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pillars. Under the coal seam working face, the phenomenon of dynamic load pressure in the pillar coal pillar group and the spacing coal pillars has great harm to the safe and high-efficient mining of the coal mine working face. Therefore, the study on the mechanism of its dynamic load rock pressure provides reference and technical solutions for the safety problems encountered by fully mechanized coal mining under close-range coal seam under the overlying chamber of the mine at Yushenfu coal mine. Key wordsShallow Coal Seam; The coal pillar of room; Downward mining; Dynamic Pressure ThesisApplication research 目录 I 目录 1 绪论..........................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义...............................................................................................................1 1.2 浅埋煤层开采覆岩运动规律研究现状...........................................................................2 1.2.1 浅埋煤层开采覆岩运动规律国外研究现状........................................................2 1.2.2 浅埋煤层开采覆岩运动规律国内研究现状........................................................2 1.3 残留煤柱稳定性研究现状...............................................................................................4 1.3.1 残留煤柱稳定性国外研究现状............................................................................4 1.3.2 残留煤柱稳定性国内研究现状............................................................................4 1.4 研究内容、研究方法和技术路线...................................................................................5 1.4.1 研究内容................................................................................................................5 1.4.2 研究方法................................................................................................................6 1.4.3 技术路线................................................................................................................6 2 房柱式煤柱稳定性机理及煤柱底板应力传递规律..............................................................8 2.1 矿井基本情况...................................................................................................................8 2.1.1 矿井概况................................................................................................................8 2.1.2 煤层赋存特征........................................................................................................8 2.1.3 煤层开采情况........................................................................................................9 2.2 煤岩物理力学性能.........................................................................................................11 2.2.1 煤岩物理力学参数..............................................................................................11 2.2.2 关键层位置判定..................................................................................................12 2.3 房柱区残留煤柱稳定性及应力分布.............................................................................13 2.3.1 煤柱受力情况......................................................................................................13 