哈拉沟煤矿高强度开采覆岩与地表破坏特征研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 李圣军 指导教师 郭文兵 教授 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 采动损害与保护 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二二○一五年一五年六六月月 哈拉沟煤矿高强度开采覆岩与地表破坏特征研究哈拉沟煤矿高强度开采覆岩与地表破坏特征研究 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD325 密密 级级公开公开 UDC 622 单位代码单位代码10460 哈拉沟煤矿高强度开采覆岩与地表破坏 特征研究 Research on overburden strata and surface failure characteristics with high intensity mining in Halagou coal mine 申请人姓名申请人姓名 李圣军李圣军 学 位 类 别学 位 类 别 工学硕士工学硕士 专 业 名 称专 业 名 称 采矿工程采矿工程 研 究 方 向研 究 方 向 采动损害与保护采动损害与保护 导师导师 郭文兵郭文兵 职称职称 教教 授授 提 交 日 期提 交 日 期 2015 年年 4 月月 答 辩 日 期答 辩 日 期 2015 年年 6 月月 河南理工大学 万方数据 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文哈拉沟煤矿高强度开采覆岩与地表 破坏特征研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经 公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已 在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、 使用学位论文的 规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用影印、缩 印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 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。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 致致 谢谢 光阴似箭，时光荏苒，三年的硕士学习生涯即将结束，值此论文完成之际， 我谨以最诚挚的心情向我的导师郭文兵教授致以最崇高的敬意。在本论文的选题、 理论研究、现场实践、论文撰写、直至论文定稿，郭老师都给予了精心指导和严 格要求。感谢郭老师在三年研究生学习期间对我学习上的全力指导和生活上的无 私关怀，郭老师对我的教诲，将成为我受益终身的财富。 感谢河南理工大学能源科学与工程学院对我的培养，感谢为我授课的所有老 师感谢在论文开题、写作及预审等环节提出宝贵意见的老师 感谢学院领导和老师对我的关心和支持，感谢陈俊杰副教授、肖同强老师、 牛双建老师等在论文撰写中给予的帮助与指导。 感谢王云广博士、张子月博士、师兄娄高中、黄广帅和师弟于秋鸽、刘大超、 杨达明，还有同门白二虎、徐飞亚、闫伟涛在论文写作期间给予的各方面的帮助 和支持。 感谢哈拉沟煤矿生产办公室的工作人员为我提供的基础资料和现场研究中给 予的帮助 感谢朝夕相处的同窗室友范超、陈岩、翟常治及全班同学，在这三年里是他 们在生活上和学习上给予了我莫大的帮助，是他们让我的学习生活充满了乐趣。 深深感谢我的父母，是他们一路鼓励、支持我走到现在，祝愿他们永远健康 快乐 最后衷心感谢各位专家、教授在百忙中评审本论文，参加论文答辩并提出宝 贵意见 李圣军 2015 年 4 月于河南理工大学 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 随着我国煤炭资源的开发， 今后势必将战略西移‖。 西北地区煤炭资源储量丰 富，地质条件简单，有利于实施高强度开采，但西北地区主要为草原、沙漠和戈 壁，生态环境脆弱，植被恢复治理较难。为了在尽可能的保护矿区生态环境的前 提下，合理高效开采煤炭资源，需要进行高强度开采覆岩与地表破坏特征研究。 本论文以神东矿区哈拉沟煤矿为研究基础，采用理论分析，现场矿压观测和 相似模拟实验深入研究高强度开采顶板破坏特征，通过建立地表移动观测站和相 似模拟实验，分析研究了浅埋煤层高强度开采的地表破坏特征及其形成原因，并 计算了地表移动角量参数。主要研究结果有哈拉沟煤矿 2-2 煤层顶板为多层关键 层结构；得出了 22407 综采工作面的初次来压强度及来压步距、周期来压强度及 来压步距；得出了 2-2 煤层顶板只存在两带‖的破坏特征，且顶板易于发生整体性 高角度切落式破坏；得出了浅埋煤层高强度开采地表破坏剧烈，角量参数偏大， 地表非连续变形以裂缝为主，分析了裂缝形成机理及特点。研究成果可指导神东 矿区 2-2 煤层的开采，同时为保护煤柱留设，生态环境的治理提供依据。 关键词关键词高强度开采；矿山压力；岩层移动；地表破坏；非连续变形 万方数据 II 万方数据 III Abstract With the coal exploitation in China, the strategy of coal mining will focus on west district in the future.The northwest district has abundant coal resource, sample geological conditions. These merits make it easy for high intensity mining. However, due to the prairie, desert and Gobi in west zone, it is difficult to restore and control vegetation. At the precondition of protecting the environment and mining effectively in the mining zone, it’s useful to do the study of failure character of overlying strata and the earth’s surface under high intensity