吕家坨-950m五采区断层群下6571工作面压力显现规律.pdf

中图分类号TD32 论文编号2018301007 U D C 密 级 公 开 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 吕家坨吕家坨-950m 五采区断层群下五采区断层群下 6571 工作面压力工作面压力 显现规律显现规律 作者姓名作者姓名赵有军赵有军 学科名称学科名称矿业工程矿业工程 研究方向研究方向矿山压力与岩层控制矿山压力与岩层控制 学习单位学习单位华北理工大学华北理工大学 学制学制3 年年 提交日期提交日期2018 年年 6 月月 21 日日 申请学位类别申请学位类别工程硕士工程硕士 导师导师 姓名姓名浑宝炬浑宝炬 教授教授 单位单位华北理工大学华北理工大学 李福柱李福柱 高工高工 单位单位开滦股份吕家坨矿业分公司开滦股份吕家坨矿业分公司 论文评阅人论文评阅人匿名匿名 单位单位 匿名匿名 单位单位 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 9 月月 6 日日 答辩委员会主席答辩委员会主席张云鹏张云鹏 教授教授 关关 键键 词断层词断层；相似材料模拟；；相似材料模拟；三维数值模拟三维数值模拟；；矿压规律矿压规律 唐山唐山 华北理工大学华北理工大学 2018 年年 9 月月 万方数据 The law of pressure on the 6571 working face under the fault group in the 5-950m mining area of Lujiatuo Dissertation ted to North China University of Science and Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Engineering By ZHAO Youjun Mining Engineering Supervisor Professor YUN Baoju Li Fuzhu September, 2018 万方数据 独 创 性 说 明 本人郑重声明所呈交的论文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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含 为获得华北理工大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确 的说明并表示了谢意。 论文作者签名 日期 2018 年 9 月 6 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保留、送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论文的全 部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检索和交 流。 作者和导师同意论文公开及网上交流的时间 □ 自授予学位之日起 □ 自 年 月 日起 作者签名 导师签名 签字日期2019 年 9 月 6 日 签字日期2018 年 9 月 7 日 万方数据 万方数据 摘 要 I 摘 要 开滦吕家坨矿现今已经进入了深部开采，-950m 五采区将会成为主要开采区域， 而该区域范围内存在较多的断层，已构成一个相互交错的断层群，这为煤矿安全生 产带来了严重的安全隐患。以五采区多断层 6571 工作面为工程实例，通过相似材 料模拟试验，分析了工作面上覆岩层超前应力分布规律和顶板位移规律，表明在工 作面过断层过程中存在一个最大的应力点，并且进一步说明了巷道顶板破坏是由原 始应力场水平应力重新分布后对顶板载荷、原始应力场垂直应力重新分布后对两侧 的载荷、断层面受到上盘挤压而形成垂直于断层面的侧向载荷相互作用的结果。又 通过计算机三维数值模拟计算，对 6571 工作面上覆岩层的位移量和超前应力分布 规律进行研究，得出的结论与相似材料模拟试验结论相一致。然后基于相似材料模 拟试验和三维数值模拟试验成果提出一套适合吕家坨断层群下 6571 工作面的锚杆 锚索联合支护方案，并经过支架支护阻力的检测，确定了其使用支架型号，证明了 该支护方案可行性。最后，通过 6571 工作面顶板位移量的现场监测，验证了相似 材料模拟和三维数值模拟结论，得出断层群下 6571 工作面的矿压显现规律，为吕 家坨其他类似工作面回采提供了一定的指导作用和参考价值。 图 39 幅；表 22 个；参 50 篇。 关键词关键词断层；相似材料模拟；三维数值模拟；矿压规律 分类号分类号TD32 万方数据 摘 要 II Abstract The Kailuan Lujiatuo Mine has now entered deep mining, and the -950m 5 mining area will be the main area for exploration. There are more faults in the area and it has ed a mutually staggered fault group, which is safe for coal mine production. Brought serious problems. This paper takes multi-fault 6571 face in five mining areas as an engineering example. Through analogous material simulation tests, the distribution law of lead stress on the working face and the law of roof displacement are analyzed, which shows that there is a maximum stress point in the process of fault crossing. It further explains that the roof damage of the roadway is redistributed by the horizontal stress of the original stress field, and then redistributed to the load of the top plate and the vertical stress of the original stress field. Later, the load of the roadway is compressed by the upper plate to a lateral