浅埋近距离煤层群开采上下煤层安全错距研究.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 experiment, mainly concentrated in the working face in front of the working face advancing stress peak around 10 m expected within 8 12 m strong, the stress reducing area within the scope of the 35 80 m, abutment pressure significantly affect the distance of 35 m. In this paper, the stress distribution characteristics of the lower seam mining field under different fault distance are simulated by UDEC, and the reasonable error distance scheme is determined. The open-cut eye is arranged in the middle area of the peak area and the working face of the mining area to avoid the stress peak area, and the opening and cutting eyes are arranged at 8m from the coal opening. In view of the roadway, a longer service life, therefore the fluctuation extent of coal seam coal pillar stagger 36 m, based on the optimization of coal pillar dimension of coal pillar in staggered section, ensure safety in production at the same time improve the coal recovery rate. Finally, the feasibility of the design scheme is analyzed by field monitoring. Key wordsreasonable wrong distance;Block pillar Cut open the eye; Support load; Research typeapplied research. 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 选题背景......................................................................................................................1 1.2 研究意义......................................................................................................................2 1.3 国内外研究现状..........................................................................................................2 1.3.1 国内外对浅埋煤层开采的研究.......................................................................3 1.3.2 关于浅埋近距离煤层国内外研究现状...........................................................4 1.3.3 煤层群开采顶底板破坏规律研究现状...........................................................4 1.3.4 近距离煤层群开采研究现状...........................................................................5 1.3.5 近距离煤层组上下煤层遗留煤柱合理位置研究现状................................... 5 1.4 研究内容和技术路线..................................................................................................6 1.4.1 研究内容...........................................................................................................7 1.4.2 研究的技术路线...............................................................................................8 2 煤层赋存条件及围岩力学参数测试.....................................................................................9 2.1 地质条件......................................................................................................................9 2.1.1 采区概况...........................................................................................................9 2.1.2 近距离煤层工作面位置关系.........................................................................11 2.2 研究背景....................................................................................................................12 2.3 