杨村矿下组煤底板带压开采突水临界条件研究.pdf

硕士学位论文 杨村矿下组煤底板带压开采突水 临界条件研究 Critical Assessment of Water Inrush under the Lower Coal Seam during Mining with Pressure in Yangcun Mine [国家重点基础研究发展计划项目2013CB036003] [江苏高校优势学科建设工程资助项目] 作 者王一栋 导 师姜振泉 教授 中国矿业大学 二○一四年六月 万方数据 中图分类号 TD12 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 杨村矿下组煤底板带压开采突水 临界条件研究 Critical Assessment of Water Inrush under the Lower Coal Seam during Mining with Pressure in Yangcun Mine 作 者 王一栋 导 师 姜振泉 申请学位 工学硕士 培养单位 资源与地球科学学院 学科专业 地质工程 研究方向 工程地质与岩土工程 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一四年六月 万方数据 70 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 杨村矿下组煤底板带压开采突水临界条件研究 ， 是本人在导师指导下， 在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的成果。 据我 所知， 除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 学位论文使用授权学位论文使用授权声明声明 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 王一栋 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 首先感谢我的导师姜振泉教授， 本论文是在导师的指导帮助下完成的。 从论文的选题， 资料的收集、整理，研究思路以及论文的撰写、成文、修改、定稿，每一个环节无不凝结 着导师的智慧和心血，没有导师的指导和鼓励，论文是不可能得以顺利完成的。从师三年 来，老师学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围；老师严谨的 治学态度，严于律己、宽以待人的高尚品德以及认真的求实精神，使我学习到了治学、做 人和成才的道理。另外，导师在生活方面也给予学生无微不至的关心和帮助。师恩似海， 在此向老师致以深深的谢意和崇高的敬意 在论文选题过程中，得到了隋旺华教授、董青红教授、孙强副教授、朱术云副教授和 贺虎老师的大力帮助， 他们对作者的选题、 研究思路和文献查阅及论文的撰写等提出了许 多有益的建议和帮助，在此作者表示衷心地感谢 在几年的学习和生活中，得到朱术云副教授、孙强副教授的关心与帮助，朱术云老师 事无巨细、 耐心指导， 孙强老师学术思想上的点拨使笔者受益匪浅， 在此表示衷心的感谢 感谢实验室的张蕊、钱自卫、黄震、梁德贤、常刚、符家驹、唐鑫、周海涛，在论文 的撰写与修改过程中给予很多帮助，提出了很多宝贵建议。衷心感谢姜春露、段宏飞、刘 芙蓉、徐瑞鹏、任申、陈凯、王震、张卫强、吴现帅、邓舒、孙小倩、刘彬、张辉、姚亚 辉等师兄、师姐、师弟、师妹，你们给了我自由遐想的空间，我们体验到的是快乐与进步。 衷心感谢在我读研期间所有帮助过我的同学和朋友。三年来，我们在学习上共同进步，在 生活中互帮互助，缔结了永恒的友谊，度过了一段美好而又让人难忘的时光，但愿我们的 友情长久，祝福我们的未来美好 感谢我的亲人，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我 最大的心愿。 感谢百忙之中评审论文的各位专家老师们 由于水平有限，论文难免有不足甚至不当之处，敬请各位专家老师给予批评、指正。 论文得到“国家重点基础研究发展计划项目（2013CB036003） ”和“江苏高校优势学 科建设工程资助项目”的资助，在此一并表示感谢。 万方数据 I 摘摘 要要 突水系数法因其公式简单、 计算参数易得而被广泛应用于煤矿带压开采安全性与否的 评价，是煤层带水压开采可行性评价的一种传统且有效的方法，并被写入 2009 年颁布的 煤矿防治水规定 。但该公式的临界值主要是基于上世纪 60 年代焦作、井陉、峰峰和淄 博四大突水矿区的大量突水事故中总结得到， 能否适应兖州矿区下组煤带压开采安全性评 价仍值得探讨。 本论文以矿山岩体力学和煤矿工程地质学理论为指导， 以兖州矿区典型开采下组煤的 杨村煤矿为研究背景， 在系统收集该矿井水文地质资料及部分已开采下组煤工作面资料的 基础上，从基础地质研究出发，系统分析了下组煤开采的地质和水文地质参数。在此基础 上，选择典型工作面进行了采动底板变形破坏深度和底板主要层位阻渗能力的原位实测， 经过底板采动破坏深度现场实测结果分析，得到了杨村井田下组煤底板采动破坏深度为 10.1m左右； 通过三个测试段的现场原位压渗试验获得了底板不同结构及岩性的单位厚度 抗渗强度值， 并结合兖州矿区东滩等矿井相关实测结果， 分析计算得出了底板阻渗能力临 界值，用其与含水层水压比值定义为安全系数来评价底板带压开采的安全性。 论文最后以杨村煤矿 2702 工作面在回采过程中的跟踪监测为例，验证了突水系数和 本次提出的安全系数两种不同方法所得评价结果的对比适应性， 得出了安全系数能较好的 反映底板实际的阻水能力。 此次提出安全系数可全面地揭示下组煤底板的阻水能力， 为杨 村煤矿下组煤带压开采底板水害防治提供了技术保障， 且对兖州矿区及地质条件相似矿区 开采下组煤也提供了重要的参考依据。 该论文有图 32 幅，表 17 个，参考文献 87 篇。 关关键词键词下组煤；现场实测；底板抗渗强度；突水系数；安全系数；临界条件 万方数据 II Abstract Water inrush coefficient is widely used in coal mining safety assessment under high pressure,because of the simple ula and the easily obtained calculation parameters.It is a traditional and effective for the feasibility uation of coal mining with water pressure and was written into “mine water control regulations“ which was promulgated in 2009. However, the critical value of ula is mainly based on the summary of numerous water inrush coal mines such as Jiaozuo, Jingxing, Zibo and Fengfeng in the 1960s.It should be considered whether it can apply to mine the lower coal seam of Yanzhou Coal Mines under pressure or not. In this paper, through collecting the hydrogeological data of Yangcun Coal Mine and the part of the group that has been mined, as well as basing on the theory of mine rock mechanics and mine engineering geology, the author analyzed the geological and hydrogeological parameters of the lower coal seam. Then, the deation depth of mining floor of coal seam was got by the field measurement in the selected working face, as well as the preventing seepage capability of the main floor rock.The results shows that the floor deation depth of Yangcun coal seam field is 10.1m. The floor unit impermeability strength values of different structure and lithological were obtained by the water injection tests. Moreover, compared with Dongtan experimental results in Yanzhou Coal Mine, the threshold value of preventing seepage strength were calculated, and the mining safety was uated used the ratio of aquifer water pressure with floor preventing seepage strength. Finally, it is proved that the safety factor can better reflect the actual situation of the floor preventing seepage capability than water inrush coefficient due to the result of monitoring process in 2702 working face.The safety factor can fully reveal the preventing seepage capability of coal seam floor and can provide technical support for floor water damage prevention in coal mining under pressure in Yangcun coal seam. Also, it is an important reference