亭南矿大采高工作面区段煤柱尺寸优化研究.pdf

论文题目亭南矿大采高工作面区段煤柱尺寸优化研究 专 业采矿工程 硕 士 生王 琦 （签名） 指导教师余学义 （签名） 摘 要 区段煤柱合理宽度的确定是保证大采高工作面安全开采的关键。 本文以亭南煤矿二 盘区大采高工作面及区段煤柱为研究背景，综合应用现场观测、理论分析、数值模拟及 相似材料模拟等方法对二盘区区段煤柱进行了系统的研究，主要研究内容如下 首先，在分析矿区基本地质条件的基础上，应用现场应力观测的方法对该矿二盘区 目前所留设的30m区段煤柱的破坏规律进行了研究，研究表明，当煤柱一侧位于采空区 时， 靠近采空区侧煤柱边缘的破坏区域宽度约为3m， 上位岩层低应力区域宽度约为18m， 当煤柱两侧均位于采空区内时，煤柱中部至少存在宽度为15m的稳定区域；巷道监测结 果表明目前所留设的30m区段煤柱尺寸偏大，可通过优化减小区段煤柱尺寸；通过对现 场观测数据分析，确定了区段煤柱尺寸的优化范围为5.213m。其次，从提高煤炭采出 率、巷道支护及水体下安全开采的角度分析论证了窄煤柱沿空掘巷的合理性；在分析窄 煤柱沿空掘巷原理的基础上，应用极限平衡理论分析计算得出区段煤柱的极限宽度为 6.12m。在上述研究的基础上，应用数值模拟的方法模拟分析了采空区侧向支撑应力分 布规律，沿空掘巷后及二次采动期间宽度为4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m、 12m时煤柱的应力演化规律、弹塑性区域变化规律和巷道变形规律，确定了区段煤柱的 优化尺寸为10m。最后，应用物理相似模拟实验，从覆岩移动破坏演化规律与煤柱承压 分布规律的相关性等方面验证了采用10m宽区段煤柱的合理性、可靠性。 本文研究成果为亭南煤矿二盘区区段煤柱合理尺寸的确定提供了理论基础， 并对类 似开采条件下区段煤柱的留设提供参考。 关 键 词大采高；区段煤柱；现场观测；数值模拟，相似模拟 研究类型应用研究 万方数据 Subject Optimization of the reasonable coal pillar size in large mining height face of Ting Nan coal mine Specialty Mining Engineering Name Wang Qi （（Signature）） Instructor Yu Xue-yi （（Signature）） ABSTRACT Determination of reasonable coal pillar width is key for ensuring safety production of large mining height face. Taking the determination of large mining height face and coal pillar in the second panel of Ting Nan Coal Mine as the engineering background, Theoretical calculation, field measurement, numerical simulation and similar materials simulation had been used to analysis the coal pillar systematically. It’s mostly contents as follows Firstly, based on analyzing the basic geologic conditions, the failure regularity of current 30m coal pillar under the effect of mining was systematically studied by using the of field stress monitoring, studies have shown that when one side of the coal pillar in goaf, about 3 m in width of fractured zone near the goaf was found, and 18m in width of low stress zone was realized; when the whole pillar was located in goaf, more than 15m in width of stability region in the middle of the pillar; the results of gateway detection have shown that the width of current 30m coal pillar is too large, and optimizing the section of coal pillar has certain feasibility. Though field measurement, the section scope of coal pillar initially identified as 5.213m. In addition, from the perspective of coal recovery ratio, tunnel support and safety mining under water body, the rationality of cutting along goaf and with thin pillar has been demonstrated; based on analyzing the principle of cutting along goaf and with thin pillar; the limit width of coal pillar was calculated as 6.12m with limit equilibrium theory. And the lateral stress distributions, as well as the pillar stress evolution law, the elastic-plastic region variation, and the roadways deation law of 9 different coal pillar that width of 4m, 5m, 6m, 7m, 8m, 9m, 10m, 11m, 12m were studied systematically by numerical simulation; the reasonable width of coal pillar in large mining height face was determined as 10m. Finally, though analyzing the correlation between overburden failure evolution and pressure distribution of coal pillar, the reasonableness and reliability was verified by using similar materials simulation. Papers of the research results provide theoretical basis for the large mining height face 万方数据 coal pillar size design in the second panel of Ting Nan Coal Mine, and under similar conditions of coal pillar size design has the certain reference value. Key words Large mining height; Coal pillar; Stress monitoring; Numerical simulation; Similar materials simulation Thesis Application study 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪 论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 .................................................................................................. 