同忻矿“双系”煤层覆岩破断演化规律及控制技术研究.pdf

分类号分类号 TDTD323323 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 同忻矿“双系”煤层覆岩破断同忻矿“双系”煤层覆岩破断演化规律演化规律 及控制技术研究及控制技术研究 胡胡 浩浩 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 专业专业名名称称采矿工程采矿工程 指导教师姓名指导教师姓名宁宁 建建 国国 职职 称称副副 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二○一七二○一七年五月年五月 万方数据 国家自然科学基金项目（国家自然科学基金项目（51574154）） 论文题目论文题目 同忻矿“双系”煤层覆岩破断演化规律同忻矿“双系”煤层覆岩破断演化规律 及控制技术研究及控制技术研究 作者姓名作者姓名 胡胡 浩浩 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 采矿工程采矿工程 研究方向研究方向矿山压力矿山压力与与岩层岩层控制控制 指导教师指导教师 宁宁 建建 国国 职职 称称 副副 教教 授授 论文提交日期论文提交日期2017 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY ON TONGXIN MINE DUAL SEAM STRATA FRACTURE EVOLUTION AND CONTROL TECHNOLOGY RESEARCH A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Hu Hao Supervisor Associate Professor Ning Jianguo College of Mining and Safety Engineering June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所本人完全了解山东科技大学有关保留、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。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，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆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；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 硕士生签名硕士生签名 导师签名导师签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查认定书学位论文审查认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划，在规定的学习年限内， 按照培养方案及个人培养计划， 完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文，完成了课程学习，成绩合格，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师签名导师签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 大同矿区为坚硬顶板条件下双系煤层群开采，现阶段侏罗系煤炭资源开采 殆尽，主要开采石炭系 3-5煤层。在石炭系 3-5煤层开采过程中，当达到侏罗 系煤层采空区时，已趋于稳定的侏罗系破断顶板结构活化‖失稳。失稳的破断 顶板压力将通过遗留煤柱向下传递， 造成底部煤层工作面附近应力场发生改变， 可能会诱发冲击地压等相关灾害。 本文基于大同矿区同忻煤矿 8207 工作面赋存 条件，通过理论分析、相似材料模拟以及现场监测相结合的方法，分析双系煤 层开采过程中覆岩沉降、离层、破断演化规律，揭示侏罗系煤层群顶板活化‖ 失稳机理，主要获得以下结论 （1）基于同忻矿地质勘探资料，在生产现场选取岩芯，并对其进行室内试 验，得到了同忻矿 3-5煤层顶板岩层的主要物理力学参数。在此基础上，采用 相似材料模拟、数值模拟，模拟双系煤层群开采条件下顶板破断的时空演化过 程，揭示了双系煤层群覆岩沉降、离层、破断演化规律； （2）建立了破断顶板活化‖失稳力学模型，获得了侏罗系煤层群破断顶板 失稳判据；对 3-5煤层开采不同阶段工作面支架荷载进行计算，并分析了侏罗 系煤层遗留煤柱对 3-5煤层支架压力影响。 （3）通过对大同矿区同忻矿 8207 工作面现场矿压监测，获得了遗留煤柱 应力集中影响范围；通过分析工作面支架循环末阻力，对推导所得支架阻力计 算公式进行验证。在此基础上提出通过开采优化、水压致裂、开采充填等技术 降低下部煤层工作面应力集中，从而保证石炭系 3-5煤层的安全开采。 关键词关键词双系煤层群，失稳，破断顶板，煤柱，沉降 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 II ABSTRACT There are double system coal seam of the top floor is hard in the Datong mining area. At present, the upper coal resources of Jurassic was exploited completed, the main mining 3-5 coal seam of Lower Carboniferous Permian, the stable broken roof structure of the Jurassic has been activatied again in the process of 3-5 coal seam mining unger the goaf. The pressure of unstable roof was passed down coal pillar, the stress field near the working face of bottom coal seam was changed and partial pressure was increased, which may induced rock burst and other related disasters. Based on the 8207 working face occurrence conditions in Datong mining area, the evolution law of overlying strata settlement, separation and fracture in the process of coal mining was analyzed and the mechanism of “activation“ instability in the roof of Jurassic coal seams was revealed by combination of theoretical analysis, similar material simulation