突出矿井保护层选择及开采顺序的研究.pdf

I 分 类 号 TD713.31密级公开 论文编号2012021798 贵州大学 2015 届硕士研究生学位论文 突出矿井保护层选择及开采 顺序的研究 学科专业采矿工程 研究方向矿山压力及岩层控制 导师 李绍泉研究员 吴桂义副教授 研 究 生 万永斌 中国贵州贵阳 2015 年 6 月 万方数据 贵州大学硕士论文 I 目录 目录...........................................................................................................................I 摘要........................................................................................................................IV ABSTRACT.................................................................................................................IV 第一章 绪论..............................................................................................................1 1.1 选题依据与研究意义.....................................................................................1 1.1.1 研究目的.............................................................................................1 1.1.2 研究的意义.........................................................................................1 1.2 国内外研究现状.............................................................................................1 1.2.1 保护层开采的机理及研究现状...........................................................2 1.2.2 保护层开采保护范围研究现状...........................................................3 1.2.3 突出矿井煤层群开采顺序研究现状...................................................3 1.3 需要进一步研究的问题.................................................................................4 1.4 研究主要内容、方法及技术路线.................................................................4 1.4.1 研究主要内容.....................................................................................4 1.4.2 研究方法及技术路线.........................................................................5 1.5 主要创新点.....................................................................................................6 第二章 矿井概况..........................................................................................................7 2.1 矿井概况.........................................................................................................7 2.1.1 矿井境界及交通位置.........................................................................7 2.1.2 含煤地层及煤层特征.........................................................................7 2.2 矿井开拓概况.................................................................................................8 2.2.1 保护层开采现状.................................................................................8 2.2.2 采掘接替关系.....................................................................................9 2.3 矿井瓦斯赋存概况.........................................................................................9 2.3.1 瓦斯赋存状况.....................................................................................9 2.3.2 瓦斯灾害治理措施选择...................................................................11 2.4 本章小节.......................................................................................................12 万方数据 贵州大学硕士论文 II 第三章 突出矿井保护层选择因素研究....................................................................14 3.1 引言...............................................................................................................14 3.2 突出矿井保护层选择因素分析...................................................................14 3.3 开采保护层防治煤与瓦斯突出作用机理...................................................16 3.3.1 开采保护层防治煤与瓦斯突出原理..............................................16 3.3.2 影响保护作用的因素.......................................................................16 3.3.3 保护层作用机理..............................................................................17 3.3.4 扩大保护层应用途径.......................................................................17 3.4 义忠矿保护层选择影响因素分析...............................................................18 