大倾角煤层群走向长壁开采围岩移动基本规律及其复杂性分析.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 大倾角煤层群走向长壁开采围岩移动基本规律及复杂性分析 姓名解盘石 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师伍永平 20070420 论文题目大倾角煤层群走向长壁开采围岩移动基本规律及复杂性分析 专业采矿工程 硕士生解盘石 指导教师伍永平 摘要 签名 签名 大倾角煤层是指埋藏倾角为3 5 0 ～5 5 0 的煤层。当煤层的倾角大于3 5 0 时，开采形成 的围岩移动规律不同于3 5 0 以下煤层。大倾角煤层群属大倾角煤层中赋存条件较复杂的 工程类型，由于多煤层连续开采，所引起的岩层移动规律与单层大倾角煤层有明显区别， 因此，研究大倾角煤层群开采不论是对现场安全生产技术改进，还是对大倾角煤层开采 理论的拓展都具有十分重要的意义。 本文以大倾角煤层群走向长壁工作面为研究对象，通过物理相似材料模拟实验、数 值计算实验和现场观测相结合的手段，利用已有的大倾角煤层开采理论，对其围岩移动 基本规律进行了分析研究。 研究表明，大倾角煤层群开采时，除具有单一大倾角煤层相似的岩移规律外，无论 是围岩应力还是岩层运移还都表现出与单一大倾角煤层不同的特征，变化现象趋于复 杂。在大倾角煤层群开采过程中，上层煤层开采不仅影响了上覆岩层的运移规律，而且 对下层煤层产生了扰动，改变了下方煤岩的力学特征，影响了下层煤层开采，其扰动主 要表现为上层煤开采的卸载扰动和支架、采空区垮落体的加载扰动，从而影响了下层煤 “R - S ．F ”系统稳定性。 关键词大倾角煤层群；围岩移动规律；复杂性；‘ R - S ．F ’’系统稳定性；开采扰动 研究类型应用研究 S u b j e c t A n a l y s y so fS u r r o u n d i n gR o c k sM o v e m e n ta n dC o m p l e x i t yo n L o n g w a l lC a v i n gM e t h o da l o n gt h eS t r i k ei nS t e e p l yD i p p i n g S e a mG r o u p S p e c i a l t y ；M i n i n gE n g i n e e r i n g N a m eX i e P a ns h i I n s t r u c t o r W uY o n gp i n g A b s t r a c t S i g n a t u r e S i g n a t u r e T h es t e e p l yd i p p i n gs e a mi sd e f i n e db yc o a ls e a mw h i c hp i t c hi s3 5 。- 5 5 。．w h e nc o a l s e a mp i t c hi sm o r et h a n3 5 0 ，t h em o v e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c k si sd i f f e r e n tf r o mc o a ls e a m w h i c hp i t hi sl e s st h a n3 5 。．