平煤四矿上行开采技术可行性研究.pdf

中图分类号T D 8 2 3学校代码 黑龙江科技大学 工程硕士学位论文 平煤四矿上行开采技术可行性研究 T HER E SE A R CHONT E CH NIC A L FE A S IB IL I T YO FA S CEND lNG M ININGIN PINGMElF OURMINE 作者高智翅 申请学位王猩亟 工程领域芷些王猩 答辩委员会主席量渔泣 导师郝笾波宣延蛆 培养单位查源皇巫墟王猩堂随 研究方向五墨立法理诠壁撞查 评阅人塞9 丞童 二。一三年六月 学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论 文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版， 可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的， 学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、图书馆等场所或在 校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存 研究生学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，论文的公布 包 括刊登 授权黑龙江科技大学研究生学院办理。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 。 作者签名畜缸通 校内导师签名 抽B 年厂月门日细【；年∥月／7 日 校外导师签名絮延国R - ．1 3 年厂月l1 日 致谢 本文是在导师郝传波教授的悉心指导下完成的。在两年的研究生学习期间，郝 老师在学习上给予了我精心的指导；在生活上给予了我无微不致的关怀和照顾。导 师在论文的选题、研究方法、撰写等各个方面都倾注了大量的心血和精力。特别是 他在生活和工作中所表现出的高尚品德、渊博知识、精益求精的科研作风，兢兢业 业的工作精神深深感染和鞭策着我，使我受益匪浅。正是导师及时的启发、帮助与 鼓励，才使得论文得以顺利完成。 师恩似海，在此谨向导师致以深深的谢意和崇高的敬意 感谢黑龙江科技大学资源与环境工程学院煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理 重点实验室的肖福坤教授和蒋元男老师，特别是肖福坤教授在我论文的撰写过程中 提出了很多的宝贵意见和建议并给予了热心的指导。 感谢资环学院的各位老师，他们在我攻读硕士学位期间的学习、生活中和论文 开题过程中给予了极大的帮助。 感谢我的同学张熙、时起磊、李留辉、徐如意、刘振文、樊慧强、刘刚等在我 论文的写作期间对我的帮助。 感谢代少军师兄、赵美芳师姐等各位师兄师姐师弟师妹们在我论文写作过程中 的帮助。 感谢我的父母，感谢他们在我近二十年的读书生涯中辛勤地养育着我，并在精 神上给予鼓励和鞭策。 向那些曾在学习和生活中给予关心和帮助的各位老师、同学和朋友们表示衷心 的谢意。 在论文撰写过程中，参阅了大量的文献资料，在参考文献中已将作者列出，但 难以保证没有遗漏。在此，向所有的作者表示衷心感谢。由于水平和时间有限，论 文中难免有不“ - 3 和不足之处，诚挚的恳请各位专家、教授给予批评、指正。衷心的 感谢各位专家、教授、评委在百忙之中审阅我的论文和参加答辩。 摘要 平煤四矿采用下行开采方式进行开采时出现瓦斯突出和瓦斯超限等一系列 问题，导致工作面无法进行正常生产，甚至造成停产，并且引发煤层与煤层之间、 采场与巷道之间的压茬关系。针对这种情况，同时为了解决在实际生产中所遇到 的这些问题，使得平煤四矿保持高效、稳定、安全生产，本文提出了上行开采的 基本思路，并对其可行性进行研究。 通过综合运用理论分析及计算、相似模拟实验、数值模拟实验的方法，在参 阅大量国内外上行开采的理论和实践经验的基础上，结合平煤四矿的具体地质条 件和岩石物理力学性质，建立了上行开采的相似模型以及数值分析模型。在相似 模型及数值模拟实验中系统的分析了庚2 0 煤层开采后上覆岩层运移规律和破坏 情况及其上部己1 6 ，1 7 煤层的结构完整性，同时结合理论分析及计算结果详细的 对平煤四矿上行开采的可行性及其适用范围进行了研究。综合以上分析得出己1 6 ， 1 7 煤层与庚2 0 煤层之间的实际层间距、必要层间距和采动影响倍数均符合要求， 并且己1 6 ．