1 1.1.1 选题背景 ............................................................................................................ 1 1.1.2 研究意义 ............................................................................................................ 2 1.2 本文相关领域国内外的研究现状 .............................................................................. 2 1.2.1 大采高综采技术国内外研究现状 .................................................................... 2 1.2.2 区段煤柱国内外研究现状 ................................................................................ 3 1.2.3 沿空掘巷应用现状 ............................................................................................ 6 1.3 本文研究的主要内容 .................................................................................................. 6 1.4 本文的研究方案及技术路线 ...................................................................................... 7 2 亭南煤矿二盘区地质采矿条件 ............................................................................................ 9 2.1 矿井概况 ...................................................................................................................... 9 2.2 二盘区基本概况 .......................................................................................................... 9 2.2.1 二盘区水文地质概况 ...................................................................................... 10 2.2.2 二盘区工作面顶底板特征及煤层分布特征 .................................................. 11 2.2.3 二盘区工作面回采巷道支护方法及支护参数 .............................................. 12 2.3 本章小结 .................................................................................................................... 13 3 现区段煤柱应力观测研究 .................................................................................................. 14 3.1 观测方案 .................................................................................................................... 14 3.1.1 煤柱应力观测方案 .......................................................................................... 14 3.1.2 巷道变形观测方案 .......................................................................................... 15 3.2 观测结果分析 ............................................................................................................ 15 3.2.1 煤柱应力观测结果及分析 .............................................................................. 15 3.2.2 巷道变形观测结果分析 .................................................................................. 22 3.3 二盘区区段煤柱合理范围分析 ................................................................................ 22 3.4 本章小结 .................................................................................................................... 23 4 二盘区区段煤柱理论分析计算 .......................................................................................... 24 4.1 窄煤柱护巷的合理性 ................................................................................................ 24 4.2 窄煤柱沿空掘巷原理 ................................................................................................ 25 4.3 二盘区区段煤柱留设理论分析 ................................................................................ 25 4.3.1 基本假设 .......................................................................................................... 26 4.3.2 力学模型建立 .................................................................................................. 26 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 II 4.3.3 二盘区区段煤柱尺寸理论计算 ...................................................................... 26 4.4 本章小结 .................................................................................................................... 