mining. Based on Halagou coal mine of Shendong mining area, the roof strata failure characteristics under high intensity mining was further studied in this paper by theoretical analysis, pressure observation in field and analog simulation experiment. At the same time, through building surface movement observation station and analog simulation, surface failure characteristics of shallow buried with high intensity mining and its ation mechanism, and surface movement angle parameters were analyzed, too. The main results show that 1 2-2 coal seam roof of Halagou coal mine was multilayer key strata structure; 2 First weighting strength and step, periodic weighting strength and step of NO.22407 working face was obtained; 3 The failure characteristics of 2-2 coal seam roof was only exist the “two belts“, besides, it is easy to cutting roof falling damage with integrity and high angle; 4 The surface failure of shallow depth of burial was fierce; surface movement angle parameters were large; the surface discontinuous deation was mainly about cracks, and the ation mechanism and characteristics of the cracks were analyzed. The research achievements of this paper can guide 2-2 coal seam mining in Shendong minging area, at the same time, it also can provide the evidence for protection of preserve coal pillar and management of ecological environment. Keywords High intensity mining；Mine pressure；Strata movement；Surface destruction；Discontinuous deation. 万方数据 IV 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ III 目目 录录 .................................................................................................................... V 1 绪论绪论 ..................................................................................................................... 1 1.1 选题的目的及依据 ......................................................................................... 1 1.2 覆岩与地表破坏特征研究现状 ..................................................................... 2 1.2.1 国外研究现状 ...................................................................................... 2 1.2.2 国内研究现状 ..................................................................................... 4 1.3 浅埋煤层高强度开采研究现状 ..................................................................... 6 1.3.1 国外研究现状 ..................................................................................... 6 1.3.2 国内研究现状 ..................................................................................... 7 1.4 研究内容与方法 ............................................................................................. 9 1.5 研究的技术路线 ............................................................................................. 9 2 哈拉沟煤矿地质采矿条件哈拉沟煤矿地质采矿条件 ............................................................................... 11 2.1 神东矿区概况 ............................................................................................... 