急倾斜煤层充填开采相似模拟实验研究.pdf

密密级级公开 中图分类号中图分类号TD823 硕硕士士学位论文学位论文 急倾斜煤层充填开采相似模拟实验研究急倾斜煤层充填开采相似模拟实验研究 研研 究究 生生廖泽廖泽 导导师师冯冯 涛涛 教授教授 学学科科矿业工程矿业工程 研究方向研究方向南方复杂煤层开采南方复杂煤层开采 2018年年6月月 万方数据 A Thesis ted for the Degree of Master Similar Simulation Experiment Study on Steep Seam Filling Mining CandidateLiao Ze Supervisor and RankProf.Feng Tao 万方数据 急倾斜煤层充填开采相似模拟实验研究急倾斜煤层充填开采相似模拟实验研究 学术类型学术类型学术型学位 作者姓名作者姓名廖泽 作者学号作者学号15010101005 学科（专业学位类别学科（专业学位类别 矿业工程 研究方向（专业领域研究方向（专业领域 南方复杂煤层开采 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称冯涛 教授 实 践 导 师 姓 名 及 职 称实 践 导 师 姓 名 及 职 称 所在学院所在学院资源环境与安全工程学院 论文提交日期论文提交日期2018 年 6 月 万方数据 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论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名日期年月日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名日期年月日 导师签名日期年月日 万方数据 i 摘要摘要 本文以国家自然科学基金“三下”急倾斜煤层充填长壁综采岩层控制及地表沉陷规 律研究项目（51274095）为依托，以湘永煤矿 2463 工作面为地质资料背景，围绕急倾 斜煤层充填开采的相似模拟实验， 通过理论分析、 实验室力学实验及相似材料配比实验、 物理相似模拟实验等研究方法，主要有以下研究成果 （1）建立了倾斜岩梁力学模型，分析推导了急倾斜煤层工作面采空区在充填与不 充填情况下顶板倾斜岩梁的弯曲挠度方程，充填开采后可以有效地减小工作面顶板的弯 曲变形挠度。 （2）选用河沙为骨料，石膏水泥为胶结材料，配以合适的骨胶比制作而成的相似 材料抗压强度可控制为 0.110MPa 之间，相似材料强度范围较广，能够应用于相似比在 1201200 之间的物理相似模型的实验，能够满足急倾斜煤层开采的模拟岩层类型。 （3）设计研制了急倾斜煤层开采平面相似模拟实验装置，该装置主要由实验架、 填模装置、杠杆加载装置、多角度开采承压观测装置以及缓冲装置等组成。该装置具有 结构简单合理、成本较低、操作方便及适用范围广等特点。 （4）充填开采对工作面顶板以及地表的位移均能起到限制作用。煤层顶板的变形 主要发生在中上部，下部顶板由于直接顶跨落后的自动滑落至采空区下部，从而对下部 顶板起到了一定的支撑作用。 （5）急倾斜煤层在进行充填开采时，岩层未发生较大的移动变形，充填对工作面 上覆岩层起到了很好的支撑限制作用； 垮落开采时， 工作面上覆岩层出现了大面积垮落， 形成了急倾斜煤层开采独特的垮落破坏形态与规律，工作面上部顶板断裂区形成了“F” 字形态。 （6）将顶板简化为倾斜的岩梁，在工作面开采后，顶板出现悬露，当悬露的长度 大于倾斜岩梁的极限跨距时，顶板发生了破断，由于直接顶垮落矸石自动滑落至下部采 空区对下部顶板起到的支撑作用，顶板的悬露面积逐渐减小，顶板的断裂位置逐渐向上 移动；上部岩层的悬露长度一层比一层减小，直至悬露长度小于岩层的极限跨距，顶板 将不再发生破断。 关键词急倾斜煤层；相似模拟；充填开采；覆岩移动 万方数据 ii 万方数据 iii ABSTRACT This paper relies on the National Natural Science Foundation of Chinas “Three-Lower“ steeply-inclined coal seam to control the length of longwall fully-mechanized caving strata and the research on surface subsidence. The 2463 working face of Xiangyong Coal Mine is used as the background of geological data, and similar simulations are pered around the steeply-inclined coal seam. Experiments, through theoretical analysis, laboratory mechanics experiments and similar material proportioning experiments, physical similarity simulation experiments and other research s, mainly have the following research results 1 The tilted rock beam mechanics model was established, and the bending deflection equation of the inclined roof rock beam of the steep inclined coal seam working face under the condition of filling and no filling was analyzed and deduced. The bending deation deflection of the roof of the working face can be effectively reduced after mining. 2 The compressive strength of a similar material made of Hesha as aggregate, gypsum cement as cement material, and the ratio of suitable bone glue ratio can be controlled to be between 0.110MPa. The similar material has a wide range of strength and can be applied to similar ratios. The physical similarity model between 1201200 can basically satisfy the type of simulated rock ation in steep inclined coal seam mining. 3 A plane similar simulation experiment device for steeply inclined coal seam mining was designed and developed. The device is mainly composed of an experimental frame, a mold filling device, a lever loading device, a multi-angle mining pressure bearing observation device, and a buffer device. The device has the advantages of simple and reasonable structure, low cost, convenient operation and wide application range. 