28 5 数值模拟研究 ...................................................................................................................... 29 5.1 数值模拟软件简介 .................................................................................................... 29 5.2 模型建立 .................................................................................................................... 29 5.3 数值模拟方案 ............................................................................................................ 30 5.4 模拟结果与分析 ........................................................................................................ 31 5.4.1 侧向支撑应力分布规律分析 .......................................................................... 31 5.4.2 窄煤柱模拟结果分析 ...................................................................................... 32 5.4.3 数值模拟小结 .................................................................................................. 39 5.5 煤柱优化尺寸确定 .................................................................................................... 40 5.6 本章小结 .................................................................................................................... 40 6 物理相似模拟实验 .............................................................................................................. 41 6.1 相似模拟原理 ............................................................................................................ 41 6.2 实验模型设计 ............................................................................................................ 41 6.2.1 实验技术参数 .................................................................................................. 42 6.2.2 相似材料配比 .................................................................................................. 42 6.2.3 模型装配 .......................................................................................................... 42 6.2.4 测试方法 .......................................................................................................... 43 6.3 实验过程及结果分析 ................................................................................................ 44 6.3.1 204 工作面模拟过程及结果分析 .................................................................... 45 6.3.2 205 工作面模拟过程及结果分析 .................................................................... 47 6.3.3 206 工作面模拟过程及结果分析 .................................................................... 49 6.3.4 覆岩运移结果分析 .......................................................................................... 53 6.4 本章小结 .................................................................................................................... 55 7 结论及展望 .......................................................................................................................... 56 7.1 主要结论 .................................................................................................................... 56 7.2 展望 ............................................................................................................................ 56 致 谢 ........................................................................................................................................ 57 参考文献 .................................................................................................................................. 58 附 录 ........................................................................................................................................ 62 万方数据 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 煤炭是我国工业的基础，国家经济的发展离不开煤炭，作为不可再生的宝贵资源， 煤炭合理高效的开采对我国经济建设和环境保护具有重要的战略意义。 我国赋存着大量 的煤炭资源，厚煤层储量约占目前已探明储量的一半，随着科技的发展，中厚煤层开采 煤炭产量在总产量中的比重越来越大， 因此中厚煤层开采技术的发展对我国整个煤炭行 业的发展具有重要影响。