海湾矿房采采空区上覆煤层安全开采研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 Furtherly, through the combination of numerical simulation and analogical scores s, a comprehensive demonstration of the feasibility of overmining were carried out., it is feasible for overmining under room mining gob of Hai Wan coal mine. Finally, a number of safety technical measures in the process of overmining have been ulated in order to ensure the safety of the overmining. Key words Room mining god; Stability of coal pillar and roof; Feasibility analysis; Numerical modeling Thesis Application Research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及意义 ....................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状及发展趋势 ................................................................................... 1 1.2.1 国外采空区上覆煤层开采技术研究现状 ....................................................... 1 1.2.2 国内采空区上覆煤层开采技术研究现状 ....................................................... 3 1.2.3 煤柱稳定性研究现状 ....................................................................................... 6 1.3 主要研究内容与方法 ............................................................................................... 8 1.3.1 主要研究内容 ................................................................................................... 8 1.3.2 研究方法 ........................................................................................................... 8 1.4 技术路线 ................................................................................................................... 9 2 地质采矿条件分析 ....................................................................................................... 11 2.1 矿区地形地貌概况 ................................................................................................. 11 2.2 矿井地质条件 ......................................................................................................... 11 2.2.1 井田地层 ......................................................................................................... 11 2.2.2 地质构造 ......................................................................................................... 12 2.2.3 煤层 ................................................................................................................. 12 2.2.4 矿井水文地质条件 ......................................................................................... 