1 7 煤层最大下沉量为4 0 c m 左右。因此庚2 0 煤层的开采在使己1 6 ．1 7 煤 层出现大量裂隙的同时不会使其发生台阶下沉，在平煤四矿采用上行开采是可行 的；为类似上行开采问题的解决提供了参考依据，开辟了新的途径。 通过本次对平煤四矿上行开采的可行性分析，可得上行开采方法适用于瓦斯 突出严重的己1 6 ’l ，煤层，具有重要的现实意义和实际应用价值。 该论文有图5 1 幅，表1 3 个，参考文献6 2 篇。 关键词上行开采相似材料模拟；数值模拟；可行性研究 A b s t r a c t I ti Sf o u n dt h a tt h eg a sw o u l dm o s tl i k e l yt oa p p e a ro v e r r B nb yu s i n gd e s c e n d i n g c o a l ．m i n i n gm e t h o di nP i n g m e iN o ．4C o a lM i n e ，w h i c hw o u l d c a u s ec o a lc a n n o tb e n o m a lp r o d u c t i o n ，e v e nc a u s ed i s c o n t i n u a t i o na n ds t u b b l er e p e a t i n gr e l a t i o n s h i p b e t w e e nm i n i n gf i e l da n dm i n er o a d w a yo rd i f f e r e n tc o a l s ．B a s eo nt h i ss i t u a t i o n ，t h i s p a p e rp u tf o r w a r da s c e n d i n gm i n i n gm e t h o dt os o l v et h e s ep r o b l e m si n t h ea c t u a l p r o d u c t i o nt om a i n t a i ns t a b l ea n ds a f ep r o d u c t i o n ，a n d r e s e a r c hi t sf e a s i b i l i t y ． T h o u g hi n t e g r a t e du s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，s i m i l a rs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sa n dc o n s u l t i n gd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l u p s t r e a mm i n i n gt h e o r ya n dp r a c t i c eb a s e do nt h ee x p e r i e n c e ，t h et h e s i se s t a b l i s h e d u p s t r e a mm i n i n gs i m i l a rm o d e l sa n dn u m e r i c a la n a l y s i s ，b a s i n g o nt h eS p e c i f i c g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c ki nP i n g m e i N o ．4C o a lM i n e ．T h ep a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h em o v e m e n tl a wa n dd a m a g eo f o v e r l y i n gS t r a t a i nG 2 0C o a la n ds t r u c t u r a li n t e g r i t yo fJ 1 6 ，1 7C o a l ．M e a n w h i l e ，i t r e s e a r c h e sf e a s i b i l i t ya n ds c o p eo ft h ea s c e n d i n gm i n i n gi nP i n g m e iN o ．