4 Filling and mining can limit the displacement of the roof and the surface of the working face. The deation of the roof of the coal seam occurs mainly in the middle and upper part, and the lower roof automatically slips and falls to the lower part of the goaf due to the direct roof and backward, thus playing a certain role in supporting the lower roof. 5 When the steeply-inclined coal seam is filled and mined, there is no large movement and deation of the rock strata, and the filling plays a very good role in limiting the overlying strata on the working face; in the case of falling mining, there is a large area of overburden on the working face. The ation of a unique collapse pattern and laws of steep coal seam mining has been ed, and the“F”shape has been ed on the top face of the work. 6 The top plate is simplified as a sloping rock beam. After the face is mined, the top plate appears hanging. When the length of the hanging is larger than the limit span of the inclined rock beam, the top plate breaks, and the direct top rockfall automatically falls to the lower part. The supporting effect of the goaf on the lower roof, the suspended area of the roof 万方数据 iv is gradually reduced, the fracture position of the roof is gradually moved upwards; the length of the suspended rock on the upper rock layer is reduced by more than one layer until the suspended length is smaller than the rock layer. With a limit span, the roof will no longer break. Keywords Steeply inclined coal seam ；； Similar simulation ；； Fill mining ；； Overlay movement 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目目录录 摘要......................................................................................................................................i ABSTRACT...................................................................................................................... iii 第一章 绪论.......................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义..................................................................................................1 1.2 国内外研究现状..................................................................................................2 1.2.1 急倾斜煤层充填开采研究现状...............................................................2 1.2.2 急倾斜煤层开采相似模拟实验研究现状................................................5 1.3 主要研究内容与研究方法..................................................................................7 1.3.1 研究内容...................................................................................................7 1.3.2 研究方法...................................................................................................7 1.3.3 研究路线...................................................................................................8 第二章 急倾斜煤层充填开采覆岩移动理论分析...........................................................9 2.1 急倾斜煤层特点..................................................................................................9 2.1.1 地质特点...................................................................................................9 2.1.2 急倾斜煤层开采特点...............................................................................9 2.1.3 急倾斜煤层充填开采特点.....................................................................10 2.2 急倾斜煤层覆岩移动力学模型........................................................................11 2.2.1 力学模型建立.........................................................................................11 2.2.2 覆岩移动力学分析..................................................................................12 2.3 本章小结............................................................................................................17 第三章相似材料配比实验研究...................................................................................19 3.1 相似材料原料选择............................................................................................19 3.1.1 相似材料原料的选择原则.....................................................................19 