海下煤层开采合理确定开采上限研究.pdf

分类号分类号 TD807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 海海下下煤煤层层开开采采合合理理确确定定开开采采上上限限研研究究 刘建康刘建康 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矿业工程工程 指指导导教教师师姓姓名名蒋蒋 宇宇 静静职职称称教教授授 副副指指导导教教师师姓姓名名黄黄 寿寿 卿卿职职称称高高级级工工程程师师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二 0 一七年一七年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 海海下下煤煤层层开开采采合合理理确确定定开开采采上上限限研研究究 作者姓名作者姓名 刘刘 建建 康康入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 矿业矿业工程工程研究方向研究方向矿矿山山特特殊殊开开采采 指导教师指导教师 蒋蒋 宇宇 静静职职称称 教教授授 副副指指导导教教师师黄黄 寿寿 卿卿职职称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2017 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期2017 年年 6 月月 万方数据 TECHNOLOGICALSTUDY OF RESONABLY DETERMING THE UPPER LIMITS OF MINING ON UNDERSEA COALSEAM ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTEROFPHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Liu Jiankang Supervisor Professor Jiang Yujing College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。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。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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、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。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，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆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；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；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。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权）（保密的学位论文在解密后适用本授权） 硕士生签名硕士生签名导师签名导师签名 日日期期日日期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生刘建康刘建康在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内，按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 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，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 北皂煤矿作为国内首个海域下开采的矿井，其海域扩大区位于渤海境内。 北部煤层抬升位置处于海域扩大区的西部，煤层出露于浅部，海水下部为第四 系含水层，当煤层开挖至浅部时受到第四系含水层和海水的威胁。为了保证煤 层开挖不波及第四系含水层和海水，需合理留设防水煤柱。因此，合理留设防 水煤柱，科学确定煤层最大开采上限，是保障海域下矿井安全高效生产的重要 手段。 本文以北皂煤矿海域三采区 H2303 工作面为工程研究背景，在分析第四系 相对隔水层以及第四系底界岩层特性和分布规律的基础上，综合运用材料力学 理论计算法，得出了不同安全系数条件下的安全隔离层厚度。进一步运用规程 公式法、经验类比法、现场实测法计算得出煤层上覆岩层导水裂隙带最大高度。 同时，运用 FLAC3D有限元数值模拟技术，设置-190m、-180m、-170m、-160m 不同开切眼水平的开采方案， 对工作面覆岩的位移和破坏变化规律进行了模拟， 得出煤层覆岩导水裂隙带的最大扩展高度。综合分析，在考虑一定的安全系数 前提下，并留设一定保护层厚度，最终确定开采煤层的安全开采上限，进一步 提出了安全技术措施。同时，对海域下三采区防治水进行了安全性分析，分析 认为通过合理留设防水煤柱，严格控制开采深度，杜绝超限开采，可有效地防 范第四系水及海水对矿井生产影响。 关键词关键词海下开釆；开采上限；防水煤柱；导水裂隙带 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 II Abstract Beizao coal mine is Chinas first undersea coal mine in Bohai area.In the western part of the enlarged area of the North Sea, the coal seam in the northern part of the northern part of the coal mine is naturally uplifted, and the outcrop of the coal seam exists, and the upper part of the basin is covered with the Quaternary alluvial layer and the sea water.In order to ensure that there is no connection between the Quaternary and sea water in the shallow mining process, the working faceneedstobeequippedwithaquaternarywaterproofcoal pillar.Therefore, reasonable and scientific pillar is a key problem for safe and efficient production of the sea. In this paper, Beizao coal mine three mining area of H2303 working face as the engineering background, in the analysis of the Quaternary relatively impermeable layer and lower boundary of the Quaternary strata characteristics and distribution, using the of material mechanics and structural mechanics , natural arch theory, from the angle of the mechanics of rock beam model under the different safety factor safety isolation the layer thickness was calculated.The height of water flowing fractured zone in overlying strata of working face was