复合垮落式残采区中部残煤回采巷道合理位置研究.pdf

万方数据 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 复合垮落式残采区中部残煤回采巷道合理位置研究 摘 要 随着煤炭资源的不断开采，其储量也在不断减少，为了满足我国可持 续高速发展对能源的长期需求，残煤复采逐渐被提上研究日程。受过去开 采技术等条件的制约，残煤种类较多，据有关资料显示，其中复合残采区 中部残煤的残煤储量较高，且分布广泛。巷道是保证工作面安全高效生产 的前提和关键，对于复合垮落式残采区中部残煤的开采，由于受到上下煤 层开采的采动影响，中部残煤回采巷道围岩应力环境复杂，变形破坏情况 严重。因此，合理选择回采巷道的位置成为实现复合垮落式残采区中部残 煤安全复采和巷道围岩控制的重要影响因素。 本论文以大同矿区晋华宫煤矿复合垮落式残采区中部10号残煤为研究 对象，综合采用室内试验、理论分析、相似模拟和数值模拟等手段，对中 部残煤回采巷道的合理布置位置进行了研究。主要研究结论如下 （1）提出了一种基于破坏范围、应力分布与裂隙分布三因素确定复合 垮落式残采区中部残煤回采巷道合理位置的方法。首先分析上下煤层开采 造成的破坏范围是否波及到中部残煤，判断中部残煤回采巷道围岩破坏情 况；然后采用理论分析与模拟实验分析得到中部残煤的裂隙富集区、应力 叠加区和强应力改变率区的范围，避开以上范围确定一个合理布巷区；最 后分析不同水平位置巷道破坏特征和围岩变形量，综合确定中部残煤回采 巷道合理位置。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II （2）采用相似模拟与数值模拟手段，得到晋华宫煤矿上下煤层开采造 成的层间岩层破坏范围未波及到中部残煤；中部残煤裂隙富集区分布范围 为以煤柱边缘为中心内错520 m；应力叠加区分布范围为煤柱边缘水平错 距-1010 m，应力降低区分布范围为采空区内侧1035 m；强应力改变率区 的范围为以煤柱边缘为中心水平错距-1520 m。因此，合理布巷区范围为 外错15 m或内错20 m以上。 （3）分析了不同水平位置巷道的破坏特征及围岩变形量，当内错距达 到20 m时，巷道围岩变形量最小。综合考虑，确定晋华宫10号残煤回采巷 道合理位置为内错20 m。 （4）分析不同上下位相对层间距对中部残煤巷道变形量的影响可以得 到，在-150 m煤柱范围内，随着相对层间距的增大，煤柱造成的应力传递 对中部残煤影响减小，巷道变形量减小；在030 m采空区范围内，随着相 对层间距的增大，上下煤层开采对中部残煤的卸压程度减小，巷道变形量 增大。 关键词残采区，应力环境，围岩破坏，巷道布置 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON THE OPTIMUM POSITION OF ROADWAY OF MIDDLE RESIDUAL COAL SEAM BETWEEN THE UPPER AND LOWER LONGWALL GOAF ABSTRACT With the continuous exploitation of coal resources, its reserves are also decreasing. In order to meet the long-term energy demand of sustainable and high-speed development in China, the remining of residual coal has gradually been put on the research agenda. There are many kinds of residual coal due to the condition of mining technology in the past. According to the related data, the reserve of middle residual coal in the compound residual mining area is higher, and it is widely distributed. Roadway is the premise and key to ensure the safe and efficient production of coal face. For the mining of middle residual coal in the compound residual mining area, the surrounding rock stress environment of the mining roadway is complex and deation and destruction of the mining roadway are serious because of the influence of mining in the upper and lower coal seam. . Therefore, the reasonable selection of the location of the mining roadway is an important factor to realize the safe remining and roadway control in the middle residual coal mining. In this paper, the No. 10 middle residual coal in the compound residual mining area in Jinhuagong coal mine in Datong mining area is taken as the research object, and the laboratory test, theoretical analysis, similarity 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV simulation and numerical simulation are adopted comprehensively to study the reasonable arrangement of the coal mining roadway in the middle residual coal . The main research contents and results as follows （1）A based on three factors failure range, stress distribution and fracture distributionis proposed to determine the reasonable position of the working face roadway of the residual coal in the composite caving area. First, judge the mining safety and recoverability of the middle residual coal by analyzing whether the failure extent of the interlayer rock caused by the upper and lower coal seams is spread to the middle residual coal. Then, through theoretical analysis and simulation experiment, the area of the fracture-concentration area, the stress superposition area and the high stress change rate area are obtained. Based on these, a reasonable roadway layout area is determined which avoid the above three areas. Finally, the failure characteristics and surrounding rock