3.1.2 相似材料的原料选择.............................................................................20 3.2 相似配比实验....................................................................................................20 3.2.1 试件的制作.............................................................................................20 3.2.2 试件力学性能测试及结果.....................................................................21 3.3 实验结果以及误差分析....................................................................................24 3.3.1 骨料粒径影响实验结果分析.................................................................24 3.3.2 不同骨胶配比实验结果分析.................................................................27 3.3.3 材料压实度影响实验结果分析.............................................................28 3.3.4 实验误差分析.........................................................................................31 万方数据 目录 3.4 本章小结............................................................................................................31 第四章物理相似模拟实验平台的研制.......................................................................33 4.1 现有相似模拟平台概述....................................................................................33 4.2 急倾斜煤层开采平面相似模拟实验装置........................................................34 4.2.1 实验装置的结构特点.............................................................................34 4.2.2 相似材料填模装置.................................................................................35 4.2.3 杠杆重力加载装置.................................................................................36 4.2.4 多角度开采承压观测装置.....................................................................38 4.2.5 缓冲装置.................................................................................................39 4.2.6 急倾斜煤层开采平面相似模拟实验过程.............................................40 4.3 本章小结............................................................................................................41 第五章急倾斜煤层充填开采相似模拟实验...............................................................43 5.1 相似模拟实验原理............................................................................................43 5.1.1 物理相似模拟理论发展.........................................................................43 5.1.2 相似模拟实验原理.................................................................................44 5.2 相似材料模拟实验............................................................................................45 5.2.1 实验原型概况.........................................................................................45 5.2.2 模型的制作与模型参数.........................................................................47 5.2.3 模型的监测.............................................................................................50 5.3 相似模拟实验结果分析....................................................................................51 5.3.1 岩层位移变化结果分析.........................................................................51 5.3.2 岩层移动破坏结果分析.........................................................................56 5.3.3 岩层应力监测结果分析.........................................................................57 5.4 本章小结............................................................................................................58 第六章结论与展望.......................................................................................................61 6.1 结论....................................................................................................................61 6.2 展望....................................................................................................................62 参考文献...........................................................................................................................63 附录攻读学位期间发表的论文与科研成果...............................................................67 致谢...............................................................................................................................69 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 -1- 第一章第一章绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 在我国，急倾斜煤层是指煤层赋存倾角大于 45的煤层，据统计[13]，急倾斜煤层在 我国煤炭总储量的占比大约为 17，但开采总量只占了全国开采总量的 3.8。