资源描述：
万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 strata from the coal seam floor are affected by the mining,However,with the increase of the depth of,the stress attenuation is faster,and the pressure around the tunnel is mainly the load of the tunnel surrounding rock.Through the analysis of the vertical displacement,the maximum displacement of the rock mass around the tunnel is only 2.5cm with the advancing of the working face.According to the analysis of 12 measuring points arranged in the lower layer of coal seam floor,it is known that when the working face is advancing,the abutment pressure of the floor increases first and then decreases,The pressure in the rock mass around the tunnel is basically the original rock stress.When working face layout direction is not same in chapter v,according to the working face advance when the plastic zone of the stope and the maximum principal stress analysis, two kinds of arrangement under the influence of plastic zone depth of 15 m or so,the stress variation in the tunnel surrounding rock affected by mining is small,so the arrangement of working face will not affect the stability of the tunnel. The research results of the paper have guiding significance for the 4-2 coal mining to the Liang Shuijing Coal mine,there is also good reference for other similar mining conditions coal mine. Key words Bottom failure depth;Plastic zone;Abutment pressure;Max principal stress Thesis Application basic researc 万方数据 目录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题的背景和意义 ....................................................................................................... 1 1.2 煤层开采底板破坏深度的国内外研究现状 ............................................................... 2 1.2.1 国外研究现状 ..................................................................................................... 2 1.2.2 国内研究现状 ..................................................................................................... 2 1.3 煤层开采底板破坏特征的国内外研究现状 ............................................................... 6 1.3.1 国外研究现状 ..................................................................................................... 7 1.3.2 国内研究现状 ..................................................................................................... 6 1.4 研究内容及技术路线 .................................................................................................. 