deation of roadway at different horizontal positions are analyzed, the reasonable location of the middle residual coal roadway is got. （2）By similar simulation and numerical simulation, the failure extent of interlayer rock caused by mining of upper and lower coal seam has no effect on the residual coal of Jinhuagong. Taking the edge of the coal pillar as the center, horizontal distance in the range of 520 m is fracture-concentration area; horizontal distance in the range of -1010 m is stress superposition area, horizontal distance in the range of 1035 m is stress decreasing area，stress 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V change rate is greater which have significant influence on the stability of roadway, its horizontal distance in the range of -1520 m. Therefore, the reasonable roadway layout area is more than alternate exterior entry 15 m or alternate internal entry 20 m. （3）By analyzing the damage characteristics and the deation of surrounding rock of roadway in different positions When the horizontal distance is 20m, the deation of surrounding rock of roadway is minimum and stable. The reasonable horizontal distance of the No.10 middle residual coal seam roadway in Jinhuagong coal mine is 20 m considering comprehensively. （4）The analysis of the influence of different upper and lower interlayer space on the deation of surrounding rock of roadway can obtaine that. In the range of -150 m coal pillar， with the increase of the relative interlayer space, the influence of the middle residual coal with the stress caused by the pillar is decreasing, the deation of surrounding rock of roadway is decreasing; In the range of 030 m goaf,with the increase of the relative interlayer space, the pressure relief grade of the middle residual coal in the range of goaf by the lower and upper coal mining is decreasing, the deation of surrounding rock of roadway is increasing. KEYWORDS residual area, stress environment, destruction of surrounding rock, roadway layout 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 目录 摘 要 ........................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................. III 目录 ............................................................................................................................................. I 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景及意义 .............................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................. 3 1.2.1 残煤复采研究现状 .................................................................................................. 3 1.2.2 采场覆岩结构研究现状 .......................................................................................... 4 1.2.3 底板变形破坏研究现状 .......................................................................................... 6 1.2.4 回采巷道布置方式研究现状 .................................................................................. 7 1.3 研究内容 .......................................................................................................................... 8 1.4 研究方法及技术路线 ...................................................................................................... 9 第二章 工程概况及煤岩力学性质测试 ................................................................................ 11 2.1 工程概况 ........................................................................................................................ 11 2.1.1 地质条件 ................................................................................................................ 11 2.1.2 开采现状 ................................................................................................................ 