S t e e p l yd i p p i n gs e a mg r o u pi so n ec a t e g o r yo f t h es t e e p l yd i p p i n g s e a r sa n di t so c c u r r e n c a gc o n d i t i o n si sc o m p l e x ，b e c a u s eo fc o n t i n u o u sm i n i n go fs t e e p l y d i p p i n gs e a mg r o u p ，t h es t r a t am o v e m e n ti ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tf r o mt h es i n g l e l a y e r s t e e p l yd i p p i n gs e a r n ，t h e r e f o r e , r e s e a r c h e so nm i n i n go fs t e e p l yd i p p i n gs e a mi sv e r y m e a n i n g f u ln o tn o l yt oi m p r o v i n gs a f e t yp r o d u c et e c h n o l o g yi np r a c t i c e ，b u ta l s ot ow i d i n g t h em i n i n gt h e o r yo f t h i st y p ec o a ls e a m ． I nt h i st e x t ，s t u d y i n go nt h es t e e p l yd i p p i n gs e a mg r o u pw i t ht h el o n g w a l lc a v i n g m e t h o da l o n gt h es t r i k ea n du s i n gt h ee x i s t i n gt h e o r yo fs t e e p l yd i p p i n gs e a r l l ，．a n dt h e n a n a l y s et h em o v e m e n to fs u r r o u n d i n gr o c k st h r o u g ht h ep h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ， s u m e r i c a ls i m u l a t i o na n ds i t et e s t ． R e s e a r c hc o n c l u s i o ni n d i c a t e st h a tt h em o v e m e n to f s u r r o u n d i n gr o c k si ns t e e p l yd i p p i n g s e a mg r o u ph a st h es i n g l e - l a y e r s t e e p l yd i p p i n gs e a m sc h a r a c t e r i s t i c s ，i na d d i t i o n ，t h e s u r r o u n d i n gr o c k ss t r e s sa n dt h es t r a t am o v e m e n ta r ed i f f e r e n tf r o mt h es i n g l e - l a y e rs e a m ， a n dc o m p l e x ．O nt h eo t h e rh a n d ，m i n i n go fu p p e rc o a ls e a mi m p a c t so nt h em o v e m e n to f o v e r l a y i n gs t r a t a ，a n da l s od i s t u r b st h el o w e rc o a ls e a mo fs t e e p l yd i p p i n gs e a mg r o u pa n d c h a n g e st h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co