9 1.4.1 研究内容 ............................................................................................................. 9 1.4.2 技术路线 ........................................................................................................... 10 2 凉水井煤矿 4-2煤层开采地质条件分析 ............................................................................ 11 2.1 矿井概况 ..................................................................................................................... 11 2.2 矿井地质及自然地理 ................................................................................................ 11 2.2.1 地形地貌 ........................................................................................................... 11 2.2.2 地层 ................................................................................................................... 12 2.2.3 井田构造特征 ................................................................................................... 13 2.3 输水隧洞、大巷及工作面工程概况 ......................................................................... 15 2.3.1 大巷及工作面地质条件 ................................................................................... 15 2.3.2 大巷及工作面工程地质特征 ........................................................................... 17 2.4 大巷及工作面布置情况 ............................................................................................. 21 2.5 小结 ............................................................................................................................. 21 3 4-2煤回采及大巷掘进底板破坏深度研究分析 ......................................................... 22 3.1 三条大巷底板破坏深度的确定 ................................................................................ 22 3.1.1 基于压力拱理论的确定方法 .......................................................................... 22 3.1.2 基于等效圆的确定方法 .................................................................................. 23 3.2 4-2煤回采底板破坏深度的确定 ................................................................................ 24 3.2.1 应用塑性理论求解 ........................................................................................... 24 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 II 3.2.2 底板破坏深度的确定 ...................................................................................... 31 3.2.3 应用经验公式和统计公式求解底板破坏深度 .............................................. 32 3.3 小结 ............................................................................................................................ 