4C o a lM i n e ， W h i c hc o m b i n e dw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nr e s u l t s ．B a s i n g o nt h e a b o v ea n a l y s i si ti Sf o u n dt h a tt h ea c t u a ls p a c i n g ，t h em i n i m u ms p a c i n gb e t w e e nt w o s e a m sa n dM i n i n gi n f l u e n c ef a c t o rm e e tt h er e q u i r e m e n t ；a n dJ 1 6 ，1 7C o a ls e a m ’s m a x i m u ms u b s i d e n c ei sa b o u t4 0c m ．T h e r e f o r e ，G 2 0C o a lm i n i n gw o u l dc r e a t ea l a r g en u m b e ro fc r a c k sb u td i d n ’tm a k ei t s t e pc o n v e r g e n c e ，w h i c hs h o w e dt h a t a s c e n d i n gm i n i n gm e t h o di nP i n g m e iN o ．4 C o a lM i n ei sf e a s i b l e ，p r o v i d i n ga r e f e r e n c ea n do p e n i n gan e wr o u t ei ns i m i l a ra s c e n d i n gm i n i n gp r o b l e m s ． T h o u g hr e s e a r c h i n gt h ea s c e n d i n gm i n i n gf e a s i b i l i t yi nP i n g r n e iN o ．4C o a lM i n e ， i tf o u n dt h a ta s c e n d i n gm i n i n gm e t h o di sa p p l i c a b l et oJ 1 6 。1 7C o a lw i t hs e r i o u sg a s o u t b u r s t ．w h i c hh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e ． a s c e n d i n gm i n i n g ；s i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； f e a s i b i l i t ys t u d y I I 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 平煤四矿基本概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 问题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 国内外上行开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 ．1 国外上行开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．2 国内上行开采研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．4 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．5 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 上行开采理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1 采高、层间距与上行开采的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 上覆岩层移动与破断的基本理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．