f c o a la n dr o c k s ，t h em i n i n gu n l o a d i n gd i s t u r b a n c ea n d t h el o a d i n gd i s t u r b a n c ec a u s e db yg o bf a l l i n gb o d ya n dt h eh y d r a u l i cp o w e rs u p p o r ta r c i n f l u e n c i n gt h es t a b i l i t yo f s y s t e mR - S - Fo nt h el o w e rc o a ls e a mw o r k f a c e ． K e yw o r d s S t e e p l yd i p p i n gs e 锄g r o u p M o v e m e n to f s u r r o u n d i n gr o c k s C o m p l e x i t y S t a b l i t yo fS y s t e mR - S - FM i n i n gd i s t u r b a n e e T h e s i s A p p l i c a t i o no f S t u d y 压姿拜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或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。 学位论文作者签名缅砬劢日期弘曰。f f - l o 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名白每锄不 指导教师签名 日 I 绪论 l 绪论 1 ．1 选题背景及研究意义 我国大倾角煤层储量大约占煤炭总储量的1 5 ％～2 0 ％，其年产量占全国煤炭总产量 的1 0 ％左右。在我国西部，该类煤层占煤炭总储量的3 0 ％左右，5 0 ％以上的矿井开采有 该类煤层，如主要产煤省 区 的四川、重庆、云南、贵州、新疆、甘肃、宁夏等，大倾 角煤层是许多矿区或矿井的主采煤层；同样，东部老矿区遗留该类煤层的比重也比较大， 如山东充州矿区、河北邢台矿区和开滦矿区、安徽淮南和淮北矿区、江苏徐州矿区等， 在这些矿区内的许多矿井不得不由条件相对“优越”煤层开采转向复杂的大倾角煤层开 采。总体看来，随着煤炭资源的大量开采，大倾角煤层在我国煤矿开采中所占的比重逐 渐增加，因此，随着近年来开采强度不断的增加，以大倾角煤层为主采煤层的矿井实现 机械化开采是矿井解决高产高效唯一途径和迫切任务。 随着近年来采矿工作者的不懈努力，国内少数矿井对大倾角煤层成功的开采实践， 填补了大倾角煤层走向长壁机械化开采的空白，在此过程中，不仅解决了该大倾角煤层 矿井高产高效的难题，同时，也取得了该类煤层开采的矿压显现和岩层移动基本规律等 一系列的研究成果，开拓了新的煤层开采理论，为进一步深入研究大倾角煤层岩层控制 理论与技术奠定了基础。 研究表明【l H 5 】，大倾角单一煤层走向长壁工作面围岩移动和矿压显现特征与缓倾斜 煤层明显不同，因此，不论是围岩控制方法还是开采设备的选择都受到很大的制约，导 致开采大倾角煤层的矿井几乎都发生过由于开采方法与围岩控制问题引发的安全事故。 大倾角煤层群属大倾角煤层中赋存条件较复杂的一类煤层，其开采难度远大于单一 煤层，在煤层群走向长壁工作面中，由于多煤层的连续开采，岩移规律和矿压规律十分 复杂，其煤层及区段之间相互作用明显，对工作面控制难度加大，安全隐患增加。因此， 对大倾角煤层群走向长壁综采工作面围岩运移规律进行研究是十分必要的，其结论不仅 对工作面安全高效开采具有一定实践价值，而且对该类煤层开采理论的拓展也具有十分 重要的意义。 1 ．2 该研究领域国内外研究动态及发展趋势 1 ．2 ．