11 2.1.1 位置与交通 ....................................................................................... 11 2.1.2 地层地貌特征 ................................................................................... 11 2.1.3 可采煤层 ........................................................................................... 13 2.2 哈拉沟煤矿概况 ........................................................................................... 16 2.2.1 22407 工作面地质概况 .................................................................. 17 2.2.2 22407 工作面开采技术概况 .......................................................... 19 3 哈拉沟煤矿高强度开采矿压特征哈拉沟煤矿高强度开采矿压特征 ................................................................... 21 3.1 哈拉沟煤矿关键层的判别 ........................................................................... 21 3.1.1 22407 综采工作面关键层判别 ......................................................... 21 3.1.2 顶板破坏分析 ................................................................................... 26 3.1.3 矿压显现强度 ................................................................................... 27 3.2 矿压观测方法 ............................................................................................... 27 3.2.1 矿压观测的目的与任务 ................................................................... 28 万方数据 VI 3.2.2 矿压观测方案 ................................................................................... 28 3.3 矿压观测结果与分析 ................................................................................... 30 3.3.1 初采期间的矿压规律 ....................................................................... 30 3.3.2 末采期间的矿压规律 ....................................................................... 31 3.4 本章小结 ....................................................................................................... 33 4 哈拉沟煤矿高强度开采覆岩破坏特征相似模拟实验哈拉沟煤矿高强度开采覆岩破坏特征相似模拟实验 ................................... 35 4.1 相似模拟实验的设计 ................................................................................... 35 4.1.1 实验设计原则 .................................................................................... 35 4.1.2 实验目的及方案 ................................................................................ 37 4.2 实验的制作与观测 ....................................................................................... 37 4.2.1 模拟材料的选取 ................................................................................ 37 4.2.2 相似系数的确定 ................................................................................ 38 4.2.3 相似材料配比的选取 ........................................................................ 39 4.2.4 模型的制作与开挖 ............................................................................ 39 4.3 实验结果及分析 ........................................................................................... 43 4.3.1 实验过程 ............................................................................................ 