3.4.1 义忠煤矿保护层选择.......................................................................18 3.4.2 义忠矿 9、14 号煤层作为保护层讨论研究..................................19 3.4.3 义忠矿 14 号煤层作为下保护层开采............................................21 3.5 本章小结.......................................................................................................26 第四章 突出矿井保护层选择研究............................................................................27 4.1 引言...............................................................................................................27 4.2 保护层选择突出危险性指标分析...............................................................27 4.2.1 区域突出危险性预测.......................................................................27 4.2.2 选择系统参考指标解析...................................................................29 4.2.3 保护层选择系统一票否决原则.......................................................30 4.3 系统模型的建立...........................................................................................30 4.3.1 建立突出矿井保护层选择系统.......................................................30 4.3.2 突出矿井保护层选择程序设计分析...............................................33 4.3.3 保护层选择系统的应用...................................................................34 4.4 本章小结.......................................................................................................38 第五章 义忠煤矿采掘接替顺序数值模拟研究........................................................39 5.1 前言...............................................................................................................39 5.2 研究对象及研究内容...................................................................................39 5.2.1 研究对象...........................................................................................39 5.2.2 研究内容...........................................................................................40 万方数据 贵州大学硕士论文 III 5.3 FLAC 3D数值模拟........................................................................................... 40 5.3.1FLAC 3D软件简介................................................................................. 40 5.3.2 数值模拟方法...................................................................................41 5.3.3 监测点布置.......................................................................................42 5.4 数值模拟结果分析.......................................................................................44 5.4.1 回采工作面布置...............................................................................44 5.4.2 数值模拟结果分析...........................................................................47 5.5 保护层开采采掘接替顺序研究...................................................................53 5.5.1 采掘接替研究...................................................................................53 5.5.1.1 区段无煤柱护巷技术...................................................................53 5.5.1.2 专用瓦斯巷道布置.......................................................................54 5.5.1.2 采掘接替技术研究.......................................................................55 5.5.1.3 采掘接替计划...............................................................................56 5.5.2 采掘比例关系指标及计算方法.......................................................57 5.6 本章小结.......................................................................................................58 第六章 下保护层开采对上部煤层保护范围研究....................................................59 6.1 前言...............................................................................................................59 6.2 下保护层开采对上部煤层的影响及保护范围数值模拟...........................59 6.2.1 煤层底板位移及塑性区分布...........................................................59 6.2.2 上覆可采煤层应力分布特征...........................................................62 6.2.3 