深部厚煤层建筑物下二次条带开采技术研究.pdf

分类号分类号 TD823 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 深深部部厚煤层建筑物下厚煤层建筑物下二次二次条带开采条带开采 技术研究技术研究 张贵银张贵银 申请学位级别申请学位级别 硕士学位硕士学位 专业专业名名称称 采矿采矿工程工程 指导教师姓名指导教师姓名 郭郭 忠忠 平平 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二 一一六六年六月年六月 万方数据 论文题目论文题目 深深部部厚煤层建筑物下厚煤层建筑物下二次二次条带开采技术研究条带开采技术研究 作者姓名作者姓名 张贵银张贵银 入学时间入学时间 2013 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿采矿工程工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 指导教师指导教师 郭郭 忠忠 平平 职职 称称 教教 授授 论文提交日期论文提交日期 2016 年年 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期 2016 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 RESEARCH ON THE TWICE STRIPE MINING TECHNOLOGY IN DEEP AND THICK COAL SEAM UNDER BUILDINGS A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhang Guiyin Supervisor Professor Guo Zhongping College of Mining and Safety Engineering June 2016 万方数据 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION I declare that this dissertation，，ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology，，is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 条带开采作为“三下”开采重要的采煤方法之一，在我国中东部矿区被广泛应用，但 深部厚煤层大采宽条带开采的应用刚刚起步， 目前还存在诸多问题值得进一步深入研究。 本文在综合运用理论分析、数值模拟和现场监测等多种研究方法的基础上，对朝阳煤矿 深部厚煤层建筑物下二次条带开采进行了系统的研究，论文获得如下成果 （1）分析了深部条带煤柱的一般力学特性，对影响煤柱长期稳定性的地质条件、采 矿技术等因素进行了研究，建立了“煤柱覆岩”系统力学模型，并结合突变理论，分析 了条带煤柱发生突变失稳的条件。 （2）通过对朝阳煤矿 3下煤层覆岩关键层划分，并结合东焦村下条带开采的原则与 要求，初步提出了 3 个二次条带开采方案；对国内部分矿区条带开采地表移动变形规律 进行了统计分析，得出了适合朝阳煤矿三一采区条件下的岩移预计参数公式，并采用概 率积分法对各方案地表移动变形进行了预计。 （3）通过理论计算和 FLAC3D数值模拟结果进行了分析，通过对开采沉陷进行了模 拟计算，验证了条带开采地表岩移预计参数选取的正确性，并对条带开采煤柱塑性区和 应力分布规律进行了研究，最终确定了朝阳煤矿三一采区二次条带开采方案。 （4）对三一采区二次条带开采工作面进行了设计，并提出了“一种注浆固结并预留 小煤柱的沿空掘巷方法”和“一种防止煤柱冲击的护巷方法”， 同时基于巨厚砾岩条件下覆 岩结构演化规律分析了朝阳煤矿冲击危险性发生机理，对回采巷道支护防冲能力进行了 计算。 关键词关键词深部厚煤层；二次条带开采；煤柱稳定性；突变理论；数值模拟 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 ABSTRACT A strip mining ,as the exploitation of one of the important mining , it has been widely used in our country in the eastern mining area, but large mining width of strip mining in deep thick coal seam has just started ,and now there are many problems worthy of further study. This paper has researched Chaoyang coal mine deep thick coal seam under buildings with mining system ,based on use of theoretical analysis, numerical simulation and field monitoring and a variety of research s . 1 We did some Analysis of deep strip pillar general mechanical properties, researched the geological conditions and mining technology that long-term influent coal pillar stability,established the mechanical model of the coal column overlying rock system ,and gave a mutation conditions of instability of coal pillar belt,based on the catastrophe theory. 2 Dividing the Chaoyang Coal Mine three coal seam overburden key layer and combined with Jiao Dong Cun strip mining under the principles and requirements, we initially proposed the three second with mining ; based on the statistical analysis of parts of mine strip mining surface movement and deation rules, we concluded the prediction ula parameter for Chaoyang Coal Mine Trinity mining area under the condition of rock movement, and predicted the surface movement deation by probability integral . 