43 4.3.2 实验结果与分析 ................................................................................ 49 4.4 本章小结 ....................................................................................................... 50 5 哈拉沟煤矿高强哈拉沟煤矿高强度开采地表破坏特征研究度开采地表破坏特征研究 ................................................... 53 5.1 地表移动观测站的建立与观测 ................................................................... 53 5.2 地表移动角量参数特征 ............................................................................... 57 5.2.1 稳态角量参数分析 ........................................................................... 57 5.2.2 动态角量参数分析 ........................................................................... 61 5.3 地表非连续变形特征及起因 ....................................................................... 64 5.3.1 地表非连续变形特征 ....................................................................... 64 5.3.2 地表非连续变形起因 ....................................................................... 68 5.4 本章小结 ....................................................................................................... 68 6 结论与展望结论与展望 ....................................................................................................... 71 6.1 结论 ............................................................................................................... 71 6.2 展望 ............................................................................................................... 72 万方数据 VII 参考文献参考文献 ............................................................................................................... 73 作者简历作者简历 ............................................................................................................... 79 学位论文数据集学位论文数据集 ................................................................................................... 81 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的目的及依据 煤炭资源作为人民生活与生产的主要动力来源，其基础地位在今后发展中不 可动摇。我国是一个煤炭生产和消费大国，近年来我国煤炭产量一直呈逐渐增加 的趋势，近几年我国煤炭产量为2011 年 35.2 亿吨，2012 年 36.6 亿吨，2013 年 37.1 亿吨,2014 年为 38.7 亿吨。2014 年 11 月份，国务院印发的能源发展战略行 动计划（20142020 年） 要求到 2020 年，我国一次能源消费量要控制在 48 亿 吨标准煤左右，其中煤炭消费量要控制在 42 亿吨左右。可见，今后对各类条件下 煤炭能源的开发仍是一项长期的任务。 我国的煤炭资源在地理分布上是极不均匀的，总体特征是西北多东南少、西 北厚东南薄。 据预测， 西北地区煤炭资源储量约为 40000 亿吨， 约占总储量的 75， 其中，探明煤炭储量约占全国探明煤炭储量的 80。近年在新疆地区勘探到多处 大型煤田，预测储量达 21900 亿吨，约占全国预测储量的 40％；在内蒙古地区勘 探到巨厚煤层煤田，已探明煤炭储量达 7323 亿吨，居全国第一，现在已经在府谷 东胜矿区建成神东、陕北两大煤炭基地，成为我国主要的煤炭生产基地。随着中 东部地区煤炭资源逐渐枯竭、开采难度增大、安全问题恶化和开采成本的增高， 煤炭资源开采势必将战略西移‖， 西北地区将成为未来中国煤炭能源开发的主要基 地。 与全国其他地区相比，西北地区煤炭资源赋存的总体特征是储量丰富，赋 存稳定；地质条件简单，埋藏浅，基岩薄，地表多为风积沙覆盖；煤层较厚，层 数较多且为近距离赋存，并且每一分层均可开采。西北地区这种简单的地质条件 有利于实施高强度开采[1] 。高强度开采是指厚煤层综合机械化一次采全高（放顶 煤或大采高支架综采） 、工作面尺寸较大、机械化程度高、推进速度快、资源采出 率高的高产高效采煤方法。随着煤炭科技的进步与发展，大型综采设备、支护设 备、高强度的运输设备以及综掘成套装备的推广使用，在我国西北地区已基本形 成高强度、高效率、高技术、高效益的地下开采模式[2-3] 。 我国西北地区地表主要为草原、荒漠、沙漠和戈壁，植被覆盖率低，属干旱 或半干旱地区，生态环境十分脆弱[4] 。