2.3.2 煤柱的极限强度..................................................................................................14 2.3.3 煤柱稳定性安全系数..........................................................................................15 2.3.4 煤柱塑性区宽度..................................................................................................15 2.4 煤柱稳定性影响因素数值分析.....................................................................................17 2.4.1 房式开采应力分布特征......................................................................................17 2.4.2 煤房煤柱比例对煤柱应力分布的影响..............................................................20 2.5 煤柱集中载荷在底板中的传递特征.............................................................................21 2.6 本章小结.........................................................................................................................23 3 动载矿压规律物理模拟........................................................................................................25 目录 II 3.1 实验内容及模型设计.....................................................................................................25 3.1.1 实验内容..............................................................................................................25 3.1.2 相似参数及相似材料的选择..............................................................................25 3.1.3 模型铺设..............................................................................................................26 3.1.4 实验监测系统......................................................................................................27 3.2 实验过程及主要现象分析.............................................................................................28 3.3 房柱式采空区下矿压规律分析.....................................................................................33 3.3.1 压力传感器数据..................................................................................................33 3.3.2 模型表面位移数据..............................................................................................36 3.3.3 声发射数据..........................................................................................................37 3.4 本章小结.........................................................................................................................39 4 房柱式采空区下煤层动载矿压机理....................................................................................41 4.1 顶板破断运动力学分析.................................................................................................41 4.1.1 覆岩运动条件下长壁综采面支架承载特征......................................................41 4.1.2 覆岩运动模型力学分析......................................................................................42 4.2 工作面过煤柱群开采时矿压分析.................................................................................44 4.2.1 煤柱群失稳力学分析..........................................................................................44 4.2.2 煤柱群失稳发生动载矿压过程..........................................................................44 4.3 