经过 了四个发展阶段 （1）第一阶段在二十世纪初，国外在完全不了解充填材料性质及使用效 果情况下，以处理废弃物为目的，将矿井废物输送到井下采空区，如澳大利亚 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 北莱尔矿用废石进行充填[17]。在二十世纪中期以前，国内矿井也均是以处理废 弃物为目的，进行废石干式充填工艺。 （2）第二阶段二十世纪五十年代，水砂充填技术被澳大利亚等国家的一 些矿山开发并应用了。从此，将矿山充填引入了采矿计划，成为采矿系统的一 部分，并且开始研究充填材料及充填工艺[18-19]。六十年代，水砂充填技术才在 国内得到应用。为了控制大面积地压活动，1965 年在锡矿山南矿首次采用了尾 矿水力充填采空区工艺，有效地缓减了地表下沉。 （3）第三阶段在六十到七十年代，尾矿胶结充填技术得到研发和应用。 由于非胶结充填体不独立，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的需要，因 而之后，就开始发展采用胶结充填技术[20-21]。 （4）第四阶段在八十到九十年代，矿业发展日益迅速，当时充填工艺已 经不能满足回采工艺的要求，由于需要进一步降低采矿成本，保护生态环境， 因而发展了充填开采覆岩移动规律研究的现状[22-23]。 1.2.2 充填开采覆岩运动规律充填开采覆岩运动规律 国外对覆岩移动规律研究是基于大量观测数据基础上的数学描述和基于几 何理论的研究。例如，在十九世纪，多里斯和哥诺的覆岩移动的“法线理论”； 耳西哈的“自然斜面理论”；法约尔的“圆拱理论”；依琴斯凯的“二等分线理论”； 以及高斯理论等。在二十世纪，史密茨提出了地表下沉值与开采范围关系；巴 斯提出了进一步划分影响带的方法。这类研究成果完全建立在简单、直观的几 何图形基础上，并未考虑岩体的力学特性，不能对覆岩移动的本质过程进行有 效描述。 在国内，缪协兴等[24-29]在分析岩层移动基础上，提出了岩层控制的关键层 理论，并且大量采矿工程现场实践已证实了关键层理论的正确性。缪协兴等[30] 建立了等价采高模型， 通过对比分析传统综采与固体充填开采岩层移动的差异， 认为运用等价采高理论可类比研究固体充填开采岩层移动控制和地表沉陷预 计；许家林、李兴尚等[31-35]对覆岩关键层控制岩层移动与地表沉陷进行了研究， 认为关键层的周期破断将会造成地表下沉速度周期性的跳跃变化，以及关键层 对地表沉陷动态过程起控制作用；常庆粮等[36-37]基于理论计算和现场实测，提 出了充填开采顶板裂隙破坏范围计算方法；侯忠杰、黄庆享等[39-41]结合神东公 司浅埋煤层具体条件，利用关键层理论分析了上覆岩层移动及矿压显现规律； 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 查剑锋等[42-44]运用沉陷学理论研究了充填开采覆岩破坏高度的控制机理。 刘长友[45]通过改变充填体的充实率， 研究了上覆关键层变形与充实率关系； 刘音[46]运用相似材料模拟方法对膏体充填工作面覆岩结构动态演化规律进行了 研究；张秀琨[47]运用关键层理论分析了密集建筑物下急倾斜煤层走向条带开采 方案的可行性，并成功的进行了工业性试验。 此外，张吉雄等基于矸石充填等价采高模型，认为充填开采控制地表沉陷 的关键在于限定关键层弯曲下沉量。郭忠平[48]运用板壳理论和材料力学理论， 建立了充填体和上覆矩形薄板系统的力学模型，并计算了顶板最大下沉量。陈 杰[49]运用弹性地基梁理论，得到了考虑顶板岩梁下沉的采空区充填的顶板岩梁 力学模型。周振宇[50]采用数值模拟方法研究了巷道矸石充填开采条件下岩层移 动控制问题。李猛[51]采用弹性地基薄板理论，建立了固体充填采煤充填体基 本顶力学模型，并通过改变弹性地基系数研究了基本顶最大下沉量和最大应力 值的变化关系。 1.3主要研究内容及技术路线主要研究内容及技术路线 1.3.1主要研究内容主要研究内容 本文以开滦集团唐山矿 5 煤 F5001 充填工作面为工程背景， 采用室内实验、 数值模拟、理论分析和现场实测相结合的方法，研究了矸石充填开采覆岩变形 及矿压显现规律，主要研究内容如下 （1）顶板岩层力学参数测试 F5001 充填工作面顶板岩层的抗拉强度、抗压强度、弹性模量等基本力学 参数测试。 （2）覆岩变形规律模拟分析 针对 F5001 工作面的工程地质条件，运用 FLAC3D 软件，对矸石充填和垮 落工作面覆岩的应力场、变形场和塑性破坏范围进行对比分析，得到矸石充填 条件下覆岩应力及变形场演化规律。 （3）矸石充填覆岩变形理论分析 根据工作面顶板钻孔窥视结果，对顶板破断结构进行划分，建立顶板弹性 薄板力学模型，并进行工程算例。 （4）现场监测 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 监测分析工作面控顶区来压及工作面超前矿压显现规律。 1.3.2研究方法及技术路线研究方法及技术路线 本文针对 F500