上覆被保护煤层法向膨胀变形量及保护范围的预计...................66 6.3 本章小结......................................................................................................69 第七章 结论与展望....................................................................................................70 7.1 论文主要研究成果.......................................................................................70 7.2 进一步的研究工作.......................................................................................70 参考文献......................................................................................................................72 在校期间参与科研项目及发表论文..........................................................................75 致谢..........................................................................................................................76 万方数据 贵州大学硕士论文 IV 摘要摘要 对于突出矿井保护层的选择，传统的方法多以煤质好为优先开采原则，而不 是优先选择开采突出危险性小或没有突出性的煤层。通过大量现场调研结果来 看， 某些矿井没有合理的选择保护层， 而是选择煤质好、 煤层厚的煤层进行开采， 造成邻近层瓦斯涌出严重，又没有科学、系统具有针对性的瓦斯治理措施，这样 导致煤矿事故频发，因此，保护层选择及煤层群开采顺序研究势在必行。 本课题在广泛收集资料及大量现场调研的基础上， 针对湘能集团义忠煤矿具 体情况，结合理论分析，运用 SQL Server2008 与 Visual Studio2010 平台及 C语 言，开发了“突出矿井保护层选择系统”。通过 FLAC 3D数值模拟，分别对突出矿 井保护层选择、 被保护层采掘接替始终处于保护层保护范围内以及煤层群开采顺 序的研究。 运用计算机数值模拟建立突出矿井保护层选择系统， 通过多因素多指标的权 重分析，系统建立了第一、二、三级参考标准，输入矿井煤层实测参数后，系统 会通过事先编译好的后台命令进行纵、 横向的对比分析， 使模拟结果更加数值化、 具体化，根据矿井各自的情况可以优化得出合适的保护层。针对义忠煤矿，系统 成功的优化出 14 号煤层作为保护层比较理想，此系统应用到金佳矿中煤组的 6 层煤中选择保护层，最后优化出 22 号煤层作为保护层较理想，从金佳矿已开采 的情况来看，选择 22 号煤层作为下保护层开采效果不错，并取得成功。 保护层选择后，研究分析被保护层的采掘接替工作，应用 FLAC 3D对保护层的 保护范围、以及下保护层开采后对各煤层影响等进行大量的数值模拟，发现通过 无煤柱护巷与专用瓦斯巷的合理布置，在保护层回采完两个区段工作面后，可以 实现被保护层采掘接替始终处于保护层保护范围以内这一技术， 而通过模拟各被 保护层最大垂直主应力、垂直应力、垂直位移、塑性区及水平方向位移的变化分 布情况，可以得出煤层应力释放和各煤层膨胀变形情况，更好的掌握了保护层开 采被保护层采掘工作处于保护范围内这样一个过程。 关键词保护层；数值模拟；突出矿井保护层选择系统；保护范围；采掘接替 万方数据 贵州大学硕士论文 V Study on the choice of protective layer and mining sequence inoutburst mine WAN Yong-bin ABSTRACT For the choice of protective layer, the traditional often takes the coal quality as the priority exploitation principle, rather than the coal seam which has little or no outburst danger. Through a large number of field investigations, the choice of protective layers is unreasonable in some mines. The coal seams which have good coal quality and high thick are often selected. Accidents frequently happen in coal mines since there are no scientifc systems, gas control measures. Therefore, study on the selection of protective layer and mining sequence coal seams is imperative. On the basis of widely collected data and much of the field investigations, this topic focused on the concrete situations in Yizhong coal mine of Xiangneng group, combined with theoretical analysis, used SQL Server2008 and Visual Studio2010 plat and C language, the selection system of protective layers for outburst mines was developed. By numerical simulation of FLAC3D, Study on the selection of protective layer in outburst mines, mining and development replacement of protected seam in the range of protective layer, mining sequence of coal seam groups were conducted respectively. The selection system of protective layers was established by using computer numerical simulation, by weight analysis of many factors and inds, the system established three-stage reference standards. After the measured parameters were in coal mine, the system can conduct longitudinal and transverse comparison analysis according to the background commands which were previously compiled, and this concretized the numerical simulation results, the proper protective layer was gained according to the different situations in coal mines. Focusing on YiZhong coal mine, the system successfully chose no.14 coal seam as a protective layer by optimization. When applied to the selection of six layer coals in Jinjia coal mines, the system finally optimized