3 Through theoretical calculation and FLAC3D numerical simulation and simulating the mining subsidence, we verified the correctness of the estimated parameters of the surface rock movement in strip mining, studied the plastic zone of coal pillar and stress distribution in strip mining,simulated the mining subsidence and concluded two strip mining scheme of the Chaoyang Coal Mine 31 mining area. 4We designed secondary strip mining working face of three-one mining area, and proposed “ for grouting consolidation and retaining small coal pillar along goaf” and “Protecting Lane for preventing coal pillar impact”,and, based on the analysis of the evolution law of the overlying strata structure under the condition of the giant thick conglomerate, we calculated the anti impact ability of support in mining roadway. 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 KeywordsDeep thick coal seam; Two strip mining; Coal pillar stability; Catastrophe theory; Numerical simulation 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目目 录录 1 绪论绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 课题的提出及研究意义 ..............................................................................................................1 1.2 国内外研究现状 ..........................................................................................................................2 1.3 课题主要研究内容及技术路线 ..................................................................................................9 2 课题研究的基础条件课题研究的基础条件 ...................................................................................... 11 2.1 朝阳煤矿开采条件概述 ............................................................................................................ 11 2.2 朝阳煤矿三一采区概况 ............................................................................................................12 2.3 本章小结 ....................................................................................................................................18 3 建筑物下二次条带开采方案优化设计建筑物下二次条带开采方案优化设计 .......................................................... 19 3.1 条带煤柱稳定性及其破坏失稳机理研究 ................................................................................19 3.2 建筑物下二次条带开采方案初步设计 ....................................................................................35 3.3 本章小结 ....................................................................................................................................43 4 二次条带开采地表移动破坏规律及煤柱稳定性二次条带开采地表移动破坏规律及煤柱稳定性研究研究 .................................. 45 4.1 条带开采地表移动影响因素分析 ............................................................................................45 4.2 深埋厚煤层条带开采地表岩移参数研究 ................................................................................49 4.3 地表移动变形概率积分法预计 ................................................................................................58 4.4 开采沉陷及煤柱稳定性数值模拟研究 ....................................................................................65 4.5 本章小结 ....................................................................................................................................77 5 工程实践应用工程实践应用 .................................................................................................. 