33 4 4-2煤回采对输水隧洞稳定性影响数值模拟 ............................................................. 34 4.1 FLAC3D模拟软件简介 ............................................................................................... 34 4.1.1 数值模拟的目的 .............................................................................................. 34 4.1.2 模型的建立 ....................................................................................................... 34 4.2 工作面推进距隧洞不同距离时对隧洞的影响分析 ................................................. 36 4.2.1 采场下部围岩塑性区范围研究分析 ............................................................... 36 4.2.2 采场下部围岩垂向应力研究分析 ................................................................... 38 4.2.3 采场下部围岩垂向位移研究分析 ................................................................... 40 4.2.4 采场下部围岩最大主应力研究分析 ............................................................... 41 4.3 4-2煤回采过程中底板支承压力变化规律 ................................................................ 43 4.3.1 测点与隧洞同水平布置 ................................................................................... 43 4.3.2 测点布设与隧洞上方 13m 水平 ...................................................................... 45 4.4 小结 ............................................................................................................................. 46 5 4-2煤开采工作面布置方式对输水隧洞稳定性影响数值模拟..................................... 47 5.1 工作面推进方向垂直于输水隧洞走向 .................................................................... 47 5.1.1 采场下部围岩塑性区范围研究分析 ............................................................... 47 5.1.2 采场下部围岩最大主应力研究分析 ............................................................... 49 5.2 工作面推进方向平行于输水隧洞走向 .................................................................... 50 5.2.1 采场下部围岩塑性区范围研究分析 ............................................................... 51 5.2.2 采场下部围岩最大主应力研究分析 ............................................................... 52 5.3 小结 ............................................................................................................................ 54 6 结论 ...................................................................................................................................... 55 致谢 .......................................................................................................................................... 56 参考文献 .................................................................................................................................. 