1 国内大倾角煤层开采和岩移规律的研究现状 1 大倾角煤层开采研究动态 国内对大倾角煤层开采的研究源于急倾斜煤层，研究主要内容涉及开采方法、围岩 西安科技大学硕士学住论文 控制等方面。 ①开采方法研究 ． 2 0 世纪5 0 年代初期，在我国采煤方法改革中，大倾角煤层主要是发展倒台阶采煤法。 这种采煤方法的特点是工人在倒台阶的伞檐下工作，防止上部落煤和冒落研石的窜砸， 但一旦下部台阶支护失效、顶板冒落，极易使失效和破坏向上蔓延，引发工作面大面积 的垮落，形成灾害性事故【6 l 。 2 0 世纪6 0 年代，安徽淮南矿区曾成功地在一部分赋存条件较好的急倾斜和大倾角煤 层中研究和试验了柔性掩护支架采煤法。其特点是工作面支架在安装之后依靠冒落矸石 的作用自动调整和前移，劳动强度有所降低。有效支撑控制了工作面项板，避免了急斜 和大倾角长壁工作面上部因采空区顶板大面积悬空，压力较大，矸石下滑冲击支柱，．发 生窜矸、堵面、伤人等事故。但这种方法也存在着在回采过程中不能调整支架宽度和扭、 斜，支架无初撑力，回采过程中无法排矸，在淋水大的煤层中作业环境差，采空区特别 是支架上的煤矸易自燃发火等缺点川。 2 0 世纪8 0 年代，四川省鉴于大倾角煤层在煤炭生产中所占比例很大，一些矿区同时 开始了以俯伪斜体系为代表的采煤方法改革。如重庆中梁山煤矿的伪斜短壁采煤法，四 川广旺矿务局旺苍矿及芙蓉矿务局杉木树矿、南桐矿务局柳新矿的伪俯斜走向长壁分段 密集采煤法，芙蓉矿务局巡场矿的伪俯斜走向分段密集支柱采煤法及广旺矿务局唐家河 矿伪斜小巷多短壁采煤法等，改革获得了成功隅】唧。 同时，甘肃华亭矿务局东峡煤矿针对该矿大倾角特厚易燃煤层群，煤层数量多、围 岩条件差、煤层较坚硬的特点，通过近2 0 年的努力，研究使用了非机械化“双大’， 大采高、 大推进度 开采方法，取得了良好的技术与经济效益【l o l ；窑街矿务局三矿在大倾角 倾 角3 7 。～4 7 。 坚硬特厚煤层中试验使用了超前预爆破非机械化放顶煤技术，并对爆破参 数和回采工艺过程及参数进行了比较系统的研究【l I J ；江苏天能集团公司试验采用了大倾 角。三软”煤层走向长壁工作面下行收作法【1 2 1 ；在新疆建设兵团、河南义马矿务局等局、 矿还探讨了在大倾角和急倾斜煤层中使用巷道放顶煤的可行性并进行了一定规模的工 业性试验【J 3 】【1 4 1 。 1 9 9 8 年，由西安科技大学、四川华鉴山矿务局及煤炭科学研究总院北京开采所合作 完成的“绿水洞煤矿大倾角煤层综采技术研究【l S l ”成果使我国关于大倾角煤层综合机 械化开采的研究目前处于国际该领域的前沿。 甘肃靖远煤业集团公司针对王家山煤矿倾角为2 5 。～3 2 0 局部可达3 5 0 ～3 7 0 的特 厚煤层使用走向长壁倾斜工作面综采放顶煤技术与工艺进行了实验室与理论研究 嘲，并 在现场进行了工业性试验。2 0 0 3 年，王家山煤矿完成了对矿井的技术改造，尤其是急倾 斜特厚易燃煤层走向长壁综采放顶煤采煤方法的试验成功，极大地提高了生产效率。 2 0 0 4 年l O 月，甘肃华亭东峡煤矿与西安科技大学合作，对大倾角 3 2 0 ～4 7 0 易燃 2 1 绪论 特厚煤层群进行综合机械化走向长壁放顶煤开采技术的试验研究，在“煤6 - 2 上”煤层 地质和生产技术条件下，“小放高”综采放顶煤技术获得了成功，既改善了工人的作业 环境，大幅度降低了劳动强度，又取得了明显的经济效益和良好的安全效益，其开采技 术研究已处于国际领先水平【l ”。 2 0 0 5 年底，东峡煤矿在对中层煤“煤6 - 2 上”开采的技术经验基础上，对煤层群下 层厚煤层“煤6 - 2 中”采用综合机械化放项煤方法进行“大放高”开采，在近一年的生 产期间，也取得了较好的成绩【l 引。 ②岩层控制研究 国内与大倾角煤层开采相关理论与技术研究主要集中在岩层控制 矿压显现规律、 岩层移动规律 及不同条件下所采用的各具特点的开采方法与设备等领域。 