direction perpendicular to the fault plane. Through the computer three-dimensional simulation technology, the distribution of the displacement and lead stress of the overburden strata on the 6571 work surface were studied. The conclusions obtained were consistent with the simulation results of similar materials. Finally, based on the similar material simulation test and the results of three-dimensional simulation technology, a set of anchor and anchor cables combined supporting scheme for the 6571 working face of the Lujiayu fault group was proposed and the type of the bracket was determined. It was proved that the support resistance of the support was tested. The feasibility of the support scheme was verified by the on-site monitoring of the displacement of the roof of the 6571 working face, verifying the simulation of similar materials and three-dimensional numerical simulations. Finally, the law of mine pressure appearance of the 6571 working face under the fault group was obtained, which is similar to Lu Jiazhen’s other working face. The mining provides some guidance and reference value. Figure 39; Table 22; Reference 50 Keywords fault;similar material simulation;stability uation;mine pressure law Chinese books catalog TD32 万方数据 目 次 III 目 次 引 言 .......................................................................................................... - 1 - 第 1 章 绪论 .................................................................................................... - 2 - 1.1 研究背景及意义................................................................................... - 2 - 1.2 国内外研究现状分析 ........................................................................... - 2 - 1.2.1 矿山压力研究现状 ...................................................................... - 2 - 1.2.2 断层对矿压影响研究现状 ........................................................... - 5 - 1.3 论文的主要研究方法与内容 ................................................................. - 7 - 1.3.1 论文研究目标 ............................................................................. - 7 - 1.3.2 论文研究内容 ............................................................................. - 7 - 1.3.3 技术路线 .................................................................................... - 8 - 第 2 章 吕家坨煤矿及试验工作面概况 ............................................................. - 9 - 2.1 井田位置 ............................................................................................. - 9 - 2.2 井田地质构造 ...................................................................................... - 9 - 2.3 含煤岩层特征 .................................................................................... - 12 - 2.4 井田断层分布情况 ............................................................................. - 13 - 2.5 工作面概况 ........................................................................................ - 15 - 2.5.1 工作面位置及井上下关系 ......................................................... - 15 - 2.5.2 煤层情况 .................................................................................. - 16 - 2.5.3 水文地质情况 ........................................................................... - 16 - 2.5.4 煤层顶底板 ............................................................................... - 16 - 2.5.5 断层情况 .................................................................................. - 17 - 2.5.6 设备配置 .................................................................................. - 17 - 2.5.7 褶曲情况 .................................................................................. - 18 - 2.5.8 回采工艺和采煤方法 ................................................................ - 18 - 2.6 本章小结 ........................................................................................... - 19 - 第 3 章 相似材料模拟 .................................................................................... - 20 - 3.1 试验装备及观测系统 ......................................................................... - 20 - 万方数据 目 次 IV 3.2 模型制作............................................................................................ - 22 - 3.2.1 相似材料的选取 ........................................................................ - 22 - 3.2.2 原型地质条件 ........................................................................... - 23 - 3.2.3 模型配制比例及用量 ................................................................. - 24 - 3.2.4 模型制作 ................................................................................... - 25 - 3.3 模拟过程与现实结果分析 ................................................................... - 26 - 3.3.1 岩层裂隙发育分析 ..................................................................... - 27 - 3.3.2 断层前上覆岩层超前应力分析 ................................................... - 28 - 3.3.3 断层上覆岩层顶板移动量分析 ................................................... - 29 - 3.4 本章小结............................................................................................ - 30 - 第 4 章 三维数值模拟 .................................................................................... - 31 - 4.1 本构模型的选择 ................................................................................. - 31 - 4.2 数值模型设计 .................................................................................... - 32 - 4.2.1 设计方案 ................................................................................... - 32 - 4.2.2 单元网格的划分 ........................................................................ - 32 - 4.2.3 加载模式 ................................................................................... - 33 - 4.2.4 岩体力学参数 ........................................................................... - 34 - 4.2.5 模拟方案 ................................................................................... - 34 - 4.2.6 测点布置 ................................................................................... - 34 - 4.3 模拟结果............................................................................................ - 35 - 4.4 本章小结............................................................................................ - 37 - 第 5 章 6571 工作面矿压显现规律实测及分析 .............................................. - 38 - 5.1 监测仪器及原理 .................................................................................. - 38 - 5.2 顶板离层观测 ..................................................................................... - 38 - 5.3 顶板矿压动态监测系统 ....................................................................... - 39 - 5.3.1 顶板矿压监测系统及原理........................................................... - 39 - 5.3.2 顶板动态监测系统结构与组成 ................................................... - 39 - 5.4 测站布置与监测方案 .......................................................................... - 41 - 万方数据 目 次 V 5.4.1 支架方案和支架的选择 .............................................................. - 41 - 5.4.2 工作面矿压具体参数 ................................................................. - 42 - 5.4.3 支架支护工作阻力监测评价 ....................................................... - 43 - 5.4.4 监测布置位置 ............................................................................ - 47 - 5.4.5 现实效果 ................................................................................... - 48 - 5.5 本章小结 ........................................................................................... - 48 - 结 论 ........................................................................................................... - 50 - 参考文献 ........................................................................................................ - 51 - 致谢 ............................................................................................................... - 55 - 导师简介 ........................................................................................................ - 56 - 作者简介 ........................................................................................................ - 57 - 学位学位论文数据集 ...................................................................................... - 58 - 万方数据 引 言 - 1 - 引 言 改革开放以来，中国经济取得辉煌成绩，发展速度一直领跑世界，能源消费需求 也随之不断增大，截止到 2010 年中国成为全球最大的能源消费国[1]。2017 年我国原煤 产量 35.2 亿吨，自 2014 年以来原煤增长第一次出现触底反弹，原煤产量同比增产了 1.1 亿吨，增长 3.3,同时煤矿整体利率也出现非常可观的增长，利润总额高达 2959 亿 元，利润翻了近三倍，同比增长 290.5[2]。随着国家对煤矿企业的整合和优化，在 2018 年新的产能将会逐步得到释放，以提高煤矿的整体效益[3]。长久以来煤炭一直都 是我国的主要消费能源，需求总量依旧很大，并且这个情况在短期内是不会改变的。 因此，煤炭在我国的社会发展过程中起着重大的作用，关乎国家稳定，人民幸福，社 会稳定。 煤矿安全高效生产一直是国家、煤矿企业、煤矿从业者不变的追求[4]。在我国，煤 矿赋存条件复杂多样，东西部存在明显差异。随着多年的开采，冀东地区赋存条件好 的浅部煤炭资源已经被开采差不多了，现今大多数开采已经深入到地下一千米左右[5]。 随着开采到深入，矿压显现变得频繁，而褶皱和断层对矿压有着明显的影响。在我国 煤矿开采中，由断层造成工作面围岩应力分布不均，导致冒顶和支护垮塌事故屡见不 鲜[6]。因此，研究断层对附近工作面压力显现规律显得十分必要，可为煤矿在此区段安 全生产工作的实施提供一定的指导作用。 我国相比美国、澳大利亚、俄罗斯等几个主要产煤国家，我国煤矿赋存具有高瓦 斯、多断层的总体特征，这严重阻碍我国煤炭企业发展[7]。开滦集团吕家坨矿作为开滦 集团的一份子，为国家经济发展作出了一定的贡献。当今随着开采的深入，-950m 五 采区成为主要的开采区。然而五采区地质条件复杂，内含有较多断层，已经构成了一 个复杂交织的断层群，这为吕家坨矿安全生产带来了极大的隐患。 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 2 - 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及意义 吕家坨煤矿已经开采多年，随着开采的不断深入，-950m 五采区将会成为开采 主力。