13 2.3 其他开采技术条件 ................................................................................................. 13 2.4 房采采空区及上煤层开采区地质采矿条件分析 ................................................. 14 2.4.1 研究区地质采矿条件分析 ............................................................................. 15 2.4.2 海湾煤矿安全开采影响因素分析 ................................................................. 15 2.5 本章小结 ................................................................................................................. 17 3 5-2煤房采采空区上覆 4-2煤开采可行性分析 ............................................................. 18 3.1 房采采空区上煤层开采的理论判定 ..................................................................... 18 3.1.1 比值判别法 ..................................................................................................... 18 3.1.2 “三带”判别法 ................................................................................................... 19 3.1.3 围岩平衡法 ..................................................................................................... 23 3.1.4 数理统计法 ..................................................................................................... 24 万方数据 目录 II 3.1.5 上煤层开采时间要求 ..................................................................................... 24 3.2 房采采空区上煤层开采可行性类比分析 ............................................................. 25 3.2.1 类比分析的选择依据 ..................................................................................... 25 3.2.2 类比分析内容及结论 ..................................................................................... 28 3.3 海湾煤矿上煤层开采综合判别 ............................................................................. 28 3.4 本章小结 ................................................................................................................. 29 4 海湾煤矿 5-2煤层房采采空区稳定性分析 ................................................................. 30 4.1 上覆 4-2煤开采前房采采空区稳定性评价 ........................................................... 30 4.1.1 房柱稳定性理论分析计算 ............................................................................. 30 4.1.2 海湾煤矿 5-2煤层开采区房柱稳定性验算 ................................................... 32 4.1.3 海湾煤矿 5-2煤层开采区顶板稳定性分析 ................................................... 33 4.1.4 上覆 4-2煤开采前 5-2煤层房采采空区稳定性分析 ..................................... 34 4.2 上覆 4-2煤开采后房采采空区稳定性分析 ........................................................... 