13 2.2 煤岩物理力学性质实验 ................................................................................................ 14 2.2.1 实验内容 ................................................................................................................ 14 2.2.2 煤岩物理力学性质 ................................................................................................ 15 2.3 本章小结 ........................................................................................................................ 17 第三章 中部残煤回采巷道布置方法的提出 ........................................................................ 19 3.1 巷道布置的影响因素分析 ............................................................................................ 19 3.1.1 上下煤层开采破坏范围分析 ................................................................................ 19 3.1.2 应力分析 ................................................................................................................ 23 3.1.3 裂隙分析 ................................................................................................................ 27 3.2 中部残煤巷道布置区划分 ............................................................................................ 28 3.3 中部残煤巷道布置方法及步骤 .................................................................................... 29 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 3.4 本章小结 ....................................................................................................................... 30 第四章 中部残煤采场围岩变形破坏特征及其对巷道布置影响的实验研究 .................... 33 4.1 实验方案 ....................................................................................................................... 33 4.1.1 实验模型 ................................................................................................................ 33 4.1.1 开挖及监测 ............................................................................................................ 35 4.2 上下煤层开采时覆岩运移破坏特征分析 ................................................................... 38 4.2.1 下部煤层开采时上覆岩层运移破坏特征分析 .................................................... 38 4.2.2 上部煤层开采时上覆岩层运移破坏特征分析 .................................................... 40 4.3 上下煤层开采时中部残煤顶底板移动变形分析 ....................................................... 42 4.3.1 下煤层开采时中部残煤顶底板移动变形分析 .................................................... 43 4.3.2 上煤层开采时中部残煤顶底板移动变形分析 .................................................... 43 4.4 上下煤层开采对中部残煤顶底板应力分布影响分析 ............................................... 44 4.4.1 下煤层开采对中部残煤顶底板应力分布影响分析 ............................................ 44 4.4.2 上煤层开采对中部残煤顶底板应力分布影响分析 ............................................ 45 4.5 上下煤层开采对中部残煤采场围岩裂隙分布影响分析 ........................................... 46 4.5.1 下煤层开采后覆岩裂隙分布规律 ........................................................................ 46 4.5.2 上煤层开采后层间岩层裂隙分布规律 ................................................................ 47 4.6 本章小结 ....................................................................................................................... 48 第五章 基于数值模拟的中部残煤回采巷道合理位置确定 ................................................ 49 5.1 数值模拟方案 ............................................................................................................... 49 5.1.1 模型建立 ................................................................................................................ 49 5.1.2 开挖及监测 ............................................................................................................ 50 5.2 合理布巷区的位置 ....................................................................................................... 