79 5.1 三一采区巷道布置 ....................................................................................................................79 5.2 采煤方法及工艺 ........................................................................................................................86 5.3 条带煤柱稳定性现场监测 ........................................................................................................87 5.4 孤岛煤柱冲击地压发生机理及安全技术措施 ........................................................................91 5.5 本章小结 ....................................................................................................................................93 6 主要结论及展望主要结论及展望 .............................................................................................. 94 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 6.1 主要结论 ....................................................................................................................................94 6.2 主要创新点 ................................................................................................................................95 6.3 展望 ............................................................................................................................................95 致致 谢谢 .................................................................................................................. 96 攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果 .................................................................................. 97 参考文献参考文献 .............................................................................................................. 98 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 Content 1 Introduction1 1.1 The research significance of the topic1 1.2 Research status at home and abroad2 1.3 The main research contents and technical route.9 2 Basic Conditions of The Subject11 2.1 Summary of mining conditions in chaoyang coal mine11 2.2 Overview of chaoyang coal mine three one mining area12 2.3 Summary18 3 Optimization Design of The Two Strip Mining Under Buildings19 3.1 Study on stability and failure mechanism of strip coal pillar19 3.2 Preliminary design of two strip mining under buildings35 3.3 Summary43 4 Study on The Law of Surface Movement and The Stability of Coal Pillar in The Two Strip Mining45 4.1 Analysis of influencing factors of surface movement in strip mining45 4.2 Study on the parameters of surface rock movement in strip mining of deep thick coal seam49 4.3 Surface movement and deation probability integral 58 4.4 Numerical simulation of mining subsidence and coal pillar stability65 4.5 Summary77 5 Engineering Practice Application79 5.1 Roadway layout of the three one mining area79 5.2 Coal mining and technics86 5.3 Field monitoring of the stability of strip coal pillar87 5.4 Mechanism of impact ground pressure and safety technical measures in the isolated island coal pillar91 5.5 Summary93 6 Main Conclusions And Prospects94 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 6.1 Main conclusion94 6.2 Main innovative points95 6.3 Expectation95 Ackonwledgement96 Major achievements in the study of masters degree97 Reference98 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 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 我国的煤炭工业经过几十年的发展已具有雄厚的基础。目前，据不完全统计煤炭资 源占全国常规能源探明储量的 90以上，仍是我国经济发展的廉价、可靠且可洁净利用 的重要能源[1]。我国专家认为，在未来相当长的一段时期内煤炭仍将占一次能源消费的 主导地位[2]，即使到 2050 年煤炭消费量仍在 42 亿 t 以上[3]，一次能源消费占比仍将大于 35[4]，煤炭作为我国能源的基础和主体，是我国经济建设强有力的保障，在未来几十 年内难以改变。然而，目前我国煤矿生产中存在着建筑物下、铁路下和水体下（以下简 称“三下”）压煤严重以及煤炭回收率低等亟待解决的问题[5]。据国有重点矿山不完全统 计，目前我国矿井煤炭资源平均采出率仅为 30，低于世界先进水平的 50[6]；国内“三 下”压煤总量约为 137.9 亿 t，其中建筑物下压煤达 87.6 亿 t 之巨，严重制约着矿山的可 持续发展，而村庄下压煤达到建筑物下压煤总量的 60，达 55.21 亿 t[7]，尤其是老矿区 遍布的山东、河北、河南、安徽、江苏等中东部矿区压煤量占国内村下压煤的 55以上， 占据 1040的矿井储量，涉及住户 13 万人之广[8]。