57 附录 .......................................................................................................................................... 61 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景和意义 能源在人类社会发展进程中扮演着重要角色，一个国家的经济发展、社会稳定和国 家安全均取决于能源供应是否能长期保持稳定。 我国作为世界上是能源消费的大国之一， 自改革开放以来，随着社会经济的快速发展、城市化加速和相应的重工业化使得能源需 求处于一个快速增长阶段。从 20 世纪 90 年代初期，我国的能源供给呈现出一种求过于 供的现象，从这以后能源供应缺口基本呈现逐年扩大趋势。与此同时，能源供应的紧张 局势与能源区域分布不均衡和能源利用率低也有一定关系， 使得我国经济的快速发展面 临着动力不足的问题。煤炭、石油、天然气、水能、风能、核能是我国的主要能源，而 煤炭资源作为我国长时间依赖的最主要的能源， 在国民经济发展和人民生活中起着非常 重要的作用。长久以来，在我国一次性能源生产与消费结构中，煤炭所占的比重一直持 续在 70左右。尽管近年来，随着天然气、风能等相对绿色清洁能源的出现使用，导致 了煤炭生产和消费所占的比重有所下降，但是截至 2012 年，我国煤炭的消费总量占一 次能源消费的比重仍然高达 68.5。短期内，由于能源资源先天的限制性[1]，我国以煤 炭为主的能源供应和消费格局无法改变。 凉水井煤矿是陕西汇森煤业开发有限责任公司投资所建成的一座现代化大型矿井， 行政区划隶属与陕西省榆林市神木县瑶镇乡、麻家塔乡及西沟乡管辖，建矿目的是为神 木甲醇厂与米脂聚氯乙烯厂等化工企业提供原料与燃料。 井田北邻红柳林煤矿及东湾小 煤矿开采区，东邻梁家村井田，西邻锦界煤矿井田，南邻薛家村小煤矿开采区及香水河 井田。井田东西宽 5km～10km，南北长 4.3km～l0.8km，面积约 73.2km2。矿区总体呈 现出西北高的状态，地貌包括风沙丘陵地貌、黄土地貌与沟谷地貌。凉水井煤矿井田内 共6层煤可采， 4-2煤层为主要开采煤层， 4-2煤层的最大埋藏深度在地表下方180m水平， 该地层属延安组第二段的顶部。 矿井初期建设规模为 1.2Mt/a，后期建设规模为 4.0Mt/a。矿井 2005 年 3 月 20 日开 工建设，2007 年 8 月开始试生产，2009 年 4 月底通过了国家能源局组织的完竣验收。 最终按2008年由中煤西安设计工程有限责任公司完成的初步设计矿井4.0Mt/a规模一次 建成，服务年限为 72.7a。为了充分发挥矿井规模化生产的优势，实现陕西能源集团“十 二五”发展目标，2016 年凉水井煤矿将生产能力扩大到 8.0Mt/a。根据井田内煤层埋藏深 度较浅、主采煤层赋存条件稳定、倾角比较平缓等特点，矿井采用斜井开拓方式，分煤 组设置开采水平的开采方式。工业场地位于井田西南部靠近锦界井田附近，在工业场地 内向正北方向布置三条斜井，分别为主斜井、副斜井和一号回风斜井。井下沿 4-2煤布 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 置三条大巷，分别是 4-2煤层的辅助运输大巷、4-2煤层的胶带输送机大巷和 4-2煤层的回 风大巷。 神木市输水隧洞位于凉水井煤矿二盘区的西北方向， 垂向距离上距4-2煤层底板19m。 近期，凉水井煤矿计划对二盘区的 4-2煤层进行回采，煤层开采后形成的底板矿压破坏 带是否会沟通输水隧洞， 导致输水隧洞产生坍塌或出现漏水现象这一问题未得到有效解 决。为了保证输水隧洞的安全，并提高二盘区 4-2煤层的回收率，研究 4-2煤层回采对输 水隧洞的稳定性这个问题就非常有意义。 1.2 煤层开采的底板破坏深度国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 关于煤层底板受开采扰动后的破坏深度确定问题，国内外很多学者皆做过研究，根 据研究手段的不同，先后提出了很多种不同的确定方法，但国外对底板破坏深度的研究 大多数都是关于底板突水的机理研究。 学术界陆续提出了很多种不同的底板破坏深度的 现场实测测试方法， 其中各有优缺点， 适用范围也不一样。 C.F.Santos、 Z.T.Bieniawski 等 人利用 Hoek-Brown 准则[2]，对其进行改进，在结合能量突变理论[3]的基础上，总结得 出了底板直接破坏带的计算公式。 苏联斯列萨列夫把煤层底板简化成一个两端绞固的梁结构，并在此基础上，对该结 构进行力学分析，从而进一步判断开采扰动以及承压水水压对于底板破坏的影响。 伴随着底板破坏深度理论的逐步发展， 国外学者也相继把理论研究在底板破坏深度 的实际测量中加以应用， 从而更加直观的分析针对不同地质条件下底板岩层的受力情况。 比如， 美国和日本分别研制了Petro-sonde地电探测仪和 GR-810 型全自动地下勘探仪， 这两种仪器的出现，为探查底板岩体的实际情况打下了坚实的基础。 1.2.2 国内研究现状 煤层底板的破坏深度是由于煤层的采动影响破坏了煤层四周岩体原有的应力平衡 状态，此时采空区四周的岩体便在一定范围内呈现出应力集中现象。当煤层四周岩体内 部的应力高于煤层底板自身的承载能力时，煤层底板岩层便会发生破坏。煤层底板的破 坏深度与采场的卸压程度、煤层底板岩性及其组合、采场围岩应力转移到采空区四周岩 体的程度、底板承压水的压力等诸多方面因素相关联。