and field monitoring, the main conclusions are as follows 1 Based on Tongxin mine geological exploration data, at the production site selected cores, and the indoor test was done, the main physical and mechanical parameters of Tongxin mine 3-5 coal seam roof strata. On the basis of this, spatial and temporal evolution of roof break of double coal seams was Simulated and the evolution law of overlying strata subsidence, separation and fracture of the double coal seams is analyzed by similar material simulation test. 2 The mechanical model of the broken roof “activation“ instability was established, and the mechanism of the roof failure of the Jurassic coal seam group was obtained; the support load at different stages of 3-5 coal seam mining was calculated and influence of residual coal pillar in Jurassic coal seam on support pressure of 3-5 coal seam. 3 The influence range of residual coal pillar stress concentration was obtained by site mine pressure monitoring of the 8207 working face of Tongxin mine in Datong mining area, support resistance ula was verified by the analysis of the end resistance. On the basis of this, it is proposed that the stress concentration of the lower coal seam can be reduced by the technology of mining optimization, hydraulic fracturing and mining filling, so as to ensure the safe exploitation of the 3-5 coal seam in carboniferous. Keywords double system coal seam group, instability, roof breaking, 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 III coal pillar, settlement 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 IV 目目 录录 摘摘 要要...I 目目 录录IV 1 绪论绪论...1 1.1 课题研究目的和意义................1 1.2 国内外研究现状.1 1.3 研究内容及技术路线.4 2 岩石力学测试岩石力学测试...6 2.1 现场地质条件.6 2.2 钻孔取芯方案及加工.8 2.3 岩石物理力学参数.9 2.4 覆岩关键层判别...14 2.5 小结...15 3 “双系双系”煤层覆岩破断运移规律煤层覆岩破断运移规律..17 3.1 同忻矿地质概况...17 3.2 双系煤层覆岩破断相似材料模拟...18 3.3 双系煤层群顶板破断结构活化‖失稳数值模拟..29 3.4 小结...32 4 “双系双系”煤层覆岩破断失稳机理及控制研究煤层覆岩破断失稳机理及控制研究..34 4.1 3-5煤主关键层破断力学模型.34 4.2 侏罗系破断顶板活化‖失稳..36 4.3 3-5煤层不同开采阶段的工作面支架阻力计算43 4.4 本章小结51 5 3-5煤层工作面矿压监测分析煤层工作面矿压监测分析52 5.1 同忻矿 8207 工作面地质概况52 5.2 监测方案及仪器..53 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 V 5.3 矿压监测结果分析55 5.4 石炭系煤层强矿压显现成因分析及防治技术......58 5.5 小结...59 6 主要结论及展望主要结论及展望.61 6.1 主要结论..61 6.2 主要创新点..62 6.3 展望..62 参考文献参考文献.63 致致 谢谢68 攻读硕士学位期间主要成果攻读硕士学位期间主要成果.69 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VI Contents 1 Introduction ........................................................................................................... 1 1.1 Background and significance of the research ............................................... 1 1.2 Research status of domestic and overseas............................................................. 1 1.3 Main research contents and approaches ............................................................... 4 2 The physic mechanical parameter test ................................................................ 6 2.1 Geological conditions ................................................................................... 6 2.2 Drilling coring and processing ...................................................................... 8 2.3 Physical and mechanical parameters of rock mass ....................................... 