3 卸压开采覆岩移动的一般规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．4 相似材料模拟理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．5 上行开采常用参数测定方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．5 ．I 上行开采最小层间距确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．5 ．2 上行开采有效作用范围确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．5 ．3 上行开采有效层间垂距确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 上行开采的相似模拟实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．1 相似材料模拟实验模型设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．1 ．1 相似材料模拟参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 3 ．1 ．2 相似材料选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．I ．3 相似材料模拟实验配比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 3 ．1 ．4 相似材料模拟模型中测线及百分表的布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．1 ．5 相似材料模拟实验上部载荷的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．I ．6 相似材料模拟模型铺设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．2 相似材料模拟过程及结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 。2 。I 下部庚2 0 煤层开采后上覆岩层运移规律及破坏过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 。2 ．2 各排测点的位移规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 4 上行开采的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．1 数值模拟软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．2 模型的构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．3 平煤四矿庚组煤和己组煤上行开采模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 5 ．1 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 I V l 绪论 1 绪论 1 ．1 平煤四矿基本概况 平煤四矿是平煤集团总公司的主干矿井之一，于1 9 5 5 年开工兴建，1 9 5 8 年 8 月投产，设计能力6 0 万f f a 。1 9 8 5 年二水平投产，新增设计能力6 0 万f f a ，1 9 9 7 年矿井核定能力为1 2 0 万f f a ，2 0 0 3 年核定生产能力为2 6 0 万V a ，2 0 0 6 年上升到 2 8 0 万讹。位于平顶山市西北郊约5 k m ，平顶山矿区中部，在一、二矿以西，三 矿以北，六矿、五矿以东。其地理位置坐标为东经1 1 3 。1 4 ’3 4 ”～1 1 3 。1 7 7 1 2 Ⅳ，北纬3 3 。4 6 ’0 8 Ⅳ～3 3 。4 8 7 2 8 Ⅳ，矿区走向长约2 ．