随着煤炭资源的高强度开采，必将产生大 范围的岩层与地表移动，出现塌陷、裂缝、台阶、滑坡等，导致地下水流失、水 位下降，地表植被退化、土地荒漠化[5] ，使得西北地区本已非常脆弱的生态环境 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 更加恶化。地表沉陷、地下水下降、植被衰退等生态环境问题已成为西北矿区面 临的共性问题， 引发了多起矿村矛盾纠纷乃至国家三北‖防护林建设指挥部的高度 重视。如神府、东胜煤田已造成地表植被破坏面积达 26.6 万亩，年增加水土流失 量2780万吨； 哈拉沟煤矿附近的乌兰木伦河泥沙携带量数年间已增加到2.39亿吨； 位于陕北毛乌素沙漠前沿的神府矿区某矿开采导致地下水资源急剧下降，使该区 域沟渠断流，固沙植被枯死，严重影响当地人民的生产和生活[6] 。同时煤炭开采 时工作面的溃水溃沙给井下生产带来了严重的安全问题，影响了工作面的正常生 产，增加了煤炭开采成本。 西北地区煤炭资源的开发造成的采动损害不仅严重破坏了矿区的生态环境， 也严重制约着矿区的可持续发展。针对西北地区浅埋煤层高强度开采的特点，如 何既合理高效开采煤炭资源，又最大限度地减轻对生态环境的破坏是煤炭资源开 发中面临的重大课题。本文以神东集团哈拉沟煤矿为研究背景，在收集大量神东 矿区煤矿开采时引起的顶板覆岩与地表破坏特征的基础上，分析总结哈拉沟煤矿 高强度开采引起的顶板覆岩与地表破坏特征及其原因，研究成果对神东矿区以及 西北其他矿区煤炭资源的开采与生态环境的保护，以及提出合理的对策与调控技 术具有重要的理论价值和实际意义。 1.2 覆岩与地表破坏特征研究现状 煤层开采后势必引起上覆顶板岩层的破坏，发生垮落、离层和下沉，且引起 的破坏一般会通达地表，给人民的生产生活和生态环境带来很大的损失。目前国 内外许多专家和学者以及工程技术人员在煤矿开采引起的顶板覆岩和地表破坏特 征方面进行了许多研究，积累了丰富的经验，形成了一定的分析理论，取得了不 错的研究成果。 1.2.1 国外研究现状 在国外，矿山开采引起的顶板覆岩与地表破坏研究历史悠久；许多学者从不 同的角度、用不同的方法对开采引起的顶板覆岩与地表破坏变形规律进行了研究， 大致可把这些研究分为三个阶段[7] 。 1 初始阶段。早在十五世纪时，人们就开始关注开采造成的地表破坏问题。 1825 年与 1839 年， 比利时的专门委员会在对列日城开采损害程度进行的调查报告 中催生了开采沉陷的首个理论垂线理论‖，1858 年，比利时学者哥诺Gonot经过 深入研究将其深化成法线理论‖，认为开采影响范围可用相应点的层面法线确定； 万方数据 1 绪论 3 1871 年，比利时学者狄芒Dumont又对其进行了深入研究，指出法线理论适用条 件是倾角小于 68 的矿层开采情况，并建议把地表下沉值表示为W m cosαm 为 矿层厚度，α 为矿层倾角。1876 年，德国学者依琴斯凯（jicinsky）研究提出二 等分线理论‖，认为开采引起的地面沉陷问题可以用统一模式来描述。1882 年，耳 西哈教授又研究提出了自然斜面理论‖， 并提出了自然斜面角这一概念， 得出了从 完整岩石到厚含水冲击层六类岩层的自然斜面角，其角值范围为 54 ～84 ，这一 研究结论与现在采用的移动角概念接近，也是开采沉陷与岩性之间关系的最早研 究结论。 1885 年，法国学者约法尔（Fayol）通过模型研究，提出了煤层开采后顶板岩 层中可形成拱形理论‖。1885 年～1897 年，豪斯Hausse经过长期的研究，第一 次提出了采空区上方覆岩沉陷可分为三带‖分布模式， 即在工作面采空区上方由下 到上岩层依次形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中冒落带和裂缝带高度之和 约为采厚的 30～50 倍。 以上研究成果阐述了开采引起的地表破坏（沉陷或变形）模式，归纳了一些 确定影响范围的方法，为煤矿开采设计保护煤柱、减小对山体的扰动、改变塌陷 坑的形态等提供了重要的依据。所积累的经验和形成的理论对现在开采沉陷问题 的研究仍有一定的指导意义。 2 形成阶段。十九世纪二十年代以后，随着开采沉陷现场测量方法的广泛 应用，开采沉陷理论的发展得到很大进步，连续介质理论和非连续介质理论也被 许多专家和学者用来研究矿山开采造成的沉陷问题。如建立在连续介质理论基础 上的弹-塑性有限元、边界元和离散元等，在现在的工程研究中得到了广泛应用， 而非连续介质力学中的随机介质理论也被广泛应用在各个工程领域，对工程生产 与建设起到了很好的指导作用。1932 年，巴尔斯（Bals）研究提出了连续影响分 布的概念，指出可用牛顿引力定律来解释开采对地表造成的影响，这一理论将开 采面积造成的影响范围作离散性数值划分，结果非常理想，可适用于对各种数学 模型和各种开采条件的分析。 1947 年，前苏联学者阿丰尔申以数学和力学方法对开采沉陷问题进行了细致 的理论研究，建立了地表下沉剖面方程及数学塑性理论。1950 年后，波兰学者克 诺泰和布德雷克又对开采沉陷问题进行了大量的研究工作，提出把高斯曲线作为 影响函数，并应用此方法对以往的沉陷理论和参数进行了修正，建立了完整的地 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 4 表移动体系。克诺泰选用高斯曲线作为分析研究的影响曲线，由此得到的正态分 布类型就是国内通称的概率积分法，此法在我国得到了很好的应用。布雷德克提 出了水平煤层开采条件下地表水平移动与地表倾斜成正比的观点，巧妙地解决了 克诺泰没有解决的水平移动和水平变形问题，形成了著名的布德雷克克诺泰理 论。1954 年，波兰李特威尼申等学者提出了随机介质理论。他们认为，随机介质 的颗粒介质模型所描述的规律与开采沉陷规律在宏观上相似，因此可以把地下开 采引起的岩层及地表沉陷过程看作是随机过程。 这一时期学者已经开始研究顶板与地表破坏的本质原因，探讨破坏机理，从 数学模型、介质材料方面提出了分析理论。提出了概率积分计算方法思想的雏形， 为接下来顶板与地表破坏的计算分析提供了最简单有效的研究方法。 3 发展阶段。由于地下工程的复杂性，很难用具体的解析公式定量地求解 问题。在这个阶段，随着计算机技术的迅速发展，应用计算程序进行数据分析的 方法非常普遍，陆续问世的有限元、离散元、边界元等其他算法和程序在岩石工 程问题中充分发挥了各自的长处，用计算机程序来完成以往复杂的计算分析过程， 减少了人员的大量工作，提高了数据分析精度。目前最为成熟和有效的有限元法 与程序仍在不断的发展，离散元程序也在不断出现，另一方面又出现了一些新的 算法和程序，如目前应用广泛的 ANSYS、UDEC、FLAC3D 等程序都是基于以上 算法开发的岩土分析软件。其中，有限元法作为一种易学易用的数值分析方法， 在岩石力学与岩土工程领域中得了快速发展，成为各类数值分析计算中应用最为