煤岩体物理力学参数测试........................................................................................13 2.3.1 煤岩体物理力学参数测试意义.....................................................................13 2.3.2 煤岩体物理力学参数测试过程.....................................................................13 2.4 围岩参数的测定结果与分析....................................................................................16 2.4.1 直接顶特性.....................................................................................................17 2.4.2 煤的特性.........................................................................................................17 2.4.3 底板特性.........................................................................................................17 2.5 本章小结....................................................................................................................18 3 下煤层开采支承压力分布规律相似材料模拟实验研究...................................................19 3.1 研究意义....................................................................................................................19 3.2 物理相似模拟实验准备............................................................................................19 3.2.1 工程概况.........................................................................................................19 3.2.2 相似材料模型.................................................................................................20 3.2.3 测试系统.........................................................................................................22 3.2.4 模拟支架初撑力与工作阻力的计算.............................................................22 万方数据 目录 II 3.3 物理相似模拟实验过程及结论................................................................................23 3.4 顶板局部损伤破断及矿压显现特征........................................................................28 3.5 本章小结....................................................................................................................29 4 上下煤层合理错距数值模拟研究.......................................................................................31 4.1 上位煤层开采覆岩充分垮落时围岩应力分布规律................................................31 4.2 底板应力分布理论分析............................................................................................31 4.2.1 底板屈服破坏深度计算.................................................................................32 4.2.2 上下位煤层合理位置确定理论分析.............................................................33 4.3 开切眼错距数值模拟................................................................................................34 4.3.1 数值模拟软件介绍.........................................................................................34 4.3.2 模型的建立.....................................................................................................35 4.3.3 力学参数的选取.............................................................................................35 4.3.4 数值计算过程分析.........................................................................................35 4.4 