工作面过间隔煤柱时动载矿压分析.............................................................................46 4.4 本章小结.........................................................................................................................49 5 动载矿压规律数值模拟........................................................................................................50 5.1 房柱采空区下开采数值模拟.........................................................................................50 5.1.1 模型建立..............................................................................................................50 5.1.2 覆岩应力变化......................................................................................................52 5.1.3 下煤层开采覆岩应力分布..................................................................................54 5.2 工作面过不同宽度煤柱模拟分析.................................................................................57 5.2.1 工作面过 4m 煤柱开采过程...............................................................................57 5.2.2 工作面过 8m 煤柱开采过程...............................................................................58 5.2.3 工作面过 15m 间隔煤柱开采过程.....................................................................59 5.3 本章小结.........................................................................................................................61 6 动载矿压灾害防治................................................................................................................62 6.1 危险区域预测.................................................................................................................62 6.2 煤柱预爆弱化设计.........................................................................................................62 6.2.1 爆破钻孔设计......................................................................................................63 目录 III 6.3.2 爆破参数..............................................................................................................64 6.3.3 过程控制..............................................................................................................64 6.4 本章小结.........................................................................................................................65 7 结论与展望............................................................................................................................67 7.1 结论.................................................................................................................................67 7.2 展望.................................................................................................................................67 致谢...........................................................................................................................................68 参考文献...................................................................................................................................69 附录...........................................................................................................................................73 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 浅埋近距离煤层综合机械化开采工作面过上方残留的房柱式煤柱群时所产生的动载 矿压和压架现象，已经成为我国西北矿区，例如鄂尔多斯、榆林等矿区所面临的具体和 具有严重威胁的实际工程问题。