34 4.3 数值模拟计算分析 ................................................................................................. 35 4.3.1 UDEC 数值模拟法简介 .................................................................................. 35 4.3.2 数值模拟模型的建立 ..................................................................................... 35 4.3.3 模拟结果与分析 ............................................................................................. 38 4.4 本章小结 ................................................................................................................. 42 5 海湾煤矿 4-2煤层安全开采方案 ................................................................................. 44 5.1 开采方案 ................................................................................................................. 44 5.2 开采期间矿压观测方案 ......................................................................................... 44 5.3 安全技术措施 ......................................................................................................... 45 6 结论与展望 ................................................................................................................... 46 6.1 结论 ......................................................................................................................... 46 6.2 展望 ......................................................................................................................... 46 致 谢 ............................................................................................................................... 47 参考文献 ........................................................................................................................... 48 附 录 ............................................................................................................................... 53 攻读硕士学位期间参与的项目 ................................................................................... 53 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及意义 煤炭作为能源之一， 目前在我国一次能源消费当中和国民经济发展过程中仍处于重 要的战略结构地位和起到关键的重要。通常，对于地下煤层资源开采而言，绝大多数情 况下煤层群采用先采上煤层再采下煤层从上而下的开采方式[1]。然而，实际生产当中， 很多矿区因为地质勘探不详、关闭小煤矿开采或追求经济利益等种种原因，煤层群采用 自下而上的特殊开采方式，形成下方为采空区而需要开采上覆煤层的局面[1-4]。在某些 地质及开采技术条件下，进行采空区上覆煤层开采，对高效生产、提高资源回收率、延 长矿井开采年限等都有特别重要的意义。 海湾煤矿位于神木市孙家岔镇海湾村，井田面积 37.2385 km2，主采煤层为 4-2、5-2 煤层； 4-2煤层为上煤层， 平均厚度 2 m， 含 13 层夹矸； 5-2煤为下煤层， 平均厚度 2.5 m； 两煤层均为近水平，地质条件简单，两煤层层间距平均约 65 m。海湾煤矿原系统采用房 式采煤法在井底附近形成了一定范围的 5-2煤层房采采空区。矿井机械化改造升级后， 矿井开拓部署为采用长壁综合机械化开采 4-2煤层。