此类煤 层的安全高效机械化开采是一个世界性难题。我国 600 多处的国有煤矿以及地方重点煤 矿中，进行急倾斜煤层开采的矿井达到有 100 多处，比例占了 16.5。然而，随着煤矿 的开采强度增加，这就使得大量优质的煤炭资源快速枯竭，为了保证我国煤矿得到可持 续发展，大部分的矿区开始考虑进行急倾斜煤层的开采，保障其资源的可持续开采。譬 如，早期开采的中东部河北邢台和开滦、安徽淮南、山东兖州、江苏徐州等矿区，加 上西部矿区存在大量的急倾斜煤层宁夏省区矿区、新疆、甘肃、贵州、云南、重庆、 四川等，尤其在西部地区很多都是以煤炭作为主要的经济支撑，急倾斜煤层开采势在必 行[411]。据统计，急倾斜煤层开采占据了西部矿区中 50以上的比例，资源的回收率尚 不足 30[12]。 由于缺少急倾斜煤层开采相应的岩层移动规律及其控制理论支持以及相关 科学合理的开采方法，导致急倾斜开采工作面出现围岩不易控制等难题，设备系统稳定 性差，安全状况有待改善，工作面煤层开采后的采空区地表下沉难以控制，而缓倾斜或 近水平的岩层移动控制理论和技术不适用于急倾斜煤层开采。 为了能够最大限度的采出煤炭资源，同时减小地表沉陷，保护岩层以及地表不受采 动的影响，选择技术可行且合理的开采方法与技术是有必要的。急倾斜煤层充填开采能 够很好的解决这些问题，在提高煤产量的同时，既保证了煤的资源回收，又能够很大程 度的减小地表下沉，使地表的建筑路，铁路公路免受影响。因此充填开采方法在我国煤 矿“三下”开采领域得到广泛应用，很好的解决了地表沉陷问题。当前，急倾斜煤层充 填开采在国内急倾斜矿山中应用较少， 重庆中梁山等煤矿在 19601970 年开始尝试对急 倾斜煤层进行充填开采，其矿上的煤炭回采率以及安全生产得到了全面的提高，但急倾 斜煤层充填开采并未取得有效地推广应用， 分析其原因主要为 开采工艺本身较为复杂， 在增加充填开采后，必然会增加整个回采过程的工序以及设备，给工作面带来一些安全 隐患，同时，急倾斜煤层开采时，上覆岩层的矿压显现相对于缓倾斜或近水平煤层来说 不明显，其工作面围岩的变相破坏较小，因此，在煤层埋藏很深时，即使是在“三下” 条件下，也并没有采用急倾斜煤层充填开采。 急倾斜煤层进行充填开采能够有效的控制工作面顶底板，尤其是近距离煤层，能够 使邻近的煤层不受扰动破坏， 减少保护煤柱的损失， 减小围岩移动， 减轻地面塌陷危害。 但由于急倾斜煤层地质构造的特殊性，大部分煤矿对急倾斜煤层开采并未进行开采充 万方数据 第一章绪论 -2- 填，并没有形成系统的方法和相关理论，来对实践进行有效地指导工作。因此，深入研 究急倾斜煤层工作面充填开采后围岩移动规律具有较强的理论意义和实际意义，对在相 似条件下的实际急倾斜煤层充填开采的研究和应用具有重要的借鉴意义。 同时，矿山岩体在形成之后，整体性因为地质构造运动的影响而产生破坏，其内部 发生着多种多样的节理裂隙以及破断，随着时间的变化，岩体内部的力学性质一直发生 着变化， 岩体的属性极为复杂， 与实验室的岩石力学试件的性质有着很大的区别， 因此， 煤层开采过程中所造成的围岩移动破坏同样是一种极其复杂多变的力学过程。就当前的 科技发展水平来说，尚未出现一种有效的科学设备与手段来进行观测与描述，给现场观 测以及理论研究造成了大量的困难。 在地下煤矿的开采过程中，受限于工作环境与工作条件，在井下对开采工作所造成 的的工作面上覆岩层的移动破坏是无法进行有效观测的。通过物理相似模拟实验来再现 和认识这一个力学行为过程，来扩大对矿山开采围岩压力的形成机理进一步的认识，对 寻求岩层控制的方法是非常有益的。因此，通过在实验室采用物理相似模拟实验的方法 来再现现实矿山开采的过程，就成为了研究矿山开采后，岩层内在变形、移动规律的一 种重要的有效手段。在进行相似模拟实验时，根据实验目标，通过改变众多影响因素中 的某一个因素值来对矿山开采岩层移动变形的影响因素进行分析，从而可以在一定的程 度上以及较短的时间内认识到矿山开采过程中的岩体力学行为极其变形破坏特征，对实 际工程中的实践起到指导借鉴作用。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 急倾斜煤层充填开采研究现状急倾斜煤层充填开采研究现状 早在上个世纪 70 年代，前苏联进行了一定规模的急倾斜煤层开采试验和研究，并 开发了用于综采大倾角煤层各种液压支架和采煤机，为前苏联急倾斜煤层综采奠定了一 定理论基础，同时对急倾斜煤层围岩控制技术进行了研究。1915 年，澳大利亚的塔斯马 尼亚吉特莱尔和贝莱尔矿，在顶板垮落前，将充填体充填至采空区，阻止顶板变形和断 裂，从而达到控制岩层、减小地表下沉的效果，从此充填开采开启了新的纪元[1320]。煤 矿充填能够缓解工作面矿山压力显现、提高煤炭回收率、减小岩层移动变形和降低地表 下沉量，充填体还具有阻碍煤层自燃的作用[2125]。根据充填材料的发展，近年来，煤矿 充填开采技术的发展较快，矸石干式充填、水砂充填、胶结充填得到应用，而胶结充填 又分以水泥作为凝结材料的胶结充填和以新型胶结材料的胶结充填（如超高水充填）， 如图 1.1 所示的充填技术发展现状图[2638]。采空区充填采煤法不仅能阻碍岩层内部的裂 隙扩展、发育及减小其破坏高度，还能减少地表的变形移动量。现场实测结果表明，干 式充填后的地表下沉系数为 0.30.4，水沙充填的地表下沉系数为 0.10.3[39]。虽然采空 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 -3- 区充填能够提高煤炭回收率、能够有效控制岩层破坏和地表下沉，但煤矿充填额外增加 一系列的搅拌设备和充填材料输送设备及管道。因此，煤矿充填矿井在初期建井投资比 传统未充填法采煤的矿井大，一般新增加投资额度在 10003000 万元不等，吨煤增加成 本为 60120 元不等。并且在煤炭回采过程中，必须考虑充填料浆跟进，回采与充填并 行作业， 形成两种工艺相互制约， 从而一定程度上降低工作面的推进速度和生产工效[40]。 矸石干式充填 水砂充填 胶结充填 以水泥作为凝结材料的胶结充填新型胶结材料的胶结充填 尾砂胶结充填 块石胶结充填 金尾砂胶结充填 膏体泵送充填 高水胶结充填 全砂土胶结充填 赤泥胶结充填 图 1-1 充填技术发展现状 Fig1-1 Filling technology of mining coal 煤矿充填开采方法在我国“三下”煤矿中应用较多，主要应用于解放开采“三下” 煤炭资源，能有效的解决“三下”采煤对地表沉陷问题。针对急倾斜煤层的充填开采应 用较少。上世纪 6070 年代，南桐煤矿、淮南孔集煤矿以及重庆中梁山开始试用急倾斜 充填采煤方法[41]，进行试采的工作面煤炭回采率和安全生产性得到了普遍较大的提高， 孔集矿采用的掩护支架充填采煤，试采工作面月产量最高达到 1.15 万 t，取得了较好的 效益， 同时也获得了一定的开采经验。 然而， 急倾斜煤层充填开采的推广仍有较大难度， 其影响因素， 主要有以下几个方面 ①急倾斜煤层开采本身就比缓倾斜煤层开采难度大， 充填与回采平行作业，影响工作面的推进速度；②在近水平煤层或缓倾斜煤层等优质资 源还未真正枯竭时，类似急倾斜煤层或“三下”等相对难度较大的煤炭资源滞后开采影 响其技术的推广；③急倾斜充填开采技术本身也不够成熟，在回采与充填协调方面还没 有达到高度整合的程度，让煤矿企业不愿投资技术创新，再加上近年来煤炭价格下降， 影响到生产效益，增加了充填开采的推广难度。 急倾斜煤层充填开采方法可以分为 伪斜走向长壁充填采煤法、 倒台阶充填采煤法、 工作面仰斜推进充填采煤法、掩护支架充填采煤法和走向长壁充填法等[4248]。