9 2.4 Identification of key strata in overlying strata ............................................ 14 2.5 Brief summary ............................................................................................... 15 3 The evolution law of roof breaking structure of the dual system coal seams 17 3.1 The geological and mining conditions.in Tongxin mine ....................................... 17 3.2 Simulation of similar material for breaking structure of dual system coal seam ....... 18 3.3 Numerical simulation of “activation“ instability of broken structure ......... 29 3.4 Brief summary ............................................................................................ 32 4 Study on the mechanism and control of the overlying strata failure and instability of the “dual system“ coal seam ........................................................ 34 4.1 Fracture mechanics model of the primary key stratum ............................... 34 4.2 The “activation“ instability of the Jurassic broken roof ............................. 36 4.3 Calculation of support resistance in working face of 3-5 coal seam in different mining stages ........................................................................................ 43 4.4 Brief summary ............................................................................................ 51 5 Analysis of mine pressure monitoring in 3-5 coal face .................................. 52 5.1 Geological survey of 8207 working face in Tongxin mine......................... 52 5.2 Monitoring scheme and instrument ............................................................ 53 5.3 Analysis of mine pressure monitoring results............................................. 55 5.4 Cause analysis and prevention technology of strong pressure in coal seam in Carboniferous ................................................................................................. 58 5.5 Brief summary ............................................................................................ 59 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 VII 6 Conclusions and prospects ................................................................................. 61 6.1 Conclusions ................................................................................................. 61 6.2 Main innovation .......................................................................................... 62 6.3 Prospects ..................................................................................................... 62 Main Reference Documents ..................................................................................... 63 Thanks ........................................................................................................................ 68 Main Work Achievement of the Author during Working on Master Paper ........ 69 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究目的和意义课题研究目的和意义 煤炭作为化石能源中储量最多、分布最广的一类，对我国现代化进程起到极 大的促进作用。据统计，2016 年我国煤炭消费量占能源消费总量的 64.0[1]。在 未来一段时间内， 煤炭做为我国能源结构中的重要组成部分，将继续占据较大比 重[2-3]。因此煤炭生产矿井的安全、高效的生产对我国经济的持续健康发展具有 重要意义。 在我国矿井事故中，顶板事故由于其多发性，死亡人数居各类矿井事故之首 [4-7]。尤其当综采工作面顶板为厚度大、整体性好的坚硬顶板时，由于采空区大 面积悬顶，更容易发生顶板事故，影响矿井安全生产[8-14]。