研究煤层底板下方输水隧洞的稳 定性，对煤层底板地破坏深度进行确定就显得非常有意义。与国外研究学者不同的是， 国内的学者主要通过经验公式、理论计算、相似模拟、数值模拟及现场实测的方法对煤 层底板的破坏深度进行分析研究。 （1）理论计算 万方数据 1 绪论 3 理论计算是将底板岩体的受力结构简化成可以计算的数学模型， 进而从力学角度通 过数学计算的方法底板直接破坏带深度进行计算。 “下三带”理论把底板破坏带分成三种，分别为采动破坏带、原始导升带和完整岩层 保护带。施龙青等人在此基础上对“下三带”理论进行了理论修正，将其划分成四带，他 认为初始条件下的底板岩层本身就含裂隙， 该裂隙在矿山压力与承压水水压的共同作用 下逐渐扩张，从而引发矿井突水。此外还给出了计算底板直接破坏带的公式[4] ℎ1 59.88ln 𝐿𝑚𝑎𝑥𝛾𝐻 𝜎1 （1.1） 式中，h1 底板直接破坏带的深度，m； K max 应力最大集中系数； γ 岩体容重，KN/m3； H 煤层采高，m； σ1 岩石单轴抗压强度，MPa 依据张金才、刘天泉[5]等人的理论，该值为 ℎ1 𝑛1 2𝜋 𝐻𝑐tan𝜑 − 𝜋 2 𝜑 − 𝑐 𝛾𝑟 − 𝑛𝐻 （1.2） ℎ1 0.015𝐻 cos𝜑 2cos𝜋 4 𝜑 2 𝑒 𝜋 4 𝜑 2tan𝜑 （1.3） ℎ1 0.294𝑀𝑋 0.81 （1.4） 式中，h1 底板直接破坏带的深度，m； N 应力最大集中系数； H 煤层采高，m； c 内聚力，MPa； ϕ 内摩擦角， ； LX 工作面长度，m； （2）经验公式 经验公式是我国从事采煤行业的科研人员在实践中总结出来的一系列计算底板破 坏深度的计算公式。现有实践资料表明，工作面长度数值的不同和底板破坏深度也有一 定的关系。其计算公式（1-5）[6]为 ℎ1 1.86 0.11𝑀𝑋 （1.5） 式中，h1 底板直接破坏带深度，m； LX 工作面长度，m； 我国从事科研的研究人员通过现场实际经验的累积， 发现底板的破坏深度不仅和工 作面长度有关，而且还和工作面的埋深与采高有关，利用经验公式计算的优点在于可以 得到一个大概的数值，对底板破坏深度有一个初步的判断，缺点在于此数值往往与实测 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 数据有一定的偏差。通过将现场数据加以整理，关英斌教授[7]给出了相关的计算公式 ℎ1 0.0113𝐻 6.25𝑚𝑜 𝑀𝑋 40.0 2.52𝑚𝑜 𝑁 1.48 （1.6） 式中，h1底板直接破坏带深度，m； H 埋深，m； LX 工作面长度，m； M 工作面采高，m； 近年来研究表明当倾斜煤层采用带压开采时，煤层底板的破坏深度不仅和上述因 素有关，与煤层倾角也有一定的关系，其影响底板破坏的公式[8] h10.0085＋6.25LX＋0.1665α－4.3579 （1.7） 式中， h1底板直接破坏带的深度，m； H 埋深，m； LX 工作面长度，m； α 煤层倾角， 。 （3）底板破坏深度现场实测法 ① 高密度电阻率探测[46] 高密度电阻率探测技术是通过对煤层底板的电阻率数据进行连续监测， 并把监测得 到的电阻率数据转换成底板破坏深度的数据，进而实现连续监测。 ② 钻孔封堵注水技术[10-12] 钻孔封堵注水技术是通过向采场下部岩层打钻孔，然后将钻孔两端封堵注水，封堵 后对各个钻孔内的水流量进行测量，最后整体分析底板数据，确定底板破坏深度。 ③ 超声波监测法[48] 由于岩石本身的应力分布和裂隙特征对在其中传播的超声波会产生影响， 所以监测 超声波在底板中的传播特性可以对岩石的损伤情况进行分析，从而判断其破坏深度。 ④ 微震监测法[57] 底板岩体破坏前，会提前释放部分能量。此能量会以微震与声波的形式在岩体内部 传播。 通过收集微震和声波数据， 并对信号数据加以处理， 便可得到底板破坏深度数据。 ⑤ 底板岩层应力-应变观测法 在工作面下部原岩应力区布设钻孔，在钻孔内提前安装好三轴应力计，同时用水泥 砂浆将孔堵住，堵住后三轴应力计的应变片读数为原岩应力条件下的应变；当岩层受采 动影响后，应变片读数便会发生变化。根据同一个应变片前后的变化量，可依此算出附 加应变、附加应力及主应力。通过分析附加应力及主应力的数据，从而进一步判断底板 破坏深度。 现场实测的优点在于测算结果更为准确， 缺点在于若实测人员操作过程中出现问题， 万方数据 1 绪论 5 往往导致结果出现偏差。现场实测方法的应用范围较广，可以根据不同矿井的地质条件 选择合适的实测方法。 （4）物理相似模拟实验 当现场数据获取较困难时， 大多数专家学者则倾向于选择通过物理相似模拟试验来 说明底板破坏的问题。弓培林[14]教授利用自主研发的固-流耦合相似模拟实验台探究底 板的破坏规律。冯梅梅[15]使用承压水袋进行物理相似模拟实验，这样做的目的是为了研 究承压水在底板破坏规律中的作用。 优点在于通过模拟能直观的看出底板的破坏情况， 缺点在于模型搭建过程中配料不 准确导致实验结果不理想，该种方法适用范围较广，一般煤层的赋存情况均可采用此方 法对底板破坏情况进行研究。 （5）数值模拟实验 数值模拟实验则是根据矿区内的真实地层情况和不同地层的岩石物理力学参数， 然 后利用计算机进行分层建模，建模后利用计算机对工作面的回采过程进行模拟，通过分 析回采时采场的塑性区和最大主应力，进而判别底板破坏深度。 李涛，王苏健等人[17]根据研究区 11 煤顶板坚硬的特性，利用理论计算与现场实测 的方法对坚硬顶板条件下煤层开采底板破坏深度进行了研究。结果表明工作面前方的 应力集中系数与塑性区的宽度和顶板的坚硬程度成正比。 张风达， 申宝宏等人[18]运用半无限体理论对煤层底板临界破坏的应力及位置进行了 计算。