巷道煤柱错距数值分析............................................................................................40 4.4.1 力学参数的选取.............................................................................................40 4.4.2 数值计算过程分析.........................................................................................40 4.4.3 无错距模拟计算结果及分析.........................................................................41 4.4.4 有错距模拟计算结果及分析.........................................................................46 4.5 本章小结....................................................................................................................51 5 研究结果及现场监测...........................................................................................................52 5.1 上下煤层安全错距的研究结果................................................................................52 5.1.1 相似模拟研究结果.........................................................................................52 5.1.2 数值模拟研究结果.........................................................................................52 5.1.3 上下煤层安全错距的确定.............................................................................53 5.2 现场监测与结果分析................................................................................................54 5.2.1 现场监测.........................................................................................................54 5.2.2 工作面概况.....................................................................................................54 5.2.3 监测方案.........................................................................................................55 5.2.4 矿压观测结果.................................................................................................56 5.2.5 结果分析.........................................................................................................60 5.3 小结............................................................................................................................62 6 结论.......................................................................................................................................64 致谢...........................................................................................................................................65 参考文献...................................................................................................................................66 附录...........................................................................................................................................70 万方数据 1 绪论 1 1绪论 1.1选题背景 煤炭在我国国民经济发展中占有重要地位，不仅是主要能源，同时又是主要化工原 料。据预测，到 21 世纪中叶以前，煤炭仍是我国的主要能源之一，在国民经济建设中具 有重要的地位。 我国煤炭资源赋存以煤层群形式为主， 其中近距离煤层群占的比重较大， 同时由于多年的开采使得赋存条件比较单一的煤层储量越来越少，这将使得近距离煤层 的开采过程中受二次采动应力场和覆岩运移规律的影响导致易自燃发火、巷道维护状况 差以及煤层组上下煤层安全间距等问题越来越得到重视[1-5]。 煤炭工业的快速发展，煤炭开采技术更成熟，然而，很长一段时间以来，国内外学 者对单一煤层开采矿压规律以及覆岩运移的规律的深入研究，取得了巨大成就，而近距 离煤层群上部和下部煤层煤柱开采过程中的合理位置的研究相对较少。近距离煤层群的 开采，在煤体压力和岩层移动等方面与单一煤层开采相比具有其特殊性。现有理论不适 用于近距离煤层群的开采[6-7]。