51 5.2.1 布巷区应力分布 .................................................................................................... 51 5.2.2 布巷区应力改变率分布 ........................................................................................ 52 5.3 不同水平位置巷道破坏特征及围岩变形量分析 ....................................................... 53 5.3.1 巷道破坏特征分析 ................................................................................................ 54 5.3.2 巷道围岩变形量分析 ............................................................................................ 56 5.4 相对层间距对中部残煤巷道布置的影响 ................................................................... 58 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 III 5.4.1 不同相对层间距情况下巷道破坏特征分析 ........................................................ 58 5.4.2 不同相对层间距情况下巷道围岩变形量分析 .................................................... 65 5.5 本章小结 ........................................................................................................................ 66 第六章 结论与展望 ................................................................................................................ 69 6.1 主要结论 ........................................................................................................................ 69 6.2 展望 ................................................................................................................................ 70 参考文献 .................................................................................................................................. 71 致谢 .......................................................................................................................................... 77 攻读硕士期间的学术成果与参加科研项目情况 .................................................................. 79 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景及意义 目前，我国的能源结构主要以煤炭资源为主，煤炭资源的消费量占能源消费总量的 很大比重 [1-3]。尽管近年来由于国家清洁能源政策的出台，煤炭消费量在一次能源中的 消费比例逐年下降，但目前以天然气为首的清洁能源并不能满足我国经济发展的迫切需 要， 煤炭资源在我国能源结构中的主体地位仍然不可动摇。 根据国家能源政策计划可知， 到 2020 年，煤炭消费量仍然要占一次能源消费量的 62％，预计到 2050 年，煤炭资源比 重依旧高达 45％以上[4,5]。因此，在未来的很长时间内，煤炭仍然是保障我国经济建设 的中坚力量。 煤炭作为不可再生的化石能源，煤炭资源的有限性及人类社会消费需求的无限性的 矛盾不断增长[6-9]。随着地质赋存条件简单的煤炭资源的逐渐枯竭以及煤炭资源需求量 的增加，急需进行复杂地质条件煤炭资源的开采。如何解决此矛盾，除不断探索新能源 的开发利用之外，针对之前矿井下残留的煤炭资源进行二次开采也是一个重要举措。残 煤复采不仅可以缓解煤炭供需矛盾，延长矿井服务年限，也可以提高煤炭资源回收率， 使残留的煤炭资源得到充分的利用，实现可持续发展[10,11]。 在煤炭资源的开采过程中，由于历史原因、技术工艺设备落后或人为原因，跨过一 些开采较为困难、经济利益较小的煤层，优先开采了厚度大、地质赋存条件好、经济利 益大的煤层，并且对其回收率不高，导致煤炭资源的浪费，残煤复采即是对这些残留煤 炭资源进行二次开采。这些残煤资源储量丰富，全国范围内残煤可采储量约 400 亿吨， 仅在山西境内据不完全统计可达 100 亿吨[12,13]。此外，残煤资源中的优质、稀缺煤种， 是重要的能源及化工原料，实现对这些残煤资源的安全复采，是保证全球能源供需平衡 及可持续发展的重要途径。残煤种类繁多，包括边角煤、小窑破坏残留煤、厚煤层残留 底煤、遗留煤柱、遗留薄煤层等。 煤层的赋存大多数是以煤层群为条件的，即这些残煤资源的复采基本上都要涉及上 下两层煤的采空区以及上下残留煤柱的影响， 这种残煤资源成为复合残采区整层残煤[14]。 因此需要在残煤开采前考虑上下煤层的双重采动影响，进行复合残采区中部整层残煤的 开采研究。 复合残采即是指近/极近距离煤层群具体地质赋存条件下， 优先开采了上下地质赋存 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 条件较好的优质的煤层，现由于煤炭资源匮乏以及可持续发展战略的推进，发现中部残 留的薄煤层仍具有较大的开采价值，这就促成了复合残采区中部整层残煤的开采。上下 煤层的开采方法的不同造成复合残采存在多种形式。总体概括为 4 种复合垮落式（上 下煤层均采用垮落法采煤） 、 下垮落上柱式 （下煤层采用垮落法上煤层采用柱式采煤法） 、 复合柱式（上下均采用柱式采煤法） 、下柱式上垮落式（下煤层采用柱式采煤法上煤层 采用垮落法）[14]。 复合残采区中部残煤开采时，由于地质环境条件更为复杂，在上下煤层的双重采动 影响下中部残煤应力重新分布、围岩破坏情况较为严重。残采区遗留的煤柱的存在，可 能导致重大事故发生，如冲击地压、煤与瓦斯突出、巷道围岩大变形等，对复合残采区 中部残煤的安全高效开采造成了不小的难题，而中部残煤回采巷道合理位置的选取是残 煤复采面临的首要问题。本文重点针对复合垮落式残采区中部残煤的巷道布置问题进行 研究，复合垮落式残采区如图 1-1 所示。 图 1-1 复合垮落式残采区 Fig. 1-1 Composite caving residual mining areas 与传统的单一煤层开采相比，复合垮落式残采区中部残煤受上下部煤层采动影响而 产生损伤，其顶底板结构区别于单一煤层开采。一方面，下部煤层卸压开采后，上覆中 部残煤在形成一定范围应力集中区和应力降低区的同时，还产生较大的移动变形，下部 采空区两侧上方中部残煤受采空区垮落影响下沉移动变形， 产生较多的裂隙、 甚至断裂， 影响了中部残煤的连续性和完整性；另一方面，上部煤层开采后，采空区垮落矸石与煤 壁侧煤柱使得中部残煤顶板完整性受到损伤，上下煤层开采双重采动影响，上下采空区 煤柱造成的应力传递不均匀性，导致中部残煤的应力环境和围岩破坏情况更加复杂，使 得中部残煤开采时易出现矿山压力显现异常，如回采巷道受下部采空区垮落影响围岩裂 隙较多，巷道难支护，工作面受上部采空影响发生冒顶