calculated by using “three down“ ula, empirical analogy and field measurement.At the same time, using FLAC3Dfinite element numerical simulationtechnology,usingdifferentcutlevelminingscheme, displacement of the overlying strata and the variation of destruction was simulated, and the overburden water flowing fractured zone height was calculated .Based on the comprehensive analysis, considering the safety factor or the thickness of the protective layer, the upper limit of safe mining of H2303 working face in the three mining area of the North Sea is determined, and the safety technical measures are put forward.At the same time, this paper analyzes the safety of the three mining area. It is 万方数据 山东科技大学硕士学位论文摘要 III concluded that the effect of water and sea water on the production of coal mine can be effectively prevented by reasonable drainage of coal pillars, strict control of the mining depth, and prevention of over exploitation.And mine water prevention work is relatively easy to carry out. KeywordsMining undersea; Upper mining limit; Waterproof coal pillar; Water flowing fractured zone 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 IV 目目录录 摘要摘要.......................................................................................................... ⅠⅠ 目录目录..........................................................................................................IV 1 绪论绪论........................................................................................................ 1 1.1 课题的提出的背景及意义............................................................................1 1.2 水下采煤技术国内外研究现状....................................................................1 1.3 课题研究的主要内容、方法及技术路线....................................................3 2 海域扩大区地质特征及开采技术海域扩大区地质特征及开采技术........................................................5 2.1 矿区概况........................................................................................................5 2.2 地质特征........................................................................................................6 2.3 水文地质条件................................................................................................9 2.4 研究区地质及开采情况..............................................................................12 2.5 海域开采区充水关键因素分析..................................................................15 2.6 本章小结......................................................................................................18 3 覆岩变形规律理论分析和隔离层厚度计算覆岩变形规律理论分析和隔离层厚度计算.....................................20 3.1 海下开采基本理论......................................................................................20 3.2 海下合理开采上限的确定..........................................................................22 3.3 安全隔离层厚度力学模型与计算..............................................................24 3.4 本章小结......................................................................................................27 4 导水裂隙带高度计算导水裂隙带高度计算..........................................................................29 4.1 按规程公式计算..........................................................................................29 4.2 经验类比法计算..........................................................................................30 4.3 有限元数值模拟分析..................................................................................31 4.4 导水裂隙带高度实测..................................................................................39 4.5 本章小结......................................................................................................41 5 开采上限的确定及安全性分析开采上限的确定及安全性分析..........................................................43 5.1 开采上限的确定..........................................................................................43 