按照矿井工作面整体布置情况，4-2 煤层 421 盘区 42105、42106、42107 三个综采工作面位于原 5-2煤房采采空区上，从而 形成了海湾煤矿下伏 5-2煤房采采空区条件下开采上覆 4-2煤层这一特殊开采局面。但在 5-2煤层房采采空区条件下进行上覆 4-2煤开采是否可行，是否存在安全生产隐患，是确 保矿井安全生产首先要解决的技术问题。为此，对海湾煤矿 5-2煤层房采采空区条件下 安全进行上覆 4-2煤层开采可行性的研究就显得尤为必要。 由上可知，海湾煤矿下伏 5-2煤层房采采空区条件下进行上覆 4-2煤层开采不仅对延 长海湾煤矿矿井服务年限、解放煤量、提高煤炭资源回收率和矿井经济效益，缓解矿井 采掘接替紧张局面， 同时也为其他矿井类似条件下的安全回采提供指导等都具有重要的 现实意义和经济效益， 更重要的是符合我国煤炭开采过程中节约资源和建设节约型矿井 的原则。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 国外采空区上覆煤层开采技术研究现状 国外主要煤炭生产国家（波兰、前苏联、美国等）均在采空区条件下进行上覆煤层 开采均积累了丰富的开采实践经验和开展了大量的研究[1-4]。其中，波兰在建筑物及铁 路下采煤时，部分采用了先采煤层再在下煤层采空区条件下进行上覆煤层开采；在美国 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 煤层群开采储量约占总储量的 68， 而相当多的矿井均存在采空区条件下进行上覆煤层 开采成果和经验。 1）波兰应用及研究情况 波兰埋深 1000 m 以上建筑物下压煤高达 110 亿 t，在建筑物及铁路下采煤时，为确 保受护对象安全运行，常采用先采下煤层，再在下煤层采空区条件下进行上煤层开采。 波兰在单一和多层采空区条件下进行上煤层开采实践的主要经验如下 （1）当下部为单一采空区时可成功进行上煤层开采的经验采动影响倍数（上、 下煤层之间的层间距（H）与下煤层采高（M）之比定义为采动影响倍数）K＞6.0， 反之，当K＜6.0 时，不能进行上煤层开采，主要原因为上煤层受到不同程度的严重破 坏。 （2）当下部为多层采空区时可成功进行上煤层开采的经验综合采动影响倍数 Z K ＝6.3，当 Z K＜5 时，上煤层需采取一定技术措施后可以开采，虽然此时上煤层已受到 不同程度的破坏。 （3）上、下两个煤层开采的间隔时间的经验为下煤层开采结束 1 年以上才能进 行上煤层开采。 波兰学者研究认为，上、下煤层之间层间距的大小是影响采空区条件下进行上覆煤 层开采的主要条件之一。代表性的论点为M.胡德克等人认为，层间距与采高成正比， 而与岩石碎胀系数及冒落矸石压缩率成反比关系，即计算公式如下     1 1 1 p K M H （1.1） 式中，H 上、下煤层的层间距，m； M 下煤层采高，m； Kp 岩石碎胀系数； η 冒落矸石压缩率。 2）前苏联实践经验及研究现状 前苏联煤矿在采空区上进行上煤层开采的成功实例很多， 并获得了丰富的实践经验 及科学研究成果[2-4]。主要成果和实践经验如下 （1） 当下部为单一采空区时可成功进行倾斜上煤层开采的经验为 采动影响倍数K ≥10；反之，K＜10，因上煤层受到不同程度的破坏，需要采取一定技术措施。 （2）开采缓倾斜和倾斜煤层时，在上煤层与下煤层采空区层间距为 18～85 m 的情 况下，上煤层开采与下煤层的间隔时间为 3～12 个月，即上煤层需在下煤层采空区开采 结束 3～12 个月后开采可行。 前苏联学者代表性的观点和主要研究成果有B.Ⅱ.斯列沙烈夫认为，上煤层与下煤 层采空区层间层间距大于垮落带高度，上煤层可以进行开采，并用下式（1.2）计算 万方数据 1 绪论 3 cos1  p K M H （1.2） 式中，H上、 下煤层的层间距， m；M下煤层采空区采高， m； p K岩石碎胀系数。 3）美国开采实践经验及研究现状 美国在采空区上进行上煤层开采方面的研究特点在于考虑更多的指标来判别上煤 层开采的可行性，建立的预测模型或评价公式通常考虑时间间隔因素，在上、下煤层开 采时间间隔方面，普遍认为上煤层开采应该是在下煤层采空区开采达到稳定后进行，一 般认为时间间隔为 5 年以上[5-9]。美国学者代表性观点Luo、Mark，C 等认为[10-13]，尽 管在层间距、开采高度、时间等因素与上部煤层的破坏程度之间的定量关系方面开展了 大量的研究工作，但是由于数据过于离散，很难得出他们之间的关系。 1.2.2 国内采空区上覆煤层开采技术研究现状 我国一些矿井受资源枯竭、冲击地压、部分开采（例如房采采空区、刀柱式采空区 等）遗留采空区、煤与瓦斯突出、地质勘查资料不详等因素的影响，从不同角度都提出 了先采下煤层，然后再在下煤层采空区条件下进行上覆煤层开采问题，并针对各自具体 地质采矿情况，开展了相应的研究与试验工作[1-4]。从上世纪 70 年代开始引起了我国采 矿界广泛的关注与研究后， 80 年代以来， 采空区条件下上煤层开采技术己成功用于煤矿 设计、矿井技术改造及老矿区（矿井）的复采工作中，特别是地方煤矿复采老矿井采空 区上方丢弃的煤炭资源。我国主要产煤大省，例如山东、山西、河北、河南、安徽、东 北、新疆、内蒙古等省市自治区的多个煤矿单位与科研院校、企业合作均对采空区条件 下上煤层开采进行了广泛的理论研究和开采实践， 取得了较丰富的实践经验和理论依据。 为了进行采空区条件下上煤层开采技术的研究、应用与推广，我国进行了大量的观 测研究和现场实践工作， 并对采空区条件下上煤层开采可行性的基本原则和判别方法进 行了总结和归纳。 我国学者和开采实践认为采空区条件下上煤层开采基本原则为下部煤 层采空区不破坏上部煤层的连续性和完整性时上煤层可开采。 