村庄下压煤开采已成为矿区可持 续生产面临的主要问题，在目前的经济环境和开采技术水平条件下，特殊开采已成为解 决“三下”压煤难题的一种有效方法，对矿区可持续发展以及开采技术水平进步都具有深 远的现实意义[9]。 随着浅部煤炭资源的枯竭，国内许多矿山继而转向深部开采，如开滦、新汶、平顶 山、徐州、大屯、兖州和淮南等矿区已经进入深部开采，其他矿区也在以每年 9m 左右 的速度向深部开采，部分矿区开采深度已经达到 1200m 以上。关于深部开采界限的问题 国内外学者持有不同的标准，比如国内学者梁政国认为准深部开采界线为 500m700m， 500m 以上为浅部开采，700m1000m 为深部开采，超过 1000m 为超深部开采；而国外 主要采煤国波兰、英国煤矿认为深部开采界限为 750m，而德国为 800m～1200m[10]。 一方面探明的“三下”压煤中建筑物下压煤量占比不断攀升，另一方面国内矿山的开 采深度也在逐年增加，部分矿区面临深部村庄压煤问题也愈来愈严重。因此，进行深部 建筑物下压煤开采研究刻不容缓[11]。我国条带开采绝大多是为了解决中浅部“三下”压煤 问题，因为深部应用条带开采回采率较低，故其在深部煤层开采中应用较少，且国内关 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 于深部条带开采煤柱稳定性以及地表移动变形规律也研究较少。为了最大限度的在保护 地表建筑物条件下提高煤炭资源采出率，深入研究深部厚煤层条带开采煤柱稳定性以及 开采损害问题，是目前深部“三下”压煤开采中亟待解决的难题。其中条带开采煤柱的长 期稳定与否是村庄下压煤开采成败的关键，但煤柱的稳定性随着条带开采深度的增加逐 渐变差，煤柱塑性区范围发展较大是导致窄煤柱发生失稳破坏的主要因素之一，深部条 带开采一般采用大采宽大留宽设计，所以探明深部条带采宽、留宽之间的关系是条带设 计的关键所在[12]。 朝阳煤矿 3下煤层将结束， 而矿井前期开拓的 12下煤， 通过揭露资料 12下煤地质构造 及其复杂，煤层赋存不稳定，形不成正规开采条件，而 16 煤受地质条件及底鼓水威胁， 暂时无法进行开拓开采，3下煤层开采又面临村下压煤问题，村庄压煤面积 60.2 万 m2， 压煤量 634 万 t，占朝阳煤矿 3下煤总储量的 28，且均为 AB 级高级储量，矿井前期 对村下压煤按照采宽 70m，留宽 140m 开采方案进行了条带开采，第一阶段条带开采完 毕后，地表未出现明显破坏。由于矿井 3下煤层剩余开采储量逐渐减少，为延长矿井服务 年限，回收煤炭资源，在现有经济技术条件下，需对三一采区 3下煤建筑物下 140m 条带 煤柱进行二次回收研究。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 开采沉陷理论的研究现状开采沉陷理论的研究现状 1.2.1.1 国内开采沉陷理论的研究现状 西方发达国家在上世纪 70 年代已经形成了一套完备的开采沉陷理论， 而我国开采沉 陷研究起步较晚，但是也取得长足进展，国内的研究成果和“三下”采出量都位居世界前 列，特别是在地表移动变形控制理论方面，主要取得以下成果。 （1）“三带”理论 “三带”理论是刘天泉院士等学者在总结了我国“三下”开采实践经验的基础上，发现 的覆岩破坏基本规律。 其中“三带”自下而上是指垮落带、 导水裂缝带和弯曲下沉带， 为“三 下”开采奠定了坚实的理论基础，“三带”发展形态如图 1.1 所示[13]。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 图图 1.1 采场采场覆岩破坏覆岩破坏带带示意图示意图 Fig.1.1 Sketch of sub-strip of overburden damage and movement （2）关键层理论 中国工程院院士钱鸣高提出了岩层移动与控制的关键层理论，关键层由其在岩层活 动中的控制作用而得名，起到承载主体的作用。大量的开采实践表明，煤层覆岩的物理 力学性质对岩层运动和开采损害影响较大，钱鸣高院士以研究坚硬岩层的破断运动为主 体，提出了砌体梁理论，并在开采沉陷中考虑了覆岩岩性的影响[14]。 （3）随机介质理论 波兰学者李特维尼提出的随机介质理论把岩层作为一种均匀固体介质，认为覆岩移 动是一个服从统计规律的随机过程，其理论后经刘天泉、刘宝琛院士和周国铨教授在开 采沉陷理论方面做了很多工作，进一步完善和发展了随机介质理论，并提高了其理论的 实用性，形成了开采损害预计中常用的概率积分法[15]，七十年代初，我国煤炭科学研究 院北京开采研究所应用概率积分法，配合电子计算机计算了地表下沉盆地主断面和全面 积的移动和变形，几何理论在世界上主要采煤国家得到了广泛应用。 （4）传递岩梁理论 中国科学院、 中国工程院宋振骐院士在 1978 年实用矿山压力理论中提出了以采场上 覆岩层运动为中心的传递岩梁模型[16]，该模型首先与众不同地建立了直接顶与基本顶两 个基本概念。认为岩梁是由同时运动，且对矿压显现同时有明显影响的岩层组合而成。 经过现场实践，该理论得到了极大的发展。 （5）其他理论 邓喀中在分析岩层中若面对覆岩移动规律后提出了开采沉陷中的岩体结构效应理论 [17]；杨伦、于广明等学者认为地表下沉与岩体的自身的性质密切相关，提出岩层二次压 缩理论；邹友峰提出了基于 π 准则的开采沉陷预计参数确定方法，研究了三维层状介质 理论在条带开采地表移动预计中的应用[18]。 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 1.2.1.2 国外开采沉陷理论的研究现状 国外对开采沉陷的认识始于 15 世纪，上世纪 30 年代，一些产煤先进国已把岩层移 动与开采损害当作为一项科学研究， 至上世纪 70 年代末形成了一套完备的理论体系。 随 着人类开采活动的日益繁盛在西方国家相继出现了一系列开采沉陷理论，国际上有许多 学者，从事于岩层与地表移动的科学研究工作。比如比利时的 Gonot 通过对烈日成沉陷 调查提出了“法线理论”，德国的 Jicinsky 的采用统一模式描述开采沉陷的“二等分线理 论”，耳西哈发展了“自然斜面理论”，Hausse 建立了采空区三带分布沉陷模式等，已能对 地下开采造成的地表沉陷范围进行初步预计，为地表移动理论的深入研究奠定了基础 [19]。根据开采沉陷统计结果，这些学者提出了比较符合实际的计算公式，导出移动盆地 剖面方程式并对开采沉陷进行了一些科学解释，为建立岩层移动理论做出了贡献[20, 21]。 对岩层移动和开采沉陷规律的认识和探索，往往需要多次室内试验。1937 年苏联巴 塔诺夫进行了室内相似材料模型试验，为相似模拟试验方法的建立打下了坚实的基础。 目前，俄罗斯、波兰、德国和我国等都应用相似模型试验方法研究岩层和地表移动的规 律。 近 10 年来随着有限元发的飞速发展以及计算机运算能力的升， 开采沉陷理论也在不 断改进和完善。 1.2.2 条带开采理论的研究现状条带开采理论的研究现状 由于条带开采能够有效地控制地表移动变形，在我国“三下”压煤开采中应用广泛。 条带开采属于局部开采中的一种特殊的井下采煤方法，其实质是将煤层划分为比较正规 的条带状，采出一条，保留一条，而上覆岩层的载荷作用在保留的煤柱上，地表不出现 波浪形下沉盆地，是“三下”开采的一种有效途径。 1.2.2.1 国外条带开采理论的研究现状 条带开采首先在欧洲的主要采煤国如波兰、德国、前苏联、英国等国得到广泛应用， 并在开采过程中建立了地表移动观测站，取得了比较丰富的实践经验。如波兰自1930年 开始进行条带开采， 初期在二百多个保安煤柱的开采实