5.2 安全开采技术措施......................................................................................46 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 V 5.3 海域下开采安全性分析..............................................................................47 5.4 本章小结......................................................................................................49 6 主要结论和展望主要结论和展望..................................................................................51 参考文献参考文献..................................................................................................53 攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果......................................................................59 万方数据 山东科技大学硕士学位论文目录 VI Contents 1 Introduction..............................................................................................................1 1.1 The background and significance of the topic...................................................................1 1.2 Research status of underwater mining technology at home and abroad............................1 1.3 The main contents, s and technical routes of the research.....................................3 2 The geological characteristics and mining technology of Beizao coal mine..................................................................................................................5 2.1 Mining area survey.............................................................................................................5 2.2 Geological characteristics.................................................................................................. 6 2.3 Hydrogeological condition.................................................................................................9 2.4 Geology and exploitation of the study area..................................................................... 12 2.5Analysis of key factors of water filling in sea area..........................................................15 2.6 Summary...........................................................................................................................18 3 Theoretical analysis and calculation of the thickness of overburden layer........................................................................................................................20 3.1 The basic theory of undersea mining...............................................................................20 3.2 To determine a reasonable upper limit of mining under the sea......................................22 3.3 Mechanical model and calculation of safety isolation layer thickness............................24 3.4 Summary...........................................................................................................................27 4 Calculation of the height of water flowing fractured zone.................................29 4.1 Results calculated according to the ula....................................................................29 4.2 Results calculated by empirical analogy..........................................................................30 4.3 The results of simulation calculation by finite element numerical..................................31 4.4Analysis of the height of the measured water flowing fractured zone............................ 39 4.5 Summary...........................................................................................................................41 5 Determination of mining upper limit and safety analysis..................................43 5.1 Determination of upper limit of mining...........................................................................43 