采空区条件下上煤层开采 判别方法主要有比值判别法、“三带”判别法、围岩平衡法、数理统计法等[14-16]。 根据采动影响倍数， 我国部分煤矿下部单一采空区条件下进行上煤层开采的实例见 表 1.1表 1.2。此外，也有下部多层采空区条件下进行上煤层开采的成功实例[3]。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 表表 1.1 我我国部分煤矿国部分煤矿单一采空区上覆煤层开采时采动影响倍数单一采空区上覆煤层开采时采动影响倍数 K≤≤7 的实例的实例 矿井名称 , , m m 采高下煤层号 采高上煤层号 煤层倾 角 煤层 间距 m M H K  层间岩性 采煤 方法 间隔时间 月 上煤层 开采情况 备注 蛟河矿六井 0 . 14 5 . 13 ，号 ，号 1418 4 4 砂岩为主 长壁 垮落 156 中央区正常达缘 区最大断裂0.5 m 三斜井 煤柱 吕家坨矿 6 . 14 . 19 0 . 287 ，号 ，号、 1015 10 6.7 砂岩 40， 页岩 60 长壁 垮落 采掘正常,底板裂 缝 40 mm,漏风 开滦 唐家庄矿 2 . 512 21. 111 ，号 ，号 18124 17.3 3.3 细砂岩 72，其余 为页岩 长壁 垮落 48 采掘正常 中梁山矿南 井 8 . 02 0 . 31 ，号 ，号 55 5.5 6.9 石灰岩、页 岩互层 长壁 垮落 18 局部地方煤层脱 离顶板、底板有 裂缝，自然发火 3 个采面 平顶山 矿务局七矿 0 . 2 4 . 1 1716 15 ，已 ，已 上－ 9.98 9.93 5.0 碳质泥岩、 碳质泥财、 泥岩 长壁 垮落 4 掘进，采煤正常 已一采区 上部 平顶山 矿务局七矿 0 . 2 4 . 1 1716 15 ，已 ，已 上－ 512 10.25 5.1 砂质泥岩、 碳质泥岩、 泥岩 长壁 垮落 12 采煤，掘进正常 已一上山 采区 大同 同家梁矿 0 . 28 . 18 5 . 14 . 17 ，号 ，号 34 11.4 6 白色砂岩 长壁 垮落 180 采掘正常，煤层 离层、松软 三个采面 东一下山 湖南洪山煤 矿鲤鱼塘矿 96. 1 4 . 2 ，下分层 ，上分层 2331 4.51 3 2.36.63 页岩 长壁 垮落 12 底板有裂缝。支 柱“穿鞋”地,顺 利采出上分层 西山白家庄 矿松树坑 0 . 48 2 . 16 ，号 ，号 38 24.9 6.2 灰岩、砂质 页岩、页岩 刀柱 垮落 12 采掘正常 8 个采面 白家庄矿小 南坑 0 . 48 2 . 16 ，号 ，号 37 24.9 6.2 灰岩、砂质、 页岩互层 刀柱 垮落 12 采掘正常 4 个采面 杜儿坪矿西 二采区 0 . 48 9 . 07 ，号 ，号 25 20.5 5.1 砂岩、灰岩、 页岩互层 长壁 刀柱 1860 掘巷时个别地点 底板有裂缝,漏瓦 斯,生产正常 6 个采面 杜儿坪矿东 二下山盘区 0 . 48 9 . 07 ，号 ，号 25 20.5 5.1 砂岩、灰岩、 页岩互层 长壁 刀柱 12 采掘正常 2 个采面 万方数据 1 绪论 5 表表 1.2 我国部分煤矿我国部分煤矿单一采空区上覆煤层开采时采动影响倍数单一采空区上覆煤层开采时采动影响倍数 7＜＜K 的实例的实例 矿井名称 , , m m 采高下煤层号 采高上煤层号 煤层 倾角 煤层间距 m M H K  层间岩性 采煤 方法 间隔时间 月 上煤层 开采情况 备注 城子河煤矿 3 . 1B36 4 . 137 ， ，号 12 16 12.3 砂岩、页岩 长壁 垮落 12 顶板易冒落， 采掘正常 西一采区 37 号左三 城子河煤矿 1 . 124 74. 125 ，号 ，号 20 10 9.1 砂岩、页岩 长壁 垮落 17 采掘正常 东二采区 25 号左 城子河煤矿 1 . 124 0 . 225 ，号 ，号 31 10 9.1 砂岩、页岩 长壁 垮落 14 采掘正常 东二采区 25 号左五 半 城子河煤矿 1 . 124 9 . 125 ，号 ，号 1788 10 9.1 砂岩、页岩 长壁 垮落 18 采掘正常 东二采区 25 号左六 大同 永定主矿 4 . 3311 3 . 12 . 19 ，号 ，号 56 35 10.9 中、 细砂岩夹 薄层页岩、 砂 质页岩 长壁 垮落 108204 采掘正常 102 盘区 6 个采面 蛟河矿五井 0 . 26 8 . 05 1 4 ，号 ，号   8 22 11 砂岩为主 长壁 垮落 168 采掘正常 鸡西新矿 三井 0 . 24 2 . 15 ，号 ，号 18 30 15 坚硬砂岩 长壁 垮落 3.6 采掘正常 二块段 大屯 孔庄煤矿 0 . 29 . 18 0 . 35 . 27 ，号 ，号 25 25 12.5 中、细砂岩、 砂质泥岩互 层 长壁 垮落 东一采区 甘霖矿 黄贝井 02. 118 63. 017 ，号 ，号 13.5 13.5 13.2 中砂岩、 泥页 长壁 垮落 90 采掘正常 1702 采面 资兴 唐洞煤矿 2 . 24 2 . 13 ，号 ，号 2830 2427 11.6 砂岩 45， 砂 质页岩 39， 煤 6 长壁 垮落 同时重 叠开采 顶板破碎，支 柱钻底，生产 正常 八一井 台吉矿一井 8 . 03 3 ，C A 46 8 10 坚硬砂岩 长壁 垮落 采掘正常 中梁山矿北 井 8 . 02 5 . 21 ，号 ，号 67 6.5 8.1 石灰岩、 页岩 互层 长壁 垮落 12 采掘正常 2 个采面 开滦 唐山矿 23. 212 73. 59 ，号 ，号 515 16.8 7.2 泥质页岩 为主 长壁 垮落 23 采掘正常 2 个采面 开滦 马家沟矿 0 . 