四川成都煤炭干部管理学院平寿康教授是我国研究大倾角煤层开采围岩灾害 工作 面顶板事故 的奠基者，从八十年代起平寿康教授领导的课题组就开始进行大倾角煤层 开采工作面矿山压力现场观测，并利用现场实测、三维有限元数值模拟及理论分析方法 研究了大倾角薄及中厚煤层俯伪斜走向长壁采煤法顶底板运移规律、工作面应力分布特 征、支柱载荷及工作面两巷矿压显现；通过实验室模拟研究了不同倾角 O 。～7 5 。 和 不同开采方法 真、仰、俯伪斜 条件下顶板破断规律及其力学行为，提出了相应的顶 板控制方法，首次比较系统和全面地研究了大倾角煤层开采的矿压显现、围岩灾变及防 治技术【1 9 11 2 0 l 。 西安矿业学院吴绍倩、石平五等完成的首批煤炭科学基金项目“急斜煤层矿压显现 规律研究”采用现场实测 实测地点为四川达竹矿务局铁山南煤矿、金刚煤矿，甘肃华 亭矿务局东峡煤矿，河北开滦矿务局马家沟煤矿、赵各庄煤矿，新疆乌鲁木齐矿务局六 道弯煤矿、苇湖梁煤矿，四川广旺矿务局代池坝煤矿等 、实验室实验和理论分析的方 法较系统地研究了急倾斜煤层 倾角4 5 0 以上 围岩运动和破坏规律[ 6 1 。 山东科技大学的宋振骐、中国矿业大学的芩传鸿和开滦矿务局的毕华照等在顶板灾 害防治的有关论著中对大倾角煤层开采时的项板事故及其控制进行了专门的论述【2 l 卜 脚】。 重庆大学、南桐矿务局南桐煤矿的尹光志，鲜学福，代高飞，张东明等使用实验室 相似模型试验和基于显式有限差分基础上的F L A C 程序，针对四川南桐煤矿二井三区大 倾角煤层的复杂条件，研究了开采引起的岩体移动、矿山压力分布和地表沉陷的基本规 律1 2 4 1 。 四川广旺能源发展 集团 公司、四川师范大学胡文，李维光，黄建功，张克林，在 对广旺能源发展 集团 公司所属煤矿进行矿山压力显现规律研究的基础上，探讨了大倾 角煤层开采底板运动规律，分析了影响底板运动的主要因素和初步控制原则并按照西南 中小型煤矿现有技术、自然条件及简单实用原则，提出了大倾角煤层采面底板分类方案 3 西安科技大学硕士学位论文 及广旺矿区底板类别瞄J 。 东北大学陶连勇等通过现场观测、实验室相似材料模拟实验和有限元数值分析，较 系统地研究了急倾斜 大倾角 煤层开采时上覆岩层破断机理 剪切破坏 和运移特征闭。 煤炭科学技术信息研究所彭成等，分析了大倾角采煤工作面顶板事故及其引发事故 的规律【2 7 】；中国矿业大学刘长友等建立了大倾角仰斜工作面开采条件下的支架围岩结构 模型，分析了直接顶的稳定性并提出了顶板控制参数脚】。 西安科技大学石平五等、成都煤炭管理干部学院华道友例、中国矿业大学王作棠D o ] 等、连云港市白集煤矿张秀才D ] I 等在大倾角煤层底板滑移方面进行了大量的工作。石平 五等提出了大倾角煤层“顶板 R - 支架 s ．底板 F ”相互作用模型，较系统地研究了大 倾角煤层底板破坏滑移力学过程、围岩灾变机理及其防治措施，并给出了相应的评价指 标与体系。 徐州矿业集团索学权、王国青等、山西潞安矿业集团公司王庄煤矿赵建东等、太原 矿山机器集团有限公司李金莲、牛卫兵等科研院所及生产现场的研究人员从不同角度分 析研究了大倾角煤层走向长壁工作面设备下滑、倾倒机理及可能引发的围岩灾害，提出 了工作面设备失稳防治措施和支护系统稳定性设计参数【3 2 】～【3 5 】。 西安科技大学伍永平教授，在大倾角煤层开采理论分析和工程实践中总结出了大倾 角煤层开采“R - S ．F ”系统动力学控制基础理论，该理论总结了大倾角煤层开采矿山压 力显现规律及大倾角煤层开采围岩变形、破坏和运移规律，提出了大倾角煤层开采的关 键技术。奠定了大倾角煤层群开采的理论和技术基础，同时也拓展了复杂埋藏条件下煤 层开采技术的研究领域【l 。 2 岩移规律研究动态 我国岩层与地表移动的研究起步较晚，但成绩斐然。 6 0 年代以前，我国还只是基本上借用苏联的典型曲线法。1 9 5 8 年起在我国一些矿 区如抚顺、开滦、淮南、阜新等地制定了开展地表移动观测的规划，并相继建立了一些 观测站。