5.2 Safety mining technical measures....................................................................................46 5.3 Safety analysis of mining under sea......................................................................47 5.4 Summary...........................................................................................................................49 6 Main conclusions and Prospects...........................................................................51 References..................................................................................................................53 Major achievements in the study of masters degree.............................................59 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 课题的提出课题的提出的背景及意义的背景及意义 我国是一个以煤为主要能源的国家[1]， 煤炭资源在非可再生能源中所占比例 约为百分之九十。煤炭资源分布较为广泛，不仅陆地区域储藏着大量的煤炭， 而海域水体下煤炭资源储量也很可观，目前龙口海域己查明煤炭地质储量达十 亿多吨。海域下采煤不存在地面塌陷下沉导致田地和建筑物破坏等问题，可大 大节省田地塌陷和村庄搬迁等费用，从而降低开采成本。但海下采煤面临受水 威胁较大，因此海下安全开采研究意义重大。 北皂煤矿作为国内首个海域下开采的矿井[2]，其海域扩大区位于渤海境内。 北部煤层抬升位置处于海域扩大区的西部，煤层出露于浅部，海水下部为第四 系含水层，当煤层开挖至浅部时受到第四系含水层和海水的威胁。为了保证煤 层开挖不波及第四系含水层和海水，需合理留设防水煤柱。因此，合理留设防 水煤柱，科学确定煤层最大开采上限，是保障海域下矿井安全高效生产的重要 手段。 多年来，我国水体下采煤已积累了丰富的经验[3-8]，同时相关理论也得到发 展。近年来，虽然不少学者对对水下采煤问题进行了详细深入的研究，但是水 下煤层安全开采仍然是重要的研究方向。海下采煤不同于陆地的关键在于防海 水溃入， 首要问题是需要进行采空区上覆岩层破坏规律[9-11]及导水裂隙带发育高 度研究[12-13]。煤层上覆岩层的移动和破坏规律的研究是合理确定开采上限的基 础，因此确定出覆岩移动和破坏高度，就可以确定煤层的开采上限，从而实现 海底矿井的安全生产。在保证安全开采的前提下，尽可能减小留设防水煤柱高 度，甚至不留或少留防水煤柱，提高煤炭的才出率。对煤炭安全开采、增加矿 井服务年限、降低开采成本等方面有重要的意义。 1.2 水下采煤水下采煤技术技术国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国外海下开采研究现状国外海下开采研究现状 世界上进行过海下采煤的国家[14-17]，如英国、澳大利亚、日本、加拿大和 智利，房柱式采煤方法较为普遍，长壁式采煤法则较为少见。国外海下采煤经 历了将近一个世纪，英国、日本、加拿大分别于 1560 年、1863 年、1874 年进 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 行了海下煤层的开采。 国外海下采煤同样进行开采安全的评价，尤其依据一系列的法律规程，这 些法律规程在现场实践中不断验证和修改完善[18-22]。 日本煤矿保安规程对海下采煤规则和安全技术措施进行了原则性的规定。 1975 年，澳大利亚制定海下采煤指南草案，严格规定了水体下煤层开采的 方式方法。有资料记载，澳大利亚采用房柱式开采煤层时，最小安全隔离层控 制在 120 呎36.58m以上，以确保安全开采。澳大利亚依据开采经验，重点研究 开采导致的覆岩运动和破坏规律，归纳总结出破坏带高度经验公式。英国则通 过综合考虑不同采煤方法、开采顺序、巷道布置及地质资料的分析，严格控制 工作面的涌水量。 近年来，国外学者对导水裂隙带的理论研究也有了长足发展[23-28]，并制定 了符合本国实际的相关规程和法律。英国于 1968 年制定了海下采煤的规程，严 格规定了进行安全开采的覆岩组成、厚度及开采方式。日本根据多个海下矿井 开采的成功经验，制定了详细的防治水措施，并严格规定了海下采煤的条件。 俄罗斯于 1973 年制定了导水裂隙带高度确定的方法依据准则， 并提出了安全开 采的规程，依据覆岩岩层厚度、煤层开采厚度、开采方式等不同条件综合确定 开采上限，但缺少相关理论研究。 1.2.2 国内水体下开采研究现状国内水体下开采研究现状 国内对陆地水下煤层开采的研究已达四十多年的历史，不仅开采理论得到 长足发展，而且具有鲜明特色，开采水平处于国际领先地位。 根据统计，国内已成功安全开采近千个陆地水体下采煤工作面[29]，煤炭产 量呈上升趋势，具有丰富的水下开采实践经验。山东、河北等地煤层同受第三、 第四系含水层的影响，进行了大量的开采实践研究[30-35]；不少研究针对阜新清 河[36]、河北绵河[37]、本溪太子河[38]、南桐蒲河[39]、湖南资江漫滩[40]、广西合山 南洪水库[41]及微山湖[42]等大型水体下采煤开采进行开展，取得丰富的开采实践 经验。 上世纪 80 年代以来，大量国内学者对水下煤层的安全开采进行了深入研 究，获得了可观的理论和实践突破。邓喀中[43]在 1993 年研究了开采沉陷的结构 效应； 杨硕[44]于 1994 年研究总结出覆岩移动沉降的力学模型； 麻凤海[45]在 1996 年结合离散元法分析了覆岩变形和移动的规律； 赵经彻等[46]于 1997 年依据实用 万方数据 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 矿山压力理论，结合不同采厚条件，对覆岩“三带”高度进行了分析研究，并 提出相应的计算模型；钱鸣高等[47-50]于 1997 年至 2004 年结合室内相似模拟试 验、数字图像分析法、数值模拟法等综合手段，对采场覆岩破坏和移动规律进 行了研究，总结出覆岩破坏带发展规律和“O”形圈的分布规律，同时进行了现 场实践应用测试， 取得了良好效果； 梁运培、 文光才[51]于 2000 年应用理论分析、 导水裂隙带高度计算及数值模拟等方法，定量划分了“三带”高度；黄庆享[52] 于 2000 年，设计了独特的相似模拟实验系统，分析研究了浅埋煤层覆岩破坏规 律；张永波等[53]于 2004 年从覆岩裂隙的成型原理出发，运用相似模拟方法，结 合分形几何研究方法，对覆岩“三带”分布规律和裂隙发展规律进行了研究。 涂敏等[54]于 2004 年综合分析地质资料，对厚松散岩层、超薄覆岩及基岩氧化带 岩性性质的详细分析，结合室内相似模拟试验和有限元数值模拟方法，采用不 同采放比的对比方案，对覆岩垮落带和导水裂隙带高度进行分析估算。 虽然我国在江、河、湖泊和水库等一般水体下开采积累了丰富的经验，但 海域下采煤研究在我国少有研究，没有针对海域下采煤特殊条件进行全面、系 统地研究和实验，更缺少海域下采煤实践经验。尽管国内外有关水下导水裂隙 带的研究成果对确定水水体下煤层开采上限的研究奠定一定的基础，但是龙口 矿区海域下部分煤体埋深在-200m 以上，采场覆岩移动和变形具有一定的特殊 性。因此，研究其采场覆岩裂隙发育过程和发育高度，合理留设防水煤柱，确 定开采上限，是目前急需解决的重要问题。 1.3 课题研究的主要内容、方法课题研究的主要内容、方法及技术路线及技术路线 本文以北皂煤矿海域三采区 H2303 工作面为工程研究背景，针对海域矿井 覆岩类型和开采条件，运用理论分析法、规程公式计算法、经验类比法、现场 实测法以及数值分析法合理设计和确定水体下采煤安全开采上限范围，为矿山 的安全生产提供参考。本文主要研究内容和研究方法如下 （1）北皂煤矿海域开采工程地质条件