大同矿区为坚硬顶板 条件下双系煤层群开采， 现阶段侏罗系煤炭资源开采殆尽， 主要开采石炭系 3-5 煤层。在石炭系 3-5煤层开采过程中，由于上方赋存有厚度大、强度高的坚硬岩 层不能及时垮落而大面积悬空，致使围岩应力集中程度高，工作面支架阻力较大 [15-17]。这部分岩层作为关键层，除承载自重还将承受覆岩荷载，对上覆岩层的结 构形态及其运移起控制作用。关键层的断裂，往往易造成严重的矿山动力灾害， 对工作面支护设备造成冲击，影响矿井的安全生产[18-20]。主关键层破断后覆岩破 断高度继续向上发育，当达到侏罗系煤层采空区时，已趋于稳定的侏罗系破断顶 板结构活化‖失稳。活化失稳的破断的顶板压力将通过遗留煤柱向下传递，造成 底部煤层工作面附近应力场发生改变，在底煤层开采时部分区域压力增大，可能 会诱发冲击地压等相关灾害。 本文基于大同矿区同忻煤矿 8207 工作面赋存条件，通过理论分析、相似材 料模拟以及现场监测相结合的方法，分析双系煤层开采覆岩破断规律， 揭示侏罗 系煤层群顶板再次活化失稳机理，对 3-5煤层开采不同阶段遗留煤柱-破断顶板 结构共同作用下工作面支架荷载进行分析， 解释了侏罗系煤层开采后石炭系煤层 呈现强矿压‖的致灾机理，为大同及类似矿区多煤层开采提供了理论依据。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 采动所引起的覆岩运动是矿压显现的根本原因，受覆岩厚度、岩性及开采方 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 2 式等因素的影响，覆岩运动存在多种多样的形式。同时覆岩结构形式决定了其运 动特征，也是决定覆岩控制方式的关键[21]。在覆岩破坏研究中，在确定煤层开 采后覆岩破坏冒落高度进的基础上， 对覆岩运动结构形式及其稳定条件进行研究， 包括考虑上覆岩层的岩性、厚度、埋深等因素建立上覆岩层断裂破坏力学模型进 行预计。 1.2.1 覆岩覆岩破断破断运动运动规律规律 近年来，随着我国煤层开采深度的不断增加，开采条件更为复杂，矿压灾害 较为突出，因此有必要更为准确的及定量的对覆岩的运动特征进行分析。在借鉴 国外学者研究的基础上，我国学者在这一问题研究过程中取得丰硕的研究成果， 并成功的应用到生产实践中。 其中以钱鸣高院士的砌体梁理论[22-25]及宋振琪院士 的传递岩梁理论[26-27]最为国内外学者所认可。此外，国内专家学者做出卓有成效 的工作，进一步完善了矿山压力与岩层控制理论。 钱鸣高院士[28-29]提出各种不同支撑条件下的Winkler弹性基础上的Kirchhoff 板力学模型，通过连续介质力学模型对顶板断裂的机理进行了分析；缪协兴等 [30-31]提出关键层理论‖，阐述了关键层的特征、变形破坏规律以及关键层上覆载 荷的变化规律等。许家林[32]等建立了关键层判别的实用方法，并运用于华丰矿 及大柳塔矿覆岩关键层位置的判别；宁建国[33]等通过对综采工作面进行矿压监 测， 建立了浅埋煤层工作面弱胶结顶板破断结构模型，对工作面顶板不同运动阶 段综采支架支护强度进行推导计算公式；贾喜荣[34]通过将岩层视为不同支撑条 件下的薄板‖， 对薄板的破断规律及破断前后煤岩体所引起的力学变化进行了研 究；侯忠杰[35]等通过理论分析与模拟相结合，提出覆岩全厚台阶式切落的判断 公式，并推导了关键层极限跨度的计算公式与承受荷载；陈忠辉和谢和平[36-37] 等针对工作面顶板来压分段迁移的时空特征， 重点研究了工作面长度方向的矿压 显现规律，实现了采场覆岩结构从平面到空间的扩展和突破；姜福兴[38-40]等提出 基于微震监测技术研究覆岩空间结构的方法， 指出了采场覆岩空间结构根据采动 边界条件的不同，可分为 ‖型、O‖型、S‖型和C‖型；孙春东[41]等认为下部 工作面采场覆岩形成了“双结构顶板” ，并给出了上、下煤层工作面联合开采最 佳走向错距范围；刘志阳[42]建立了下位基本顶二次断裂和上位基本顶初次破断 的结构力学模型，并阐明了大、小周期来压形成机理；宋保胜[43]建立了薄煤层 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 3 工作面联合开采的顶板压力分布力学模型， 并预测了上下工作面开采顶板压力分 布规律；王成帅[44]将釆空区下近距离煤层综釆工作面上覆岩层划分为“直接顶 岩层垮落带岩层”结构、 “直接顶岩层跨落带岩层裂隙带岩层”结构、 “直接 顶岩层基本顶岩层垮落带岩层”结构和“直接顶岩层基本顶岩层垮落带岩 层裂隙带岩层” 结构形式， 并分析了四种结构形式的垮落特征和支架承载特征； 蒋金泉[45-48]等通过建立不同边界条件下高位硬厚岩层力学模型， 对相应条件下硬 厚岩层的破断规律进行分析， 并结合微震技术对高位硬厚岩层破断过程中能量分 布进行研究；李化敏[49]等在对大采高综放面的矿压及顶板破断规律进行分析的 基础上，建立了综放面周期来压力学模型，并对液压支架工作阻力进行计算；于 斌[50]等针对大同矿区坚硬顶板条件下的特厚煤层综放开采出现的强矿压显现， 提出了特厚煤层开采岩层“远近场”结构演化模型。高明中[51-52]等采用相似材料 模拟，研究了关键层对覆岩及地表的影响规律。刘长友[53]等对大采高综放开采 条件下的顶板破断规律，认为顶板破断形式及顺序对综放开采影响明显。 1.2.2 采空区采空区煤柱应力分布煤柱应力分布 A.K. Singh[54]等根据印度煤矿大规模生产的需要，根据采动应力与煤柱的关 系， 对估算的煤柱影响范围进行了修正，并根据修正的公式得到了煤柱的垂直应 力；于斌和刘长友[55-58]等通过分析采空区煤柱应力影响规律，得到了双系煤层条 件下的“煤柱覆岩”作用机理。刘建都[59]采用数值模拟软件对极近距离煤层 条件下，不同宽度煤柱在底板的应力传递角及应力集中系数。解兴智[60-61]建立了 “采空区顶板煤柱群”数学模型，对浅埋煤层采空区的破坏发展过程进行分析 预测。ZHANG L[62]等运用数值软件对多煤层条带开采煤柱稳定性及其影响因素 进行了模拟研究； 李浩荡[63-64]等建立了过煤柱覆岩结构力学模型，分析得动载来 源于工作面出煤柱时覆岩结构的失稳；罗吉安[65]等建立了近距离煤层条件下煤 柱应力传递模型， 分析了不同宽度煤柱时应力在底板中的传递及分布； 杨俊哲[66] 通过分析近距离工作面过上覆房采采空区和集中煤柱动压产生因素， 认为动压事 故源于覆岩关键块的滑落失稳；Kan J G[67]等利用数值模拟和现场实测相结合， 对工作面采动应力分布演化规律及顶板破坏机制进行了研究；许磊[68]等通过数 值模拟研究了残余煤柱底板偏应力场分布特征并推导了底板偏应力解析公式； Congliang L[69]等采用 Winkler 弹性地基梁建立了“煤柱-顶板”力学模型，并基 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 4 于薄板理论及突变理论对煤柱失稳机理进行了分析； 鞠金峰[70-71]等按照上煤层采 空区煤柱与关键层断裂位置的关系，将出现的压架情况分为两类，并分析了各情 况下压架机制。 1.2.3 存在问题存在问题 从目前的研究现状来看， 对于坚硬顶板条件下多煤层开采覆岩破断结构演化 规律虽然取得了一定的成果，但仍存在如下问题需进一步研究 （1）对多煤层不同煤层开采时覆岩破断结构演化规律研究较少，具有很大 的局限性。 （2）对于双系煤层开采，下层煤开采时上煤层采空区