for coal seam mining in Yanzhou mine and similar ecological conditions coal mines. There are 32 figures, 17 tables and 87 references in this paper. Keyword Coal seam; In-situ measurement; Floor preventing seepage strength; Water inrush coefficient; Safety factor; Critical Condition 万方数据 III 目目 录录 摘摘 要要 ..............................................................................................................................................I 目目 录录 ...........................................................................................................................................III 图清单图清单 ......................................................................................................................................... VII 表清单表清单 ........................................................................................................................................... IX 变量注释表变量注释表 .................................................................................................................................... X 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 ...................................................................................................................... 2 1.3 主要研究内容及技术路线 ...................................................................................................... 7 2 矿井概况矿井概况 ..................................................................................................................................... 9 2.1 自然地理概况 .......................................................................................................................... 9 2.2 矿井地质概况 ........................................................................................................................ 10 2.3 下组煤水文地质概况 ............................................................................................................ 15 3 下组煤开采水害特征下组煤开采水害特征................................................................................................................ 19 3.1 充水含水层 ............................................................................................................................ 19 3.2 底板隔水层厚度及变化 ........................................................................................................ 24 3.3 下组煤底板突水系数 ............................................................................................................ 28 3.4 采动底板破坏深度研究 ........................................................................................................ 33 3.5 本章小结 ................................................................................................................................ 39 4 下组煤底板阻渗性下组煤底板阻渗性.................................................................................................................... 40 4.1 原位压渗实验 ........................................................................................................................ 40 4.2 测试结果及分析 .................................................................................................................... 44 4.4 底板阻渗评价模型 ................................................................................................................ 52 4.5 本章小结 ................................................................................................................................ 56 5 底板带压开采安全条件实例分析底板带压开采安全条件实例分析............................................................................................ 57 5.1 带压开采工作面评价实例 .................................................................................................... 57 5.2 底板突水危险评价差异原因 ................................................................................................ 61 5.3 本章小结 ................................................................................................................................ 61 6 研究结论及建议研究结论及建议........................................................................................................................ 63 万方数据 IV 6.1 主要结论 ................................................................................................................................ 63 6.2 展望 ........................................................................................................................................ 63 参考文献参考文献 ....................................................................................................................................... 65 作者简介作者简介 ....................................................................................................................................... 