这其中尤其是陕北地区由于历史原因在矿区进行大规模 生产开采前大多采用房柱式开采的方式。这种开采方法是利用煤层开采后留设煤柱或采 用充填法，用充填材料充填煤房以此来支撑开采工作面上方的顶板结构。但是房柱式开 采这种方法最大的弊端是造成我国大量煤炭资源浪费， 这些矿区残留大量的房柱式煤柱， 浪费的煤炭资源更是高达 18 亿 t。而且这些大面积的采空区残留煤柱容易形成局部应力 集中，当应力集中过大，可能会破坏房柱式煤柱周边的岩层结构。随着时间的推移，房 柱式煤柱由于自然风化作用、煤柱内部发生蠕变、破裂等现象。这些因素的集中影响， 会导致部分煤柱发生失稳破坏，甚至是波及到相邻的煤柱。从而可能引发大面积的例如 像“多米诺骨牌”似的失稳效应，最终造成房柱式采空区顶板大面积塌陷。由于瞬间失 稳和顶板来压，产生的飓风和冲击矿压灾害会对井下工作人员生命安全及矿井开采设备 设施等财产安全造成严重的威胁和隐患，甚至会引发矿震灾害。尤其是陕北矿区采用的 长壁式机械化开采在过房柱式采空区下方时，会受到层间岩层之间作用力以及采空区顶 板跨落后充填程度的共同作用，工作面顶板上方的覆岩基本很难形成像“砌体梁”式[2] 的岩块咬合结构，而且上方煤层房柱式开采后所残留的房柱式煤柱会在采空区底板形成 较大的应力集中。产生的应力集中力在不断的聚集过程中会导致围岩的应力环境发生巨 大的变化，从而导致下部煤层长壁式机械化开采相比较在单一的煤层地质条件下开采， 会产生大量新的矿压显现现象。例如我国内蒙古地区的凯达矿曾经就出现过长壁开采工 作面过上方房柱式采空区时发生直接顶突然沿工作面煤壁整体切断，造成工作面支架大 面积压死等事故。 韩家湾煤矿是典型的陕北侏罗纪煤田，浅埋多煤层生产矿井由于开采煤层上下层层 间间距较小，当下煤层进行机械化开采时，两煤层间相互影响较大，当开采工作面过上 方房柱式煤柱群时，开采工作面会发生一些支架大面积压死和损毁。这些事故严重威胁 着煤矿安全高效生产，因此本论文将针对我国陕北地区浅埋近距离为地质条件，以陕北 矿业公司韩家湾煤矿房柱式采空区下 3-1煤层长壁机械化开采工作面为具体的研究背景， 采用学校实验室相似模拟物理实验，理论分析及计算机软件数值模拟等方法综合运用， 从而研究下煤层长壁开采工作面顶板受到上煤层残留煤柱失稳后发生的动载矿压的影响 机理，分析煤柱的稳定性和岩层的运移规律，提出合理的治理方案，预警动压危险。 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 表表 1.1 近近 15 年发生的动载矿压事故年发生的动载矿压事故 矿井 压架 位置 采高 /m 支架工作 阻力/KN 埋深 /m 煤层间距 /m 活柱下缩 量/mm 备注 大柳塔 煤矿 221033.61200086.123.31500 6679 号支架立柱被压坏，50～ 93 号支架安全阀被损坏。 伊泰凯 达煤矿 16011.7680047.613.11700 40102 号支架安全阀猛烈开启 共 62 台支架全部被压死， 造成 工作面停产 2 天。 活鸡兔 煤矿 21304 21306 4.3 4.3 8638 12000 97.6 97.1 19.2 21.3 1200 1200 支架活柱急剧下缩 1200mm。 支架安全阀剧烈开启，工作面 顶板出现整体大幅度下沉。 石圪台 煤矿 121052.8882478.65.3～13.61200 出现煤壁片帮严重、炸帮、切 顶以及支架安全阀大量开启现 象。 1.2 浅埋煤层开采覆岩运动规律研究现状 1.2.1 浅埋煤层开采覆岩运动规律国外研究现状 国 外 对浅埋 近距煤 层围 岩运移 规律进 行了大 量的研 究。 其中澳 大利亚 B.K.Hebblewhite 教授及 L.Holla[3]等人他们研究得到浅埋煤层顶板在工作面开采后会沿 着采空区的边缘处发生切落。随着工作面的推进，在顶板破断垮落的期间，液压支架的 工作阻力因为围岩运动会迅速增高。当工作阻力超过液压支架的支撑能力后，此时工作 面来压由于迅速且剧烈进而发生动载矿压现象。南非的煤炭企业现在主要是进行简单的 房柱式开采后地表沉陷的预警预测和房柱式煤柱载荷大小的确定，以及煤柱稳定性影响 因素等方面的研究[4]。英国和美国的学者主要是对地表岩层运移和工程地质评价研究较 多[5]。 B.B.Bodrac[7]教授通过放顶煤开采后出现的动载现象进行研究分析， 得到浅埋煤层开 采后顶板来压与普通采场开采后顶板相比，矿压显现更为强烈，与普通的从下至上逐层 变形垮落的普通采场相比，来压显现特征有着较为明显的差别。 1.2.2 浅埋煤层开采覆岩运动规律国内研究现状 我国的专家学者近些年对浅埋煤层房柱式采空区煤柱煤柱对下煤层开采顶板垮落影 响， 以及工作面周边覆岩结构特征和关键层运动规律进行了大量研究， 经过了几十年的 研究，我国在这方面取得了丰富的成果[8-24]，如表 1.2 所示。 表表 1.2 我国浅埋煤层开采覆岩运动规律研究发展我国浅埋煤层开采覆岩运动规律研究发展 学者研究成果 侯忠杰对浅埋煤层顶板的破断机理及顶板控制进行深入分析，根据浅埋煤层中基岩的抗剪厚度和支架对破 1 绪论 3 断岩块的共同作用，反算其上覆松散层的重量，推算是否发生台阶下沉的判断依据及支架的临界支护强 度。 黄庆享 研究了老顶岩块挤压点的挤压和摩擦性质，确定了顶板结构定量化分析的关键参数，老顶岩块挤压 点的挤压因素和摩擦因素。在物理试验和现场实测分析的基础上，将初次来压分成两个阶段，并建立了 老顶岩块接触前的“非对称三角拱”结构和接触后的“单斜岩块”结构模型，指出浅埋煤层顶板块度大时，老 顶岩块接触前后的顶板结构容易出现滑落失稳，这是造成初次来压强烈和台阶下沉的根本原因。提出了 周期来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构。在顶板载荷中引入了载荷传递因子，按支架和围岩共同承载的 观点给出了采场支护阻力的确定方法。 许家林 研究了神东矿区浅埋煤层的关键层结构类型及其破断失稳特征，将浅埋煤层覆岩关键层结构类型划 分为单一关键层和多层关键层结构。同时认为关键层破断块体结构承担的载荷层厚度大而不能满足砌体 梁结构不发生滑落失稳的条件，从而导致关键层破断块体滑落失稳，这是导致神东矿区浅埋煤层单一关 键层结构工作面易出现台阶下沉和压架出水等采动损害问题的力学机理。 蔡美峰 通过对大柳塔煤矿 1-2煤层及其赋存地层构造特征、岩性组分显微结构特征和煤岩微观与宏观断裂特 征的综合试验研究，指出覆岩松软、微裂隙发育、软弱层多、整体强度低是在开采过程中顶板覆岩断裂 破坏引起采空区动力失稳的内在原因。从时空过程分析，采空区的失稳破坏可分为两个阶段岩层在重 力和冲击荷载作用下的从微观到宏观不断演化发展的断裂、离层阶段和断裂后冒落及动力冲击失稳阶段。 