随着我国科技的进步及国民经济的持续增长，大采高采煤工艺 逐步成为我国中厚煤层开采的主要方法和发展方向， 我国广泛的赋存着厚度为 5.0m 及 以上的中厚煤层，大采高综采工艺已成功的发展成为一种更加安全和高效的新的方法 [2-4]，相比传统的厚煤层分层开采，该方法不仅能有效提高工作面产量和生产效率，减 少回采巷道布置数量，而且可以提高煤炭的采出率，降低含矸率等。目前，有关于大采 高综采技术的研究主要体现在工作面覆岩破坏规律、 综采支护设备及其相关配套设备的 适应性、安全通风等方面，而对大采高综采工作面区段煤柱的留设研究较少，在生产过 程只能靠传统的经验公式、工程参考及工程类比。 在我国大采高长壁开采中， 为了确保工作面安全生产及回采巷道变形量在可控范围 内，区段煤柱的尺寸往往都会很大。传统的经验表明，留设的区段煤柱的尺寸越大回采 巷道变形量越小，工作面越安全。然而随着采矿科学相关理论的不断深入和工程实践的 大量积累，越来越多的学者认为留设宽度较大的区段煤柱造成了大量的煤炭损失，区段 宽煤柱留设造成的煤炭损失已经成为煤矿生产损失的主要因素之一[5]。此外，随着开采 深度和采高的增加，回采巷道周围应力变大，应力集中程度增高，盲目的留设宽煤柱不 仅会造成巷道的多次维护，有时会影响生产，增加安全费用，严重的情况下会引起煤与 瓦斯突出和冲击地压等灾害。 彬长矿区亭南煤矿为高瓦斯矿井，该矿二盘区工作面所采煤层为普氏硬度系数 f1.95 的侏罗系延安组 4煤层， 工作面采用大采高综采工艺进行回采， 设计采高为 6m。 以往由于未对区段煤柱的破坏变形规律进行系统的分析论证， 因此在确定区段煤柱的尺 寸时只能通过经验或者参考相邻矿区。而通过上述两种方法来确定区段煤柱尺寸时，为 防止生产过程中 O2进入采空区或瓦斯溢出而诱发火灾等灾害， 往往会选择大煤柱方案， 这样会使煤炭的采出率大大降低。另外，根据亭南矿地质资料，二盘区煤层上覆岩层中 有 7 个为含水层，其中洛河砂砾岩含水层厚度大，富水性强，且距煤层距离较近，目前 所留设的区段煤柱宽度为 30 米，进入采空区后，煤柱长期存在一定的弹性区，具有较 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 高的承载能力，在煤柱长期支撑的作用下，上覆岩层部分导水裂隙带很难闭合密实，它 将成为采空区上覆承压水体缓慢渗流的通道，当大面积开采后，不仅给矿井开采带来了 冲击矿压等安全隐患，而且加大了矿井排水费用。因此，对煤柱的优化设计，在安全高 效的基础上提高煤炭的采出率，是急需解决的重大问题。 本文以亭南煤矿二盘区大采高工作面及工作面间的区段煤柱为研究背景， 对该矿二 盘区区段煤柱的破坏规律及合理宽度进行了系统的研究。 1.1.2 研究意义 采用壁式开采时，在盘区工作面之间会留设一定宽度的保护煤柱，以便维护回采巷 道和隔离采空区 [6-8]。当使用大采高综采工艺开采时，基于传统意义上留设的大尺寸区 段煤柱会造成煤炭资源的大量损失， 为了有效降低损失率，目前已有许多矿区如华亭、 潞安等均使用了窄煤柱进行护巷[9]。一般来说，区段窄煤柱应布置在采空区侧向支撑应 力降低区内，其结构应具有一定的稳定性，以确保具有一定的承载能力，同时窄煤柱应 具备隔离采空区有害气体及挡矸和防风等作用，保证工作面安全开采[10]。在确定窄煤柱 合理宽度的过程中， 煤柱尺寸的大小对回采巷道受采动的变形程度及巷道围岩结构的稳 定性具有重要的影响。因此，区段煤柱合理尺寸确定是开采系统安全、经济、合理布置 的关键问题之一。 目前，亭南煤矿二盘区区段煤柱的宽度为 30m，当宽煤柱在采空区内时，不仅不利 于上覆岩层的整体下沉及导水裂隙的闭合密实，同时会加剧地表沉陷破坏程度，此外， 当盘区大范围开采后， 岩层断裂时一次释放动能大大加剧， 可能会出现冲击矿压等灾害。 对区段煤柱合理尺寸优化研究，不仅有利于水体下及建筑物下安全开采，有效减小冲击 矿压等灾害的发生，还可以有效提高采区采出率，减轻巷道支护压力，降低巷道支护成 本，对确保矿区安全合理生产、提高矿井技术效益和经济效益具有重要的作用。 1.2 本文相关领域国内外的研究现状 1.2.1 大采高综采技术国内外研究现状 20 世纪 60 年代，国外一些国家开始研究大采高工艺的相关技术。50 年代，日本开 始设计一种可用于中厚煤层采高的液压支架 [11]；70 年代德国，波兰也相继使用了大采 高采煤工艺开采，取得了较好的效果[12-13]；进入 80 年代，更多国家开始使用大采高工 艺开采厚煤层，如西德的威斯特法伦矿和南斯拉夫的 Veleng 矿，其设计采高已达到 5m 以上，大大提高了矿井生产效益，同时，美国于 80 年代初在俄怀明州卡邦县的一号矿 井中使用大采高工艺开采而实现了高产高效[14-16]；80 年代末期，前苏联有 43 个矿使用 大采高工艺开采，此外还研制了多种不同型号的大采高液压支架。英国、澳大利亚、斯 万方数据 1 绪 论 3 洛伐克等国家也采用了大采高工艺进行开采[17]。 随着科学技术的发展，国外许多国家如美国、德国、澳大利亚等国于 20 世纪末期 采用了自动化控制、计算机监测、大功率传输、机电一体化等先进技术，研制出了可以 适应复杂条件下的综采设备，提高了矿井生产效益，同时在很大程度上提高了设备的整 体安全性及可靠性。目前，以波兰、美国、德国为代表的公司所生产的成套设备的大采 高煤炭开采量已达到 3000t/h，液压支架稳定性及使用寿命已大大提高，支架最大设计 高度已达到 7m。 20 世纪 70 年代末期，我国从国外引进了大采高综采设备及相关技术，并逐步开始 自行研究，到 20 世纪 90 年代末，该项技术在我国得到了快速稳定的发展。目前，我国 设计并投入使用的大采高综采面支架最大高度达到 7m，如神东集团补连塔煤矿 22303 工作面是国内首个使用 7m 液压支架并取得巨大成功的大采高工作面[18]。此外，在我国 单产量突破千万吨的大采高工作面越来越多，在世界范围内已处于先进水平，如神东集 团榆家梁矿的年产量高达 1480 万 t；上湾煤矿大采高综采工作面原煤年产量为 1075 万 t [10,19-20]。 1.2.2 区段煤柱国内外研究现状 国外对区段煤柱的研究主要有 ① 20 世纪初，Danies 和 Moore 通过试验研究了煤岩强度，研究表明煤岩块的 尺寸大小与其强度呈反相关关系，当试块的尺寸保持不变时，试块的强度与高度的变化 呈正相关关系[21]； ② 20 世纪中期 ，Holland-Gaddy 煤柱强度公式的提出，给出了煤岩试块的试验强 度和煤柱实际强度的定量关系， 该公式对宽高比为 28 范围内的煤柱留设具有一定的指 导意义[22]； ③ 澳大利亚学者 B.A.Poulsen 通过对煤柱压力拱及其近场载荷的研究，对煤柱压 力作用方法和其稳定性进行了分析说明；此外，UNSW 通过部分煤矿的煤柱强度和稳 定性的研究，提出了煤柱强度经验计算公式，并用实验证明煤柱强度与煤柱宽度和高度 有关[23-24]； ③ B.A.Poulsen 在分析煤柱附近的应力形态的基础上， 研究了煤柱结构的稳定性因 素；UNSW 通过现场调研分析了不同矿区煤柱的结构及其强度，给出了计算煤柱强度 的经验公式，并通过实验研究了影响煤柱强度的不同因素，如煤柱的高度和宽度； ④ 20 世纪 70 年代格罗布拉尔通过大量的研究表明，煤柱中部不同位置的核区强 度是不同的，且煤柱所受的应力与煤柱中部核区强度具有一定的关系，并在此基础上提 出了煤柱核区强度不等理论； ⑤ E.C.科诺年科和 K.A.阿尔拉麦夫在弹性力学相关理论的基础上，对煤柱及其顶 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 底板的接触面做了理想化处理，提出了极限平衡理论； ⑥ 理查德、罗兰等人通过假设认为，煤柱不仅承载着其上覆岩层的重量，同时承 载着其相邻采空区上覆岩层约一半的重量，在一定的区域内，煤柱所承载的重量是不变 的，在此基础上提出了有效区域理论[25-26]； ⑦ 随后 A.H.Wilson 基于煤柱的三向强度特性， 结合了煤柱内不同位置所受的载荷 与采空区内部不同点位的顶板及底板闭合量，提出了 A.H.威尔逊两区约束理论，英国 Whittaker 等人通过进一步研究发展了 Wilson 模型， 应用岩体结构静力关系给出了分离 岩块力学模型Detached Block Theory[27-28]； ⑧ 英国学者斯麦脱等人通过研究给出了顶板倾斜力学模型Roof Beam Tilt Theory，其基本指导思想是有效降低采空区边缘到巷道煤体一侧之间的顶板的下沉量， 并给出了巷道支护和设计的重要参数[29]。 在国内，许多学者对区段煤柱进行了大量研究，归纳起来主要有