5 k m ，倾向长约6 k m ， 总面积约1 5 k m 2 。该矿矿井井田面积1 2 k m 2 ，可采储量约9 0 0 0 万吨，可采煤层4 组9 层，各煤层赋存条件较好，地质构造简单。含煤地层自下而上有太原组、山 西组、下石盒子组和上石盒子组的下段。煤系下覆地层为石炭系本溪组的铝土页 岩，而其上覆地层为上石盒子组上段的平顶山砂岩。含煤岩系总厚 7 6 8 ．1 ～8 3 9 ．8 3 m ，含煤累计总厚3 0 ．7 2 4 1 ．2 1 m ，含煤系数为0 ．0 3 9 , - - 0 ．0 4 9 。其中庚 2 0 煤层一般为0 ．5 ～2 ．5 m ，平均厚度1 ．8 m ，局部受板舌状构造影响，煤厚可达3 ．5 m ， 煤层可采系数9 2 ％，变异系数0 ．2 3 ，属较稳定煤层，结构较复杂，含夹矸1 4 层，厚度O ．0 8 ～0 ．6 3 m ，平均厚度0 ．1 6 m ，煤层走向7 6 - - 1 2 5 。，倾向3 4 6 - - , 3 5 0 。， 煤层倾角6 1 7 。，平均为1 2 。，庚2 0 煤层距上部己1 6 ，1 7 煤层4 6 ．2 9 ～6 5 ．1 4 m ，平 均5 1 ．9 m 。己1 6 ．1 7 煤层平均厚度为3 ．8 m ，为主要可采煤层之一，全区发育，位 于己组煤段下部，层位稳定，主要煤种为肥煤，挥发份3 0 ．7 0 ％。己三采区内绝 大部分为合层，煤层结构较为复杂，煤层产状走向7 6 ～1 2 5 。，倾向3 4 6 - - - 3 5 0 。， 倾角4 ．4 1 1 ．1 。，平均为8 ．5 。。而其上部己1 5 煤层平均厚度为1 ．8 4 m 。 多年来，平煤集团在瓦斯治理方面做出了卓有成效的工作，系统的提出了矿 井瓦斯综合治理的理论与技术、将防治煤与瓦斯突出细则“四位一体”发展 为“六位一体”、“分源抽采”的方法，积累了丰富的瓦斯治理经验，取得了多项 重要成果，为矿区安全生产提供了必要的保障，于此同时四矿紧紧跟随集团脚步 在瓦斯治理方面也有了一定的发展。并且平顶山矿区作为我国主要瓦斯抽放区之 一在瓦斯治理方面的研究也是卓有成效的，但是总体来看和国外相比抽放水平还 是普遍较低的，并且存在一些问题煤层的透气性普遍较低，并且基础条件相比 较差。对瓦斯抽放的认识不高，抽放方法发展较慢，抽放效果不理想。因此对这 些存在的问题进行研究是非常有必要的。 矿井的总体构造形态为一单斜构造，煤层产状比较稳定，走向1 0 0 ～1 2 0 。， 倾角8 - 1 2 。，属于缓倾斜煤层，所研究煤层特征表如表1 ．1 所示。水文地质条件 属于简单复杂类型，主要含水层为寒武系、石炭系石灰岩含水层及第三系淡水灰 硕士学位论文 岩含水层。 表1 - 1 研究煤层特征表 T a b l e1 - 1R e s e a r c hc o a ll a y e rc h a r a c t e r i s t i c st a b l e 1 ．2 问题的提出 上行开采是指煤层间、厚煤层分层以及煤组间先开采下部煤层、分层或者煤 组然后再开采上部煤层、分层或者煤组【l J 。 我国煤矿在传统开采过程中，若为多煤层，则大多数开采方式为下行式开采。 因为跟据我国传统理论的观点，影响上行开采的主要因素为上、下煤层的层间距 和下煤层的采高。采用下行开采方式，是先开采上部煤层，再开采下部煤层，上 部煤层开采对下部煤层的扰动比较小，若采用上行开采方式，则需要先开采下部 煤层，这种开采方式比较容易引起开采层上覆岩层的变形、断裂或崩塌，进而有 可能破坏上部煤层的完整性，影响上部煤层的开采【2 J 。 对上行开采研究最早和最多的国家是波兰和俄罗斯，波兰的上行开采主要是 为了采出建筑物下压煤，而俄罗斯的研究则主要是为了提高矿井生产能力以及对 新矿井的建设。我国在上行开采方面也取得了很多宝贵经验，如袁亮教授所著煤 矿总工程师技术手册 中册 中介绍，淮南矿区的保护层卸压开采形成了淮南模 式的煤与瓦斯共采技术，阳泉矿区以及晋城矿区也形成了自己的开采模式，大大 提高了矿区的产量和安全，而平煤四矿的基本情况与阳泉矿区类似，因此可以参 照其成功经验，来对平煤四矿的上行开采进行研究，这将对平煤四矿的上行开采 起到一个很好的指导作用。 由于平煤四矿突出次数较多，被集团公司鉴定为突出矿井，其中己1 6 ．1 7 煤 层为突出煤层，己三采区上部瓦斯含量为6 ．7 m 3 ／t ，瓦斯压力为0 ．4 M p a 。而己三 采区中部瓦斯含量为1 1 ．2 5m 3 ／t ，瓦斯压力为1 ．