69 学位论文原创性声明学位论文原创性声明................................................................................................................... 70 学位论文数据集学位论文数据集 ........................................................................................................................... 71 万方数据 V Contents Abstract ...........................................................................................................................................I Contents........................................................................................................................................III List of Figures ............................................................................................................................ VII List of Tables ................................................................................................................................ IX List of Variables ............................................................................................................................ X 1 Introduction ................................................................................................................................ 1 1.1 Significance and Background of Dissertation ........................................................................... 1 1.2 Research Status at Home and Abroad ....................................................................................... 2 1.3 Research Contents and Technical Way...................................................................................... 7 2 General of Mine .......................................................................................................................... 9 2.1 General Situation of Physical Geography ................................................................................. 9 2.2 Geology General Situation of Mine ........................................................................................ 10 2.3 Hydro-geological Condition of Lower Coal Seam ................................................................. 15 3.Water Hazard Characteristics of Lower Coal Seam Mining ............................................... 19 3.1 Aquifer..................................................................................................................................... 19 3.2 Thickness and Changes of Floor Aquifuge ........................................................................... 24 3.3 Water Inrush Coefficient of Lower Coal Seam Floor ............................................................. 28 3.4 Failure Depth of Mining Floor ................................................................................................ 33 3.5 Brief Summary ........................................................................................................................ 39 4.Water-resisting Ability of Lower Coal Floor ......................................................................... 40 4.1 In-situ Water Injection Test ..................................................................................................... 40 4.2 Test Results and Analysis ........................................................................................................ 44 4.4 Impermeability uation Model of Coal Floor .................................................................... 52 4.5 Brief Summary ........................................................................................................................ 56 5. Safety Condition Analysis of Coal Mining under Pressure ................................................. 57 5.1 Appraise Example of Working Face Mining under Pressure .................................................. 57 5.2 Reason of Different Results Water Inrush Risk Assessments ................................................. 61 5.3 Brief Summary ........................................................................................................................ 61 6 Conclusions and Recommendations ....................................................................................... 63 万方数据 VI 6.1 Main conclusions..................................................................................................................... 63 6.2 Expectation for the Future Work ............................................................................................. 63 References .................................................................................................................................... 65 Author’s Resume ......................................................................................................................... 69 Declaration of Diss