张杰 通过对大柳塔煤矿 1-2煤层及其赋存地层构造特征、岩性组分显微结构特征和煤岩微观与宏观断裂特 征的综合试验研究，指出覆岩松软、微裂隙发育、软弱层多、整体强度低是在开采过程中顶板覆岩断裂 破坏引起采空区动力失稳的内在原因。从时空过程分析，采空区的失稳破坏可分为两个阶段岩层在重 力和冲击荷载作用下的从微观到宏观不断演化发展的断裂、离层阶段和断裂后冒落及动力冲击失稳阶段。 王旭锋 基于沙土质型冲沟坡体下浅埋煤层长壁开采顶板结构承受非均匀载荷的基本特征，采用理论分析与 现场实测的方法，以工作面背沟推进为主要方式，将冲沟坡体及其形态纳入顶板结构控制当中，结合冲 沟坡体下开采基本顶初次破断与周期破断时的顶板结构力学模型，按给定失稳载荷状态，分析了工作面 来压期间的“支架-围岩“作用关系模型，得到了控制顶板结构滑落失稳的支护阻力。 杨治林 应用初始后屈曲理论和尖点突变模型分析了顶板岩层分岔失稳的机理及其屈曲后的不稳定性，得出 了采场老顶初次来压时的断裂下沉计算公式，建立了顶板破断后台阶下沉的判据并给出了台阶下沉量。 在顶板破断后岩块处于非平衡状态，台阶下沉是由单一岩块逆向回转引起的，且台阶下沉与断裂下沉之 间存在着确定的关系。 朱卫兵 根据现场采动覆岩内部岩移钻孔的原位测试结果，指出主关键层完全控制了上覆基岩与砂砾岩层的 运动，基岩与砂砾岩层的运动随着主关键层的破断出现相应的周期性变化，并对地表沉陷观测时间间隔 提出了建议。在此基础上分析了浅埋上煤层已采单一关键层结构的破断失稳特征与动载矿压显现发生条 件。 孙远进 根据榆阳矿区煤层赋存特征埋藏浅、基岩薄、煤系地层上方为厚风积沙层覆盖层、地质构造简单， 采用相似材料模拟及数值计算等多因素拟合，指出厚风积沙层下浅埋煤层采动形成的顶板结构和来压特 征与普通非薄基岩浅埋煤层存在明显的区别，顶板难以形成稳定结构，表现出明显的动压和台阶下沉特 性，形成了薄基岩浅埋煤层的顶板“台阶岩梁”结构。 解兴智 认为浅埋深房柱式采空区下长壁工作面顶板结构呈现上部大结构下部小结构的特征，工作面周期来 压的不等距和来压强度的不等强性，是长壁采场支架失稳的主要原因。 综上所述，经过大量国内外学者的研究，可以知道浅埋煤层房柱式采空区下长壁式 综合机械化开采矿压规律显现特点和单一的浅埋煤层开采有很大的不同，尤其是当上下 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 两煤层间距小对工作面矿压显现想想影响更为明显，重复采动将会导致关键层结构不稳 定， 当关键层结构由于围岩应力转移而超负荷时将会导致下房煤柱失稳， 引发动载矿压。 1.3 残留煤柱稳定性研究现状 1.3.1 残留煤柱稳定性国外研究现状 国外学者对房柱式开采留设煤柱的稳定性进行了大量研究。其中 Salamon[25]教授等 进行了煤柱强度的综合研究。澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）提出的煤柱设计方法 论[26]，给澳大利亚煤矿企业提供了科学的煤柱设计方案。印度由于自身技术原因，绝大 多数煤矿企业选择采用房柱式开采方法，发生了大量房柱式顶板事故[28]。他们采用的房 柱式煤柱设计公式大多通过经验公式得到，采用的安全系数过大，造成大量的煤炭资源 浪费[29]。煤炭企业为了改变提高采出率，一般选择两切宽垛的方法[30]。这种方法分析表 明可以保证煤炭开采后煤柱稳定性，而且在浅埋煤层的地质条件下，运用这个方法可将 煤炭采出率提高至 61[31]。 1.3.2 残留煤柱稳定性国内研究现状 近些年我国学者对房柱式残留煤柱稳定性进行了大量研究[32-43]，如表 1.3 所示。 表表 1.3 我国浅埋煤层开采覆岩运动规律研究发展我国浅埋煤层开采覆岩运动规律研究发展 学者研究成果 侯忠杰 根据府谷南梁煤矿浅埋煤层顶板条件，研究长壁间隔式开采方法代替了原采用的房柱式和刀柱式开 采，采用相似材料模拟实验、数值模拟、理论分析和现场试验确定间隔开采方法工作面合理开采段长度 为 50m，煤柱宽度为 10m，实现了刚性隔离煤柱间的小面积无灾害垮落，使之成为榆神府矿区中小型矿 井首先成功采用长壁布置单体支柱开采的矿井。 刘纯贵 采用相似材料模拟发现两硬浅埋煤层刀柱开采发生大面积来压，是由于中间煤柱失稳破坏诱发其相 邻煤柱的片帮剥落，形成煤柱破坏的多米诺效应，形成覆岩的大面积切冒。 王家臣 针对房柱式开采采空区及煤柱情况，提出了带柱帽的无梁楼盖体系计算模型，对煤柱和顶板内的应 力、位移进行了详细计算及破坏过程分析，提出了某个煤柱首先破坏后，会产生连锁破坏效应，同时采 用相似材料模拟试验和 FLAC3D数值计算验证了计算模型的正确性。 王金安 针对房柱式开采坚硬顶板大面积冒落的特征，考虑到煤柱尺寸和分布间距的无规律性以及煤柱个体 之间强度的差异性等带来的煤柱支承状况的随机、非均和不确定性，引入模糊集理论研究了非均因素对 煤柱群体支承能力弱化过程、失效系数的影响，给出了表征煤柱个体间支承状况非均性的隶属函数和支 承煤柱模糊失效系数的条件隶属函数关系式，并讨论了隶属函数的取值原则。 石洪涛 对极近距离煤层刀柱采空区下长壁开采矿压及其控制进行了理论分析和数值模拟研究，提出了有利 于极近距离煤层刀柱采空区下长壁综采的布置方案。 鲍凤其 采用 UDEC 数值模拟分析了 3 种不同开采煤房煤柱参数下的煤柱塑性区分布，指出当煤柱尺寸留设 合理时煤柱中间处于弹性区内，稳定性较好;当煤柱尺寸过小时，煤柱全部处于塑性区，煤柱发生剪切破 坏失去稳定性。煤柱的帮角易出现应力集中现象，当煤柱尺寸留设足够大时其中间应力值较小，煤柱尺 1 绪论 5 寸较小时，整个煤柱都处于高应力区，煤柱因承载能力降低而失去稳定性。 屠世浩 从岩体弹性能角度研究了上层遗留煤柱失稳造成冲击式来压和压架的机制，分析了工作面矿压规律 并提出了相应的顶板控制技术研究了浅埋房柱采空区下近距离煤层开采时采场岩层的宏观变形特征、渐 进断过程、矿压显现规律和房柱尺寸等，提出了采场顶板控制和灾害预防的措施。 鞠金峰 通过煤柱上方关键块体结构的稳定性分析以及模拟实验，对工作面出煤柱阶段动载矿压发生的机理 和规律进行了研究。得出煤柱阶段煤柱上方两关键块体形成的三铰式结构是不稳定的，两关键块体会随 下部岩层的下移而发生相对旋转运动，最终导致下煤层关键层断裂块体上覆载荷过大而失稳，是工作面 动载矿压发生的根本原因。 白庆升 对浅埋近距离房式煤柱下长壁工作面回采将受到上煤层采空区遗留煤柱和本煤层工作面动压的共同 影响。针对石屹台矿 3-1-2 煤层工作面顶板压力大、支架被压死等问题，采用理论分析、数值模拟及现场 试验等方法，探讨采动应力演化规律及压架致灾机制。 综上所述，房柱式煤柱的稳定性和煤柱的尺寸以及煤柱在底板处的应力集中程度有 关，较大尺寸的煤柱弹性核区大，稳定性好，但应力集中影响深度大，其中过煤柱群时 和间隔煤柱发生的煤柱失稳，进而造成的动载矿压灾害，严重威胁下煤层开采。因此， 本论文将在前面的学者的研究基础上，对浅埋近距离房柱式采空区下长壁开采工作面， 遇到的动载矿压机理进行研究。 1.4 研究内容、研究方法和技术路线 1.4.1 研
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