而-950m 五采区区域范围存在较多的断层，以构成一个复杂交织的断层群。 若要对此区域深部煤层进行回采，就必须了解此区域断层群形成机制和应力分布情 况，掌握五采区断层群对工作面的矿压显现规律，这也是目前国内煤矿深部开采普 遍存在的问题，所以如何正确找到断层对工作面的矿压显现规律，将成为我国类似 矿山的重点研究方向。 鉴于五采区整体的复杂情况，选取将要开采的 6571 工作面为研究对象，通过 相似材料模拟、数值模拟和现场实测相结合的技术手段，研究断层群下 6571 工作 面的压力显现规律，为回采工作带来一定指导，也为接下来类似的其他工作面的顺 利安全开采提供一定参考，具有现实指导价值。 1.2 国内外研究现状分析 1.2.1 矿山压力研究现状 上个世纪六十年代到八十年代初是全球矿山压力理论发展的喷发期，在此期间 众多专家学者提出了不同种的假说和理论，从而来解释说明在采矿实践中遇到各种 矿压现象[8-9]。 在上个世纪初，德国著名学者施撬克提出了著名的的悬臂梁理论[10]。该假说 核心观点为，在采煤中留下的上覆裸露顶板可以看作是一个完整的梁体，第一次垮 落后，可以把上方的顶板当作是一头嵌在整个岩体中，另一头则处于悬空无支撑状 态，当悬空长度超过一定的限度时，梁体在自重和上覆岩体的作用下会产生有规律 可寻的周期性断折，这种情况称为周期来压 [11-12]。见图 1。这一假说意义在于解 释了煤壁距，顶板下沉量和支架载荷成正相关的关系和首次解释了周期来压现象 [13]。由于在当时是新的理论，也有历史局限，其中之一就是理论与实际测量相差 甚远。 万方数据 第 1 章 绪论 - 3 - 图 1 悬臂梁理论示意图 Fig.1 Cantilever beam theory 在上个世纪中叶，比利时人 A.拉巴斯提出了著名的预成裂隙假说[14]。此假核 心观点为，随着工作面的推进，受采动影响会在工作面形成三区，分别为应力降低 区、应力升高区和采动影响区，此三区是会随着工作面的推进而移动变化并且在移 动变化的过程中形成许多裂隙，从而形成假塑性梁[15-16]。 在与 A.拉巴斯提出预成裂隙假同一时期，前苏联学者库兹涅佐夫于提出了铰 接岩块假说。该假说科学地论述了工作面上覆岩层的分带情况，并开始尝试研究岩 石内部力学关系，首次提出了关于计算直接顶厚度的公式[17]。 瑞士学者 Haim 提出了著名的静水压理论，认为上覆岩层的自重应力引起的矿 压，得出岩层水平应力和垂直应力趋于均衡且无剪切力，满足 [18]。 见图 2。 图 2 静水压理论示意图 Fig.2 Hydrostatic pressure theory 我国著名矿山压力专家钱鸣高院士经过长时间的现场实测和相似模拟试验，依 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 4 - 据现场大量实测数据，运用结构力学，结合国外已有理论和假说，提出了上覆顶板 在开采断裂后重新形成平衡的结构力学模型，即“砌体梁”理论[19]。该理论认为，采 场上覆岩层的岩体结构主要是由多个坚硬岩层组成，由测定可知煤层在采出后由于 无支撑上覆岩层会发生断裂，其每层岩块会互相咬合形成如图 3 的结构，A 为煤壁 影响区，B 为离层影响区，C 为重新压实区[20]。“砌体梁”理论系统的指出，在采矿 活动中由于煤层的开采导致上覆岩层受力破坏后重新分布达到新的平衡，这为现今 矿压理论奠定了理论基础。 图 3 砌体梁理论示意图 Fig.3 Masonry beam theory diagram 我国采矿届第一位院士宋振骐院士，同样深入现场一线生产进行大量观测，提 出 “传递岩梁”理论[21]。随着煤层的采出，上覆岩层 A、岩层 B 和岩层 C 成为受采 动影响的区域，该区域有明显的力学传递性，岩层 A 由于下覆煤开采失去支撑而 形成折断而形成岩层冒落区，岩层 A 将开采受到力向上传递给岩层 B，岩层 B 岩 层受 A 的垮塌下沉和剪切、拉力等影响形成明显的下沉、变形区，岩层 C 受岩层 B 的变形、下沉和自重影响形成一定变形区[22]。该理论具体见图 4。该理论完善了 以岩层运动为核心的矿山压力体系[23]。该理论主要包括以下三点第一，阐述了 岩层运移和采动支承压力存在的联系性；第二，首次引出了内外应力场，从原理层 面充分地论述了周期来压的形成机理和何控制方法，为矿压提前预警指出了方法； 第三，通过理论实践大量数据，根据支架和顶板之间的关系，运用数学方法得出了 两种对控制顶板支护的支架使方案，一种是只可以降低上覆顶板下沉速度但不会改 变最终下沉量的“给定变形” 支护方式和另一种可以有效降低最终下沉量的 “限定 万方数据 第 1 章 绪论 - 5 - 变形”支护方式，这为实践生产提供了很好的技术指导。 图 4 传递梁理论示意图 Fig.4 Transfer Beam Theory 随着科技的进步，更多先进的技术和设备引入矿山中，矿山由半机械化到数字 信息化再到智慧化方向发展[24]。很多先进的观测方法和技术引入到煤矿生产中， 给矿山开采发展注入了新的活力和动力，促进了矿山相关理论的发展和技术突破， 在矿压方面的推动显的尤为明显。近年来，我国许多学者和技术专家在矿压技术研 究中做了很多工作。 李树仁、王翰秋、王颜亮等[25]通过根据矿井工作面的实际情况，划分了并且 实现了对强矿压的实时监测，得出适当降低回采速度，可以有效降低强矿压的显现 危害。周坤友、张宏伟、李云鹏等[26]针对神东矿区现实测量、理论模拟建立了工 作面上覆岩层各分区的运动结构模型，提出了在距离较近采空区下通过合理的选择 开切眼和推进速度可以防治矿压。高瑞、于斌、孟祥斌等[27]提出了利用强水流使 地表压裂来降低和控制矿压，通过实践证明了压裂间隙越大，越能有效降低矿压。 窦林名、李振雷、何学秋提出了厚煤层总采下降载减冲原理，提出了综放开采与静 载应力集中关系，通过实践证明了综放开采降载减冲作用[28]。赵毅鑫、焦振华、 刘华博等利用 GIS 构建了采区工作面的三维地质精细化数值模拟模型，实践中证 明了该模型可以有限的地分析工作面回采过程中矿压受到地质构造影响[29]。 1.2.2 断层对矿压影响研究现状 中国煤矿赋存条件相对于其他国家要复杂的多，在煤矿开采过程中经常遇到断 层[30]。断层会对煤层开采中岩层的受力情况产生较大影响，会改变正常开采应力 分布情况，从而不能够合理地对采区进行支护，因此经常会诱发采掘工作面冲击地 万方数据 华北理工大学硕士学位论文 - 6 - 压出现。国内外学者和技术专家很早就意识到了掌握断层对煤矿开采工作面压力显 现规律具有重要的意义，但是受于当时技术和观测装备落后的限制，导致对断层对 矿压显现的研究少之又少，并没有形成完善的理论体系[31-32]。断层构造都深埋在地 下，走向一般很大，常规的研究手段一般很难掌握其规律。断层是有地质运动形成 的，这样就导致断层具有复杂行，往