O M P a ，瓦斯含量高，如按照传统 的下行开采方式进行开采则瓦斯突出危险较大，开采较为困难，并且不能达到安 全生产的要求，而其下部的庚2 0 煤层为非突出煤层，进行开采时突出危险则相对 较小，并且两煤层距离适中，符合下保护层开采的要求，在综合参考波兰“三带” 下的上行开采经验和前苏联上行开采经验以及对国内的研究现状尤其是阳泉矿 1 绪论 区的保护层开采状况进行研究之后，根据上行开采的适用条件当煤矿可开采层 中上部煤层为煤与瓦斯突出煤层时，一般可以先将下部煤层作为保护层进行开 采，这样在开采中可减轻甚至消除上部煤层进行开采时的煤与瓦斯突出危斛3 1 ， 这符合平煤四矿的基本情况。 在平煤四矿的实际生产中，首先采用下行开采方式进行开采并在开采中出现 了瓦斯突出和瓦斯超限等一系列问题，使得无法进行正常生产，生产任务无法完 成，甚至造成停产，并且引发煤层与煤层之间、采场与巷道之间的压茬关系，基 于这种情况并且为了解决在实际生产中所遇到的这些问题，使得平煤四矿保持高 效、稳定、安全生产，我们提出了上行开采的基本思路。 1 ．3 国内外上行开采研究现状 1 ．3 ．1 国外上行开采研究现状 煤炭是波兰国民经济的主要柱石之一。波兰建筑物下压煤达到1 1 0 亿t 以上 埋深1 0 0 0 m 以上时 。为了将建筑物下的压煤采出，早在1 9 2 0 ．1 9 3 0 年，就开始 有计划地试采上西里西亚煤团建筑物下的保护煤柱。1 9 4 5 年以后，开始大规模 的开采城市建筑物以及铁路下的保护煤柱，在特殊开采方面取得了丰富的实践经 验【4 1 。 1 波兰上行开采的实践经验【4 】 在研究上行开采时，常把上、下煤层间的层间距 奶与下煤层的采高 蚴之比 目称做采动影响倍数。 波兰采用上行开采开采缓倾斜煤层的成功实例表明 ①当对下部单一煤层进行开采时，可使上行开采安全生产的采动影响倍数 目 值要大于6 ，而当K 值小于6 时，上部煤层将遭到严重性的破坏，不能安全使用 上行开采的采煤方式进行生产。 ②当上行开采对采空区进行充填时，要使上部煤层不遭到破坏，安全进行上 行开采，则采动影响倍数 恐 值应在2 ．3 到2 ．9 之间。 ③下部煤层进行开采之后应在一年以后才能对上部煤层进行开采。 2 研究成果1 5 J 波兰学者经过大量实践研究得出，上部煤层和下部煤层之间距离的大小是决 定上行开采是否可行的主要条件中的一个。代表性观点有 ①W ．捷赫维茨的观点是，上下煤层之间的距离和下部煤层的开采高度之间的 关系是线性的，即 H 1 2 M 1 1 ②B ．克鲁宾斯基等人和W ．捷赫维茨的观点基本相同，但是他们得出的线性 硕士学位论文 关系式有所不同，具体为 当M I ．5 m 时，伊8 M 1 - 2 ③M ．胡德科等人的观点是，上下煤层之间的距离在和下部煤层的开采高度 成正比例关系的同时还和岩体破碎后与破碎前的体积比 ％ 及矸石发生冒落后 被压缩的比率 瑁 成反比例关系，具体如下 H 』L ．上 1 ．3 K 。一ll r ／ ④马可耶夫斯基的观点是，上下煤层之间的距离在和下部煤层的开采高度的 平方成i [ iL g 例关系的同时还和岩体破碎后与破碎前的体积比 ％ 成反比例关系， 其关系式为 H型竺1-4 K P 一1 ⑤T ．思达朗的观点则是，下部煤层的开采高度以及岩体破碎后与破碎前的体 积t g ／【p 均和上下煤层之间的距离有关，具体关系式为 肚M l2 j 硐4f 1 - 5 前苏联煤矿上行开采成功实例很多，库兹巴斯矿区就是其中的一个。库兹巴 斯矿区是生产优质炼焦煤的基地，过去采用下行式开采程序开采煤层群，局限了 矿井对煤炭的生产量和对新设计矿井的具体施工。因此决定先采下部煤层，再对 上部煤层进行开采，在此实践过程中，得到了大量的宝贵经验，对上行开采的科 学分析、研究也得到了大量的成果1 6 1 。 1 前苏联上行开采经验【7 l ①在对缓倾斜以及倾斜煤层中的下部单一煤层进行开采之后，若对其上部煤 层的采动影响倍数 K 值大于或等于1 0 ，则可安全进行上行开采。若K 值小于1 0 ， 则上部煤层所受的破坏程度各不相同，在采取一定技术措施之后，方可运用上行 开采方式安全生产。 ②在对缓倾斜以及倾斜煤层中的下部煤层进行开采时，若上部煤层和下部煤 层之间距离为1 8 ～8 5 m ，则其上部煤层应在3 ～1 2 个月之后进行开采。在对急倾斜 煤层中的下部煤层进行开采时，若上部煤层和下部煤层之间距离为8 ～7 0 m ，则其 上部煤层应在3 ～1 0 个月之后再进行开采【8 】。 