712 5 . 49 ，号 ，号 4345 52 7.4 页岩为主 长壁 垮落 72 采掘正常 2 个采面 合山矿务局 东矿 0 . 14 6 . 14 ， ， 下 上 611 4.5313.71 4.513.7 坚硬致密燧 石灰岩， 0.81.5 m 硅 质岩 长壁 垮落 24 顶板有细裂， 局部煤层与顶 板离层 0.2 m。 采煤正常 10 个采面 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 目前，我国采空区条件下进行上煤层开采已积累成熟经验，采取的主要手段或方法 包括传统公式经验论证[1-4,14-18]（例如“三带”法、比值法、数理统计法等）、理论分 析[19]、数值模拟（FLAC2D/3D、UDEC 等）和相似模拟[20-24]，现场监测和采取一定技 术措施[20-21,25-29]（例如矿压监测、底板变形监测、加强支护、加强支架升架管理）等。 这些手段通常以传统经验公式论证为基础， 再辅以数值或相似模拟手段进行进一步论证， 最后进行现场监测和应用，并采取一些技术措施，以检验和确保采空区条件下上煤层开 采可行性论证的成败和现场安全实施。 经过多年的探索、发展和应用，我国已成功在长壁垮落采空区条件下进行上煤层开 采，目前技术已渐成熟，能满足现场应用[30-35]。可是，在一些特殊条件下虽然进行了一 些现场试验， 也取得了一定的经验但尚有不足， 例如近距离煤层开采[20-25]、 部分开采 （例 如房采、刀柱开采、巷采、残采区、残留小煤柱等[36-39]）形成采空区条件下上煤层开采 等，仍有许多问题有待进一步研究。 1.2.3 煤柱稳定性研究现状 煤矿生产过程中由于采煤工艺、 安全生产等需要常常需要根据受护对象在其附近留 设一定尺寸的煤柱不开采[1,40-43]。这些煤柱主要包括煤矿开拓期间的煤柱，例如井筒、 石门、大巷和上下山煤柱等；工作面开采期间的煤柱，例如区段煤柱；建（构）筑物、 水体和铁路（简称“三下”）压覆的保护煤柱；采用部分采煤法留设的煤柱，例如条带开 采留设的条带煤柱、刀柱开采留设的煤柱和房式开采留设的煤柱；以及其他特殊地质采 矿条件下留设的煤柱，包括煤矿留设的边界隔离煤柱，特殊构造下留设的煤柱（例如断 层煤柱）和煤矿开采时候留下的边角煤柱、三角煤柱等等。这些煤柱在起到保护煤矿安 全生产作用的同时，也对矿井资源造成损失，更重要的是给煤矿井上下安全带来隐患。 例如，房式采煤法留设的煤柱经过长期的风化、水浸以及外载荷等作用下突然失稳，从 而导致顶板和地表产生突然塌陷，从而对岩层内的生产作业、巷道设备和地表的土地、 建筑物以及人民的生命财产等造成无法估量的损失。为此，需要对煤矿井下留设的煤柱 的稳定性进行特别关注， 对其进行稳定性分析是确保煤矿安全生产和可持续发展必须开 展的工作之一。 煤柱稳定性受影响因素繁杂[40-46]，主要包括煤柱地质采矿属性和外界诱因。煤柱地 质采矿属性包括煤柱的埋深、留设宽度和长度、煤柱的采高、煤柱区域采出率、煤柱的 形状、煤柱的分布、煤柱的可燃性、煤柱的内部结构、煤柱及其顶底板等围岩的物理力 学参数（尤其是抗压强度、粘聚力和内摩擦角等），煤柱上覆岩层的性质（尤其是否存 在厚度大的坚硬岩层）、工作面推进速度、煤柱支护方式、煤柱所在的采空区面积大小 等。外界诱因主要包括煤柱是否受到风化、自燃、水浸、开采扰动、外载荷、煤柱受力 环境等因素。 万方数据 1 绪论 7 虽然影响煤柱稳定性的因素很多，包括很难或不可能改变的不可控因素，例如地质 因素， 以及可控的采矿因素， 并且这些影响因素与煤柱稳定性间的关系也很难定量确定， 但并不影响对煤柱稳定性的研究和应用， 通常认为煤柱的稳定性主要与煤柱的宽高比有 关，围绕煤柱稳定性如何判别目前国内外的研究非常丰富[40-62]，取得了大量的生产经验 和理论成果，一般认为已有成果可指导现场的生产应用。已有研究和应用表明，煤柱稳 定性判别方法可通过理论分析、经验公式法、现场实测和数值模拟法等多种定性和定量 相结合的方法进行判别[40-51]。其中，经验公式法中应用较多的方法是安全系数法，即通 过确定煤柱受载荷与煤柱自身强度的比值来判别煤柱的稳定性，煤柱稳定性安全系数 F煤柱强度 σ/煤柱应力 S。我国煤矿采空区岩土工程勘察规范给出了利用安全系数 F 确定煤柱稳定性判别标准如下F2.0，煤柱处于稳定状态。 煤柱所受载荷的确定是煤柱稳定性分析的基础， 载荷确定方法根据留设煤柱类型不 同有不同的计算方法。对于条带煤柱载荷的确定方法主要包括有效面积理论、压力拱理 论和两区约束理论等[44]。而对于房式采空区内留设的煤柱稳定性分析而言，房式采空区 留设煤柱载荷的确定使用最多的是辅助面积法[40-42]，该法在工程应用中常采用，具有简 单易行、应用广泛等优点。其实质是仅考虑留设煤柱围岩的自重应力场，并认为采空区 及煤柱上方的覆岩重量全部由留设煤柱所承担。 房式采空区煤柱载荷辅助面积法煤柱应 力计算公式见公式（1.3）。 p r H WBBL S W L    （1.3） 式中，r 为煤柱上覆岩层平均容重，kN/m3；H 为采深，m；W 为煤柱宽度，m；B 为煤 房宽度，m；L 为留设煤柱长度，m。 煤柱强度的确定是煤柱稳定性分析的关键。 房采采空区留设煤柱强度的确定国内外 进行了大量的研究[42-43,46]，准确确定煤柱强度十分困难，至今对其热度不减，提出了多 种有关煤柱强度的计算公式， 研究最多的是煤柱强度与煤柱宽高比之间的函数关系的确 定， 多数成果指出煤柱强度与煤柱宽高比呈线性关系， 也有指出呈指数关系的， 见表 1.3。 表表 1.3 国内外常用煤柱强度经