the no.22 coal seam as the protective layer. From the mining situations of Jinjia coal mine, that selecting the no.22 coal seam as the underside protective seam achieved a good production effect. After the protective layer was selected, sudy on the work of mining and developmentreplacementfortheprotectedlayerwasconducted.Numerical simulation on the protection range of protective layer and the effect of underside protective seam mining on each coal seam was conducted by using FlAC3D software. By simulating the distribution of the vertical principal stress,vertical displacement, plastic zone and the change of horizontal displacement of protective layer, the stress release and swelling deation of coal seams can be drawn. The process of the mining for protective layer and the work of coal cutting and driving in protection range are better mastered 万方数据 贵州大学硕士论文 VI Key wordsprotective layer；numerical simulation；selection system of protective layer in outburst mine；protection range；mining and development replacement 万方数据 贵州大学硕士论文第一章 绪 论 1 第一章 绪论 1.1 选题依据与研究意义 1.1.1 研究目的 本课题是以贵州省义忠矿作为具体科研背景， 对义忠矿保护层选择及煤层群 开采顺序进行研究， 通过对保护层的合理布置优化研究以及煤层群合理的顺序开 采方式研究，始终让被保护层采掘接替工作处于保护层保护范围内，这样有效防 止煤与瓦斯突出，同时，提高突出矿井安全生产水平、经济效益，最终为贵州地 质开采条件类似矿区提供理论依据和技术支持。 由于我国煤炭企业的深化改革， 煤矿安全生产及经济效益的提高是企业赖以 生存的首要条件，所以出于经济效益的考虑，突出矿井煤层群开采顺序及保护层 选择的决策越来越重要。本课题针对义忠矿煤层群开采顺序的研究，通过对保护 层的选择及保护范围的研究，最终选择合理开采顺序，这样既保证安全生产，提 高经济效益，同时，为贵州省复杂煤层群顺序开采提供技术依据。 1.1.2 研究的意义 我国绝大多数煤层气是属于低渗透煤层，由煤层群开采经验可知，保护层的 选择及煤层群开采顺序正是一种可以通过增大煤层透气性、 扩大煤层透气范围来 防治煤（岩）与瓦斯突出的安全、高效措施 [1] ，也是有效的区域防突措施。 目前，贵州地区突出矿井保护层开采没有统一回采工艺，对保护层的有效保 护范围是根据经验划定及判断，很多地方由于技术、管理等问题存在极大的安全 隐患，出现了严重的瓦斯动力现象，这不仅影响到矿井安全高效生产，同时严重 危及到矿上员工的生命财产安全。所以，为了使被保护层的采掘接替活动始终处 于保护层安全保护范围内进行，准确地、合理规划保护层的保护范围以及突出矿 井煤层群开采顺序成为本论文研究的核心内容。 研究成果对突出矿井实现保护层 的安全开采具有极其重要的理论指导作用和实际意义，此外，对贵州这种特殊地 质条件开采的矿区，例如六盘水、毕节地区开采条件类似的矿区防治煤（岩）与 瓦斯突出及瓦斯综合治理也具有重大借鉴意义和指导作用。 1.2 国内外研究现状 到目前为止， 突出矿井选择保护层开采被国内外专家公开认为是增大煤层透 万方数据 贵州大学硕士论文第一章 绪 论 2 气性、提高瓦斯抽放率、防突等的一种安全性可靠、经济高效措施 [2]。法国 在 1933 年就首先进行了开采保护层防治煤与瓦斯突出试验，往后世界上很多国 家只要条件允许都在广泛应用保护层开采这一技术 [3]。比如当时的俄罗斯国家地 质力学与测量科学研究院， 他们通过实验室以及现场试验对开采保护层的机理和 保护范围参数的划分方法进行了广泛的研究。1958 年我国也开始在重庆和北票 地区进行了一系列的试验，试验成功后并在有条件的突出矿井推广使用这技术 [4]。迄今为止，已基本认识清楚开采保护层防治突出的机理，研究初步得出了保 护层保护范围的划分这一方法，但就保护层开采的试验研究工作也非常有限，研 究仅对倾斜和急倾斜上保护层以及中远距离下保护层开采进行试验研究， 而对缓 斜、远距离上保护层开采的保护效果未进行研究,国内外尚没有可借鉴的成熟经 验，有待系统、深入研究 [5-6]。 全国大多数煤矿包括私企、国企在内，为了经济效益，在选择保护层的时候 并没有按照国家煤矿安全规程相关规定去选择，而是以建井时间短、出煤快并谋 取最大利益为目的， 在选择保护层开采时都是以煤厚和煤质作为保护层选择的优 先考虑因素，通常情况下煤矿在完成一个工作面的回采后，对主采煤层立即布置 工作面，这样可以快速生产，产生良好的经济效益，但这样的结果是安全得不到 保障，矿井采掘难以接替，导致采掘失调，对管理和集团公司长远的利益有很大 打击，许多煤矿采用这种方法进行开采，效益开始很好，但却慢慢走向没落，不 仅浪费人力物力，更加浪费了宝贵的不可再生资源。 1.2.1保护层开采的机理及研究现状 到目前为止， 国内很多内行专家学者采取了许多方法研究突出矿井保护层开 采的机理，其中包括数值模拟、相似模拟试验方法、现场试验等等。突出矿井在 选择保护层开采后，被保护煤层的煤、岩体结构、瓦斯动力参数及应力应变都会 发生明显的变化， 而在垂直煤层层面方向也呈膨胀变形， 还导致水平位移的产生。 这样不仅煤、岩层内原有裂隙会有所扩大，还会产生出很多新的裂隙，导致煤层 透气性数百倍增加，从而形成了“解吸-扩散-渗流”的卸压瓦斯流动条件，成功 地降低了煤与瓦斯突出危险性的可能 [7-8]。 保护层开采是防止煤与瓦斯突出的有效措施， 国内外突出矿井煤层群开采时 把它作为区域性防突措施广泛应用并取得成功 [9]。保护层开采过程中发现顶、底 万方数据 贵州大学硕士论文第一章 绪 论 3 板煤岩层发生一系列的岩石力学变化，如会强烈的拉张、扭曲变形以及挤压、剪 切应力变成拉张应力等；采空区上覆岩层垮落、断裂、弯曲下沉或下伏煤岩层破 裂、上鼓，地应力释放而减小，弹性潜能也得到有效释放；被保护层膨胀变形， 形成裂隙和孔道，使得煤岩层透气性系数增大，大量的吸附瓦斯解吸，瓦斯压力 下降； 瓦斯得到释放以后， 煤体强度增加， 增加了抵抗煤与瓦斯突出的能力 [10-11]。 1.2.2 保护层开采保护范围研究现状 国外专家在突出矿井保护层选择及开采研究方面起步比较早， 我国采矿行业 的专家在这方面也作了广泛的研究，其中抚顺分院哈明杰教授研究并得出顶板 瓦斯卸压区域形状为半圆拱形，拱半径为工作面长度的一半。重庆分院相关专家 在通过大量的现场试验实践后得出顶底板的瓦斯卸压区域形状为矩形，上部卸 压边界大概 100 米左右，下部边界约 50 米左右。中国矿业大学钱鸣高院士提出 了“横三区，竖三带”理论和覆岩移动的关键层理论，为确定保护层卸压范围的 提供了更精确的理论依据 [12-13]。 保护层开采通常会对周边的煤、岩体产生采动影响，并对其被保护煤（岩） 层一定范围内出现卸压保护作用， 在保护范围内突出煤层应力应变状态和瓦斯动 力参数等会发生重大变化，这样就降低或丧失了突出危险性，对于这样的范围称 之为保护范围 [14]。 开采保护层的有效保护范围主要包括始采线和采止线处的有效 卸压角、保护层工作面超前被保护层采掘工作面的合理距离、倾向上下方的有效 卸压角和层间的有效垂距等 [15]。 目前，国内外对于保护层开采卸压保护范围研究的主要方法包括按照经验 （卸压角）划定 [16]，理论分析划定，相似模拟，数值模拟和现场考察。保护层沿 倾向的保护范围、走向的保护范围、保护作用的有效层间距及保护层沿走向的最 小超前距离都有比较成熟和系统的理论研究，但是就保护层整个采区、区