上位煤层开采过后，下位煤层工作面与巷道将处于上位煤 层遗留煤柱集中应力或采空区下进行掘进与开采工作，就使得回采巷道的支护与工作面 安全开采的难度在一定程度上增大。在煤层开采方面，相邻煤层间距一般大于 30 米，上 部煤层开采对煤层开采影响较大，采动压力的开采方式不受采动影响，与一般单采煤层 相似。然而，随着相邻煤层层间距的减小，上采煤对下煤层开采的影响随着上采煤的增 加、上采煤对底板的破坏和下部开采对顶板的破坏而增大。煤层采空区由底部煤柱应力 集中形成，导致煤层采场应力降低，顶板结构发生变化，与单煤层相比，煤层群下部 [8] 将显现出新的矿山压力现象。主要表现在 （1）回采巷道布置遗留煤柱下方时，巷道煤壁易破碎，且破碎范围较大，围岩变形 较大，且矿压显现剧烈，支护难度也相应增大； （2）回采巷道布置在采空区下方时，如果煤层层间距小于锚杆的长度，锚杆不能起 到有效的锚固作用，一般的树脂锚杆将失去其锚固作用，必须开展新的支护技术的研究 以寻求新的支护方式[5]； （3）下位煤层开采过程中，回采工作面通过上位煤采空区时，极易出现工作面顶板 冒落事故，上下煤层采空区连通后，工作面易出现露水、渗水、溃沙等问题；顶底板支 护难度大。 近距离煤层开采条件下，煤层的安全间距布置对井下作业人员的安全以及煤矿正常 生产，会产生极大影响，不合理的安全错距，将会给煤矿带来无法估量的损失。（倘若 煤层开采过程中煤层安全间距不适当，对井下作业人员的安全和煤矿正常生产有很大的 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 影响。）在中国发生过很多煤矿冲击地压事故都处于开切眼位置附近，而且大多数发生 冲击地压事故时工作面推进距离未达到 30m，即未达到老顶初次来压的步距。近年来， 针对开切眼附近产生强矿压的机理及其防治技术，诸多专家、学者进行了大量的研究。 尽管，这些研究成果为煤矿安全生产提供了科学依据。但是，研究成果对于开切眼附近 强矿压显现引起冲击地压的有效防治尚未形成系统。因此，合理布置的上下煤层煤柱错 距是避免其附近发生冲击地压的最直接有效的方法。 本论文以煤层层数多、间距小、厚度变化大、结构简单较复杂的陕西清水川能源 冯家塔煤矿为依据。井田内有一定规模的可采煤层共有 12 层，即 2、3、4、5、6、7、8、 9-1、9-2、10-1、10-2、11 煤层。按可采面积达到或超过井田面积 70的较稳定煤层 2、4、 8、9-2煤层，定为区内主要可采煤层。主要煤层间距如下表 1.1。 表表 1.1 主要煤层间距一览表主要煤层间距一览表 煤层编号23456789-19-2 可采高度2.921.482.881.200.811.371.981.352.23 间距4.959.6014.805.025.703.1018.136.52 由于 3煤层煤层厚度有一定变化，无明显规律，灰份、硫份变化较大；大部可采， 属不稳定型煤层。本论文主要针对冯家塔煤矿 2煤层开采后，4煤层工作面水平错距的 研究。 1.2研究意义 （1）本文研究为相似条件近距煤层开切眼位置的确定提供依据。 本文通过近距离煤层群冯家塔煤矿 2煤层开采后，4煤层开切眼的合理位置进行研 究，针对较长时间处于裸露状态的开切眼，采用避开上下煤层遗留煤柱应力叠加区的方 式，确保开切眼施工的顺利进行具有重要的意义；同时为相似的近距离煤层开切眼位置 的确定提供依据。 （2）本文研究为相似条件近距煤层开切眼位置的确定提供依据。 本文对近距离煤层群 2煤层开采后，4煤层开釆时区段煤柱合理错距的选择进行了 研究。对近距离相邻煤层同采时的矿压显现规律和区段煤柱错距进行分析与研究，为冯 家塔煤矿 1407 工作面的安全、高效投产具有重要的现实意义。 （3）本文通过力学分析与数值分析模拟，对避开应力叠加区的区段煤柱尺寸进行 优化，提高了煤的采出率，创造良好的经济效益。 1.3国内外研究现状 中国有许多大型煤矿都属于煤层群开采，其中一部分煤层间距很近，为近距离或近 万方数据 1 绪论 3 距离煤层群开采。多年来，采场矿山压力主要集中在单一煤层的矿压显现及其控制上， 国内外学者已经提出了许多成熟的学说和理论公式，基本分析了不同开采高度和深度的 条件下，在煤炭开采过程中顶板和底板破坏和围岩应力分布。然而，在煤层群开采过程 中，重复开采影响顶板和底板的破坏规律的研究却很少。由于多煤层连续开采，受煤层 群影响的重复开采量大，压力释放充分，开采裂隙发育，导致岩层迁移规律更加复杂， 顶板和底板控制难度加大。 1.3.1国内外对浅埋煤层开采的研究 我国对浅埋煤层开采矿压理论的研究， 开始于神东矿区浅埋煤层的大规模开发， 1991 年对大柳塔煤矿 C202 工作面的现场观测及之后的 1203 综采工作面的相似模拟机数值分 析。揭示了浅埋煤层开采矿压的一般特征。随着我国西部浅埋煤层的大规模开采，极大 的推动了国内学者对浅埋煤层矿压机理的理论研究进展。下面结合理论研究、物理试验 研究、数值模拟研究三个方面的成果对国内相关的研究现状进行阐述。 1浅埋煤层岩层控制理论研究 20 世纪末，侯中杰教授[16]针对浅埋煤层建立了力学分析模型用以分析周期来压规 律，研究结果表明顶板以拉伸破坏形式被破坏，基本顶断裂和剪切引起的进一步直接顶 破坏，并给出了顶板拉、剪破坏基本的力学条件，推导了控制顶板台阶下沉的支护强度 计算公式。 黄庆享教授[4]对浅埋煤层顶板控制进行了系统研究，并通过顶板结构研究对顶板控 制进行了深入分析。揭示了浅埋煤层开采压力的规律对动力冲击灾害发生后，煤岩体 内部能量变化情况进行了研究分析，提出了以综合型能量转移为重点的动力冲击失稳分 类标准，把动力冲击灾害的能量诱发类型分为单一型与复合型。与深度比以浅埋煤层基 本指标定义的关键层、基准负荷、浅煤层分为典型的浅埋煤层和近两型浅埋煤层。后来， 黄庆享教授及其研究团队揭示了上覆厚土的破坏规律浅埋煤层和载荷传递作用，在采掘 过程中的采掘过程中，通过深入研究建立了相应的力学模型。 2浅埋煤层岩层控制试验研究 在现场监测、实验和数值计算方面，大量的现场测量和实验研究已经进行了浅埋煤 层开采的科学研究。并且在大柳塔煤矿，对 C202 工作面的顶板压力进行了现场实测。 结果表明，工作面周期来压过程中的矿压显现较为明显。然后黄庆享教授及其研究小组 进行了数值分析对 1203 综采工作面矿压显现进行了模拟分析， 并揭示了浅埋煤层采掘工 程中矿压的基本特征。 黄庆享教授应用动态相似材料模拟试验，黄庆享教授发现厚沙土层浅埋煤层的破坏 形式。指出了采场在厚沙土层初次开采时，通常为“松散拱”和“拱壳厚度”；关键开 采阶段破坏；“拱”在全采阶段主要的破坏模式破坏模式为“弧形”和“岩柱”。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 3浅埋煤层开采顶板切落灾害的研究 国内学者对浅埋煤层开采过程中的顶压进行了大量的研究，并针对顶板切割灾害的 防治提出了一些有意义的措施和建议。 前苏联 M秦巴列维奇较早提出的台阶下沉[9]假设，对均质岩体浅覆盖层在工作面 推进过程的假设， 在综放沿煤壁到表面的形式， 需要支持地层整体支撑力。 