2 研究成果【9 1 前苏联学者经过研究得出，安全进行上行开采首先应保证上部煤层和下部煤 1 绪论 层之间有足够的距离，以下观点得到普遍认同 ①T ．B ．达维江茨的观点是，上下煤层之间的距离和下部煤层的开采高度之间 是成正比例关系的，得出公式为 H 2 0 M 1 - 6 ②A ．Ⅱ．基利雅奇克夫在顿巴斯矿区对该矿上行开采实际情况进行研究之后 得出，当将下部单一煤层采出之后，若要安全采出上部煤层，则对上下煤层之间 距离的计算公式如下 H 1 2 M 3 ．5 M 2 1 - 7 ③T ．H ．库兹涅佐夫的观点为，下部煤层的开采高度以及岩体破碎后与破碎前 的体积比 局 均和上下煤层之间的距离有关，具体关系式为 H 垒 丝2 ．M 1 ．8 K J 口一1 ④B ．兀．斯列沙列夫的观点则是，上行开采是否可行主要取决于上下煤层之间 的距离与冒落带高度之间的关系，只有当前者大于后者，才能保证安全生产，具 体关系式为 日2 瓦可M 忑 1 - 9 式 1 1 至 1 9 中 H 一上、下煤层的层间距，m ； 』沪下煤层采高，m ； K 产岩石碎胀系数； 仔一冒落矸石的压缩率。 1 ．3 ．2 国内上行开采研究现状 7 0 年代，我国采矿领域专家学者普遍开始对煤层 群 上行开采进行实践研 究，并且在一些条件适合的矿井进行了实验性的上行开采【1 0 】。8 0 年代，在对新 煤矿的设计施工、老矿区 矿井 的开采技术以及复采时的采法选择上都开始对上 行开采技术进行应用，使得地方煤矿采空区上方无法开采的大量煤炭得以开采利 用，得到了大量宝贵的实践经验【1 1 1 。 ①主要取得实践经验‘1 2 1 1 当对下部单一煤层进行开采时，若采动影响倍数 的值大于7 ．5 ，上部煤层 可安全掘进和采煤。若下部煤层开采后采空区有煤柱保留，则在下部保留有煤柱 位置上方的煤层采 掘 工作面内可能会有局部顶板岩 煤 层有裂隙出现，采取一 硕士学位论文 定的技术措施之后，上行开采可以安全进行。 2 若上部煤层和下部煤层的距离大于下部煤层采出后形成冒落带的高度，上 行开采可以安全进行。 3 在下部煤层采出后，一定要在足够的时间之后才能对上部煤层进行开采。 ②研究成果 1 比值判别法【1 3 】 当对下部单一煤层进行开采时，用采动影响倍数 的值的大小来进行判断， 具体公式为 KiH1-10 M 式中仔一上下煤层之间的垂距，m ； 朋L 下煤层采高，m 。 我国煤矿上行开采的大量生产实践以及研究结果表明，当K 值大于7 ．5 时， 先采出下部煤层一般不会影响在上部煤层内的正常准备和回采。 2 数理统计分析法【1 4 J 北京开采所依据我国部分煤矿进行上行开采所得数据，用分析回归的方法得 出下部开采一个煤层时，上行开采中上部煤层必须和所开采煤层距离日的经验 公式为 H 1 ．1 4 M 2 4 ．1 4 M 。 1 - 1 1 式中M 为下煤层采高，m ； 坛为上煤层厚度，m 。 3 ‘‘三带’’判别法【1 5 1 若上部煤层和下部煤层的距离小于或者等于下部煤层开采后所形成垮落带 的高度，则会严重破坏到其上部煤层结构的整体性，上行开采无法安全实施。 若上部煤层和下部煤层的距离小于或者等于下部煤层开采后所形成断裂带 的高度，则对上部煤层结构的整体性的破坏只是一般程度，在采取一定的安全措 施之后，上行开采可安全进行。 若上部煤层和下部煤层的距离大于下部煤层开采后所形成断裂带的高度，则 上部煤层将只会发生一体性的移动，而不会破坏到其结构的整体性，上行开采可 以安全实施。 在将下部煤层采出之后，应在其所引发的覆岩下沉趋势平稳之后再对其上部 煤层进行开采。 4 围岩平衡法【1 6 】 由于上行开采对采场覆岩中早己形成的初始应力的分布情况及其所形成的 稳定平衡状态重新进行了排列，因此覆岩无论是在横向还是纵向都会出现变形遭 l 绪论 到破坏。覆岩所产生的横向以及纵向采动离层形变将会引发裂隙的大量出现，煤 层因此发生变形破坏，但是在开采一段时间之后，由采动所引发的裂隙将在上部 岩层的压力下闭合，并重新压实。岩层所发生的台阶错动则是纵向剪切形变的主 要表现形式，导致煤层结构的整体性被破坏。其中台阶错动将导致上行开采无法 进行。对岩层台阶错动的控制，就是通常所说的采场围岩力系平衡问题。 1 ．4 研究内容 本文是在现场调研的基础上，采用理论分析，数值模拟方法，针对平煤四矿 的煤岩地质条件，结合国内外上行开采经验进行了研究，主要研究内容如下 1 上行开采的一些基础理论分析，并对影响上行开采的一些主要因素进行分 析计算同时与平顶山四矿的基本情况进行对比。 