随后他们以塑性力学中的滑移线场理论为背景，对底板最大破坏深度的计算公式 进行了理论推导，推导后又实例验证了公式的合理性。 李小孟，刘磊等人[19]利用多元线性回归的方法分析预测了针对大采深、高承压和底 板隔水层较薄的煤田的底板破坏深度。 许延春，杨扬[20]利用现场实测和资料收集的方法，对 21 个埋深超过 400m 的底板 破坏深度采用统计方法进行回归分析， 从而获得了在大埋深条件下的底板破坏深度的统 计公式，随后对该公式的适用性及准确性进行了分析。 就目前的研究现状，在对煤层底板采动破坏深度问题的理论求解中，存在底板非均 质性分析及研究不足等问题， 一般是运用物理相似模拟实验和数值模拟的方法进行研究， 方法太过单一。而为求出层状非均质结构底板的采动破坏深度，认为首先应当对非均质 底板进行合理简化并求解底板附加应力或直接给出简便可行的非均质底板附加应力解 析表达式，在此基础上对层状非均质底板的破坏深度再进行求解计算。层状弹性体系力 学中对计算多层弹性体的应力场和位移场分布研究较深，值得借鉴引用，但是该体系内 计算多层弹性体的公式和方法多数十分复杂，实际应用较困难。 该方法的优点在于对塑性破坏和塑性流动进行数值模拟时采用“混合离散法”较有 限元法中的“离散集成法”更合理准确，缺点在于前处理功能较弱，复杂三维模型的建立 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 比较困难。 该方法的适用范围相当广泛， 在边坡稳定和基础设计、 采矿设计等中均可用。 1.3 煤层开采底板破坏特征的国内外研究现状 1.3.1 国外研究现状 国外煤矿开采的历史非常悠久，欧洲一些国家很早就对煤层底板的岩层结构、变形 与破坏特征进行了的研究[39-40]。 20 世纪初期， 部分学者认识到底板隔水层对减少突水次数与突水量起着至关重要的 作用[41]。20 世纪中期，匈牙利研究学者韦格弗伦斯第一次提出了底板相对隔水层的概 念，同时利用公式推导出了水压、隔水层厚度和底板突水之间的相互关系。前苏联学者 斯列萨列夫根据静力学原理，将煤层底板视作两端固定且承受均布载荷作用的梁，这是 固定梁概念的首次提出。 此方法对煤层底板在承压水作用下的变形破坏机制进行了研究， 并依据岩体强度理论，推导出了底板突水的理论安全水压值计算公式[42-44]，如下 𝐻 2𝐿𝑝𝑡2𝑀2⁄ 𝛾𝑡 （1.8） 式中 H 底板所能承受的理论安全水压值，MPa； Kp 隔水层的抗拉强度，MPa； t 底板隔水层厚度，m； L 工作面的最大控顶距或巷道宽度，m； γ 底板隔水层平均容重，N/m3。 当底板承受的安全水压小于实际水压时， 底板隔水层便会产生破坏进而致使底板出 现突水现象。 20 世纪 6070 年代，匈牙利矿业技术鉴定委员会把相对隔水层厚度的概念编入了 国家煤矿安全规程 ，并针对不同的矿井条件作了相应的规定规范和要求，同时对突 水危险性也进行了相应地判断。 南斯拉夫学者在此基础上对隔水层的强度和岩性方面进 行了更深一步的研究。 20 世纪 7080 年代， 学者对矿柱稳定性和煤层底板破坏机理均做了相应的分析研究。 C.F.Santos 和 Z.T.Bieniawski[45]依据 Hoek-Brown 岩体强度准则，利用临界能量释放概念 与岩体无量纲常量 M.S 分析了底板的承载能力情况。由于煤矿水文地质条件相对简单， 欧洲各大国家及世界上其他采煤国家逐步加大了煤层开采对环境影响以及自然环境修 复方面的研究[46-49]。 20 世纪 90 年代后期，波兰的研究学者 J.Motyka 和 A.P.Bosch[36]对 Olkusz 矿区的矿 井底板钻孔资料进行大量调研后发现该区域的岩溶发育情况具有一定的规律性， 同时也 对矿井发生突水灾害的本质有了一定地认识， 即矿井发生突水灾害的本质是采动裂隙和 万方数据 1 绪论 7 岩溶含水层出现了贯通现象；意大利学者 O.Sammarco[37-38]则根据对在意大利的地质条 件下开采煤矿时研究发现，提前预测矿井突水可根据监测某些信息来完成；南斯拉夫学 者 D.Kuscer[53]针对 Kotredez 煤矿发生的突水灾害，并将其发生过程进行了仔细分析， 分析后对底板突水时的水文地质动态变化过程与底板破坏变形情况有了一个初步的认 识， 对今后的突水预报和如何治理具有重要意义； 前苏联学者V.Mironenko和F.Strelsky[54] 对矿井发生突水灾害时的水文地质机理进行了研究分析， 研究认为在煤层开采的影响下， 地下岩层不仅受采动影响， 而且矿井发生突水灾害主要是由于地下岩体和地下水在采动 影响下的相互作用，同时针对矿井突水和岩体破坏也提出了一些针对性的方法；前苏联 学者 S.V.Kuznetsov 和 V.A.Trofimov[33]通过水-岩耦合地质力学模型认识到矿井突水其实 和地下岩体结构有着一定的关联；A.V.Mokhov[34]对矿井突水过程中出现的围岩分裂情 况进行了研究，研究认为矿井突水的过程会导致围岩裂隙变大和围岩渗透性的改变，进 而会对相邻矿井和工作面的安全开采产生影响。 1.3.2 国内研究现状 我国的科研工作者针对岩溶型矿区日益严重的水患问题进行了大量的科学研究和 现场实践测试，对煤矿底板岩层应力场及变形破坏特点取得了大量研究成果，并且逐渐 形成了自己的特色。 刘天泉院士等人从力学分析角度考虑， 第一次提出了底板岩体由底板岩体采动导水 裂隙带和底板隔水带组成， 并对底板采动裂隙带的深度及变形分布形态进行了相应的研 究分析，随后给出了底板导水裂隙带深度的数学计算公式。 马淑胤，赵光明等人[21]建立了一个倾斜三维空间半无限体模型。该模型建立时综合 考虑工作面走向与倾向的受力特点，模型建成后，利用 MATHCAD 软件和 SUFER
展开阅读全文