前苏联的 B.B. 布德雷克在莫斯科郊外矿区进行了系统的研究后指出，在 100m 深度并赋存厚粘土层情 况下，大约有 12的煤柱开采过程中出现动载现象[10]。结果表明，与一般煤层的顶板压 力相比浅埋煤层的特征为煤层顶板压力强度较大。 80 年代初期， 澳大利亚的 B.霍勃尔瓦 依特[10]等人在新南威尔士安谷斯坡来斯煤矿对浅埋煤层长壁工作面开采时的矿压显现 进行了实测， 研究结果指出地表的最大下沉量达到了工作面采高的 60， 且其中的 85 发生在距离工作面 40m 的采空区内，说明工作面推进的过程中，垮落的岩体将采空区迅 速压实，煤壁附近的顶板迅速垮落。 基于以上研究结果，国外的研究成果普遍认为，浅埋煤层顶板破碎对地表、破碎角、 地表下沉速度和快速压力都有很大影响。然而，并未对浅埋煤层和“支护围岩”的顶板 破坏机理进行系统的研究。 1.3.2关于浅埋近距离煤层国内外研究现状 当近距离煤层开采时，煤层群中各煤层顶底板都会受到不同程度的卸压，各煤层顶 底板都会发生不同程度的移动。重复开采时，各煤层开采的影响叠加，导致重复开采过 程中各煤层的围岩运动、应力解除区和集中区的叠加和影响。因此，岩层运动情况和围 岩应力分布都将变得更加的复杂。 西安科技大学教授伍永平及其课题组通过急倾斜煤层群开采岩移规律分析得出煤层 群间相互采动影响所产生的双重扰动作用是导致围岩力学变化特征复杂的主要影响因 素；Rajendra Sinh，P. K. Manda1 等分析了矿体开采过程中造成岩层移动的原因，并结合 现场观测总结出岩层移动规律。 朱卫平[ 15 ]对近距离煤层开采的上覆岩岩破坏机理进行了 研究；陈盼对近距离煤层回采时其上覆岩层的承载层的断裂方式进行了研究；Thierry Verdel 和法国的 Olivier Deck 把新的不对称影响函数运用到采动引起的沉降中；平煤股 份的王玉杰对保护层重复采动进行现场观测，总结出重复采动时煤层上部较远的被保护 层煤岩体内应力多次卸除，煤岩体受到多次膨胀变形，造成围岩内部产生大量裂隙并相 互贯通。 1.3.3煤层群开采顶底板破坏规律研究现状 随着煤层的不断开采，采空区上覆岩层和底板岩层不可避免地遭到破坏和塌陷。顶 板岩层的破坏将形成上三区，下部为下三区地层。顶部和底部的岩石层首先受到剪切破 万方数据 1 绪论 5 坏，然后承受拉伸损伤。 比利时学者拉巴斯首先提出了预裂缝假说。顶板岩石会在应力集中的区域，裂缝破 坏，岩体的完整性和连续性将被打破，从而形成一个非连续介质；学者刘天泉以现有的 理论为基础计算出了煤层开采对工作面底板的破坏范围[39]；康永华通过研究总结出降低 采高首采反复挖掘，在挖掘高度合理的增加可以有效降低围岩破坏范围[40]；张平松地震 波 CT 技术用于确定覆岩破坏高度[41]；徐雪峰认为板冲击的主要原因是水平应力[42];张华 磊基于重复开采底板巷道动态破坏情况的相似性分析。 近距离煤层开采，受煤柱底板应力影响范围和煤柱宽度、开采深度、倾角、厚度的 左右[14]。蒋鹏飞，张健[56]，根据不同煤柱宽度的应力集中分布在较低的煤岩体，与煤柱 宽度的煤柱冲击角的应力变化曲线拟合，推导了柱应力扩散角计算公式[18]。随着煤柱宽 度的增大，下煤柱煤岩角度的应力扩散效应减小，趋于稳定值。刘少伟等[16]对下部煤层 巷道围岩不同的采矿和机械特性进行了仿真，与较低的煤巷道上部煤层开采影响下大采 高的增加，较低的煤巷煤柱附近更为严重的破坏，巷道底臌量越大，围岩稳定所需的时 间延长。尽可能向后支撑，以接近煤柱的支撑[21]。 1.3.4近距离煤层群开采研究现状 近距离煤层群的开采是对已采煤层破坏过的基础上重复开采，势必都对煤层周围的 岩体破坏的区域增大，卸压程度与随之增加。同时，在采空区两端的柱的应力集中程度 也会增加。由于近距离煤层之间的距离很小，在煤层群开采过程中开采的效果会比较明 显。由于煤炭开采过程中会造成相邻煤层围岩封闭损伤，反复挖掘开采煤炭采空区的上 部或下部，如此反复挖掘煤炭必须等到开采煤炭采空区岩层运动和应力平衡之前挖掘。 在国内众多大型国有煤矿的煤炭开采近距离煤层群开采时，相邻煤层开采的变形的影响 下会出现反复，导致相邻煤层顶、底板岩石损伤断裂有大量气体的压力有关，煤层渗透 率，降低相邻增强煤层气相邻排水效率会更高。同时，通过对近距离煤层开采的研究， 我们还可以为煤矿巷道的合理布置和地层压力和地层控制的技术支持。 近距离煤层群的开采也要面临许多问题。近距离煤层群开采通常存在煤层开采影响 之间的问题，因此在回采巷道中，某一采区的布置将被迫面临问题；短距离煤层向下开 采，开采形成的裂缝很可能会降低煤层的发育，并通过和下煤层。这使得开采煤层采空 区瓦斯、煤岩水进入工作面，很多困难煤矿；煤矿采空区和应力集中区的上端穿过岩石， 将应力传递到煤炭，煤炭开采导致的应力分布和移动到更复杂的煤矿巷道布置及支护方 式选择带来了不少的困难。上述情况都是煤矿安全高效的生产要考虑的问题。在当前的 中国较低的煤炭市场形势，煤炭开采成本增加了[45 ～47]。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 1.3.5近距离煤层组上下煤层遗留煤柱合理位置研究现状 针对下行式开采时，开采后的上煤柱和采煤侧空的集中残余应力转移到深部煤层底 板和顶板结构，导致下采煤层开采面积和应力环境变化问题。史元伟等运用数值分析方 法模拟近距离煤层群开采过程中的上下煤层的相互影响以及遗留煤柱的底板矿压显现规 律和应力分布规律，取得的良好的成果，为下部煤层巷道位置的确定以及，回采工作的 优化起到了积极的作用。 一般认为在煤柱（体）下方的区域为增压区，应力高于原岩应力，在采空区下方的 区域为卸压区，应力低于原岩应力，为使下部煤层巷道处于低应力区，往往内错一定距 离布置下部煤层巷道，目前内错水平距离常用经验公式计算[2]    sin sin  S （1-1） 式中，S内错水平距离，m； z煤层间距，m；  煤层倾角； 煤柱影响角，其值可取 25～55；90-。 目前，煤矿生产中多采用公式1-1作为近距离煤层群下位煤巷道位置确定的计算依 据。近距离煤层群开采过程中回采巷道空间位置关系分为三种形式即重叠式布置、内错 式布置和外错式布置三种形式。 （1）内错式布置。如果上位煤层回采工作面的残留煤柱宽度较小时，采用内错式布 置巷道。 将下煤层回采巷道设置在上煤层采空区以下的应力降低区即上煤回采巷道内侧， 巷道压力小，维护方便。 （2）外错式布置。当上采煤工作面剩余煤柱较大时，可采用向外错位布置方法，即 下部煤层回采巷道设置在上煤回采巷道的外侧，位于上煤柱左下方。此时，巷道围岩将 处于煤柱支承压力的增压区，不利于巷道的维护。 （3）重叠式布置。重叠布置是指垂直布置的上下位煤层回采巷道，这种方式工作面 长度确定，方向容易掌握。在上位煤层无护巷煤柱时，一般采用重叠式布置巷道。 目前无论是何种布置，底板巷道仍采用锚杆索支护形式。当内部故障或重叠布置 和层间间距较小时， 传统锚杆不能有效锚固。 当巷道中的支护煤柱底板的应力影响范围，