2 利用数值模拟以及相似模拟实验对下部庚2 0 煤层开采后的覆岩运移状况 进行模拟分析，从而得出上行开采是否可行。 3 与平煤四矿开采实际情况进行对比，并且在借鉴其他矿区的成功案例之后 提出解决方案并进行分析。 1 ．5 研究方法 1 通过对采高、层间距，“三带“ 形态，采场上覆岩体结构，采场上覆岩体 变形与上行开采关系的研究以及上覆岩层移动与破断的基本理论研究对上行开 采进行理论分析。 2 通过现场采集样本，采用实验室测试方法，对平煤四矿所要研究岩煤层的 岩石力学性质进行测试分析。 3 通过对相似三定理的学习，并对相似模拟实验进行实验配比计算，以确定 所需要材料及模型大小，在此基础上进行相应的相似模拟实验。 4 通过运用F L A C3 D 软件，对平煤四矿庚组煤采动覆岩运移规律，以及对 其上部己组煤的影响进行数值模拟实验。 1 ．6 本章小结 本章通过对上行开采以及平煤四矿基本情况的简单介绍引出所要研究的问 题，进一步明确所要研究的主要内容。对国内外上行开采的现状和经验做了简单 介绍，并在总结其成功经验的基础上联系平煤四矿的实际情况，对平煤四矿的上 行开采进行研究。在研究方法上综合运用了理论分析及计算、相似材料模拟实验、 基于F L A C3 D 的数值模拟实验等方法对平煤四矿上行开采的可行性进行分析研 究。 硕士学位论文 2 上行开采理论分析 2 ．1 采高、层间距与上行开采的关系 上行开采在多煤层开采中所进行的科学研究以及生产实践表明，对上覆岩 煤 层破坏情况和下沉高度起根本作用的是下煤层的开采高度 采高 ；一般情况 下下煤层的开采高度越高，采空区的空间也就越大，上覆岩 煤 层的运动距离也 就越高，所产生的各种形变也将相应变大，因而采煤工作面上覆岩 煤 层中应力 就不容易产生平衡，在这种情况下，采煤工作面上覆岩 煤 层会受到严重破坏， 就无法安全进行上行开采；对上行开采是否可行起主要作用的是上下煤层之间的 距离 层间距 ；上下煤层之间的距离愈大，上覆岩 煤 层下沉趋势就愈加平缓， 产生的各种形变值 倾斜、曲率等 就会愈小，就更加利于安全进行上行开采；反 之上下煤层之间的距离愈小，上覆岩 煤 层就会发生越猛烈的形变，乃至上覆岩 煤 层发生错动出现台阶式下沉的现象，这时就需要采取一定的技术措施之后才 能安全实施上行开采；所以说下煤层的开采高度和上下煤层之间的距离作为判断 上行开采可行性最根本、最直观的标准是和上行开采这种采煤方法同时被提出的 【1 7 】 o 经过实际勘测得知平煤四矿庚2 0 煤层和己1 6 ．1 7 煤层之间的平均层间距为 5 0 m ，而按照国内外进行上行开采的实践经验可以得知，当上部煤层与下部煤层 之间的距离大于2 0 m 时，上部煤层就基本不会出现台阶下沉现象，在采取一定 技术措施之后，上行开采就可安全进行，因此可以得出平煤四矿的层间距条件是 满足上行开采的要求的。同时平煤四矿庚2 0 煤层一次采全高，采高为1 ．8 m ，按 照前述采出下部一个煤层或者是厚煤层中的第一层时的状况分析以及许多矿安 全进行上行开采的经验得知，庚2 0 煤层的开采高度是在一个合理区间之内的，因 此是满足上行开采的条件要求的。 2 ．2 上覆岩层移动与破断的基本理论 煤层开采出来之后将会引起上覆岩层的移动与破断，并且会在岩层中形成一 定的采动裂隙。按照采动裂隙在岩层中出现的位置可以将其分为顶板岩层采动裂 隙、煤层采动裂隙、底板岩层采动裂隙以及地表采动裂隙四种裂隙。而按照性质 则可以将其分为贯通的竖向破断裂隙、岩层层间的离层裂隙以及断层面的活化 裂隙。其中竖向破断裂隙则为井下水和煤层气向采煤工作面渗流提供了通路。而 离层裂隙形成原因则是上覆岩 煤 层中软硬不同的各层岩石之间的沉陷步调不 一致，一般可以运用它来减缓地层表面岩石的沉陷。离层裂隙的活化则会使得地 层表面岩石的沉陷速度剧烈增加，破坏地表的稳定。并且可能会诱发地下水突出 2 上行开采理论分析 或者瓦斯爆炸。采动裂隙在上覆岩 煤 层的压力作用下被压实并且逐渐闭合，其 闭合情况还关系到地表沉陷值的大小，特别需要注意的是垮落带与裂缝带顶板上 覆岩 煤 层出现的采动裂隙以及碎胀性系数的大小都对地层表面岩石的沉陷速 度直接产生影响。综上可得，上覆岩 煤 层中采动裂隙的具体布局不但和煤矿井 下水的污染与治理及突出灾害相关，而且关系到煤层开采中瓦斯气体的卸压渗 流、煤矿瓦斯突出的防治和煤层气的开发利用【l 引。 刘天泉院士【1 9 】等人对国内煤矿煤层采出后上覆岩 煤 层的破坏以及形成的 导水的裂隙破碎带布局进行了一系列