在多年观测的基础上求出了一些矿区的地表移动参数，并编制了淮南等三矿区 的“地表建筑物及主要井巷保护暂行规程”，从而改变了过去那种引用苏联经验解决中 国实践问题的局面。1 9 6 3 年唐山煤炭研究所根据实测资料分析，建立了地表下沉盆地的 负指数的剖面函数；1 9 6 5 年，中国学者刘宝琛、廖国华编著了煤矿地表移动的基本规 律，其中最大贡献是引入了李特威尼申的随机介质理论并加以完善，由此提出了地表 移动预测的概率积分法，该方法在我国采矿行业中现仍广泛应用闱。 1 9 7 8 年，刘天泉提出了保安煤柱开采方法；1 9 8 1 年，他又和仲惟林等学者合作， 研究提出覆岩破坏的基本规律，并针对水体下采煤提出了一些经验性成果和方法；1 9 8 3 年，马伟民、王金庄等组织编著了煤矿岩层与地表移动，详细总结了该领域的研究 成果1 3 7 l 【3 柳。 4 1 绪论 8 0 年代至9 0 年代间，我国覆岩活动理论与实践出现了日新月异的发展。1 9 8 3 年， 钱鸣高提出了采场矿山压力与控制理论，并出版了采场矿山压力与控制1 3 9 1 。1 9 8 8 年，宋振骐提出了以研究采场上覆岩层运动为中心的矿山压力和岩层控制理论，并出版 了专著实用矿山压力控制1 2 u 。杨论、于广明提出岩层二次压缩理论，将地表下沉直 接与岩体的物理力学性质联系起来【加】；李增琪将采动岩体看成是多层梁板的弯曲，采用 F o u r i e r 变换推出岩层与地表移动表达式Ⅲl ；张玉卓提出岩层移动位错理论；钱鸣高提 出来关键层理论，推动了岩层理论的发展【4 2 】；赵经彻、何满朝从可持续发展角度深入研 究了建筑物下煤炭资源的开采战略；于广明从非线性科学角度认识开采沉陷的复杂性， 开始研究覆岩活动的非线性机理和规律。 。 2 0 世纪9 0 年代后期，钱鸣高等提出了岩层控制的关键层理论，并出版了岩层控 制的关键层理论1 4 3 ] ，全面深入地论述了关键层理论的提出、意义、基本概念及判别方 法；在理论上系统地阐明了关键层上的载荷分布规律、关键层的破断规律及其复合效应， 建立了关键层破断后形成的“砌体梁”的结构力学模型；同时也分析了关键层运动对采场 矿压显现、覆岩移动与地表沉陷及采动裂隙场分布的影响；最后介绍了关键层理论在开 采沉陷控制、卸压瓦斯抽放及底板突水防治等方面的工程应用。等等可以说，我国在采 动岩体破裂与岩层移动的理论研究和实际应用方面都取得了巨大的成绩。 1 ．2 ．2 国外大倾角煤层开采和岩移规律的研究现状 1 大倾角煤层开采研究动态 早在7 0 年代，前苏联就在大倾角煤层的机械化开采方面进行了一定的研究，研制了 应用于大倾角和急倾斜煤层的各类综采支架及采煤机，并在此基础上对大倾角特别是 4 5 0 以上的煤层开采工艺进行了较系统地研究，基本上奠定了急倾斜煤层开采的科学技 术基础[ 4 4 j 【4 5 】。1 9 7 4 年就出版了系统介绍研制大倾角厚及中厚煤层综合机械化装备和开 采方法和工艺的成果的专著[ 4 6 1 [ 4 7 1 。 乌克兰顿涅茨煤矿机械设计院自1 9 8 6 年开始为顿巴斯的龙恩一亚卡矿井和叶娜基 也夫卡娅煤矿设计了大倾角和急倾斜煤层采煤机及其相配套的支护设备并装备了5 4 个 工作面，为了保证采煤机在大倾角煤层工作面上行时牵引部所必需具有的牵引力，在工 作面巷道 上部回风巷 中装备了绞车并将采煤机牵引部连接到滑 绞 车系统上【硐。 德国将赫姆夏特液压支架进行改装并与曼斯菲尔德支架或威斯特伐里亚支架结合辅 助防倒、防滑技术用来开采急倾斜煤层；1 9 9 2 年在鲁尔矿区的威斯特豪尔特矿，采用 G 9 ．3 8 V e 4 ．6 加高型滑行式刨煤机配合W S l ．7 型宽体双伸缩二柱掩护液压支架开采了鲁 尔矿区1 8 0 ～3 8 0 的大倾角煤层。工作面平均日推进4 ．5 m ，平均日产量3 0 0 0 t ，开机率为 3 9 ％，但由于其他原因，该工作面只生产了3 个月【4 9 】。 英国使用多布逊支架 适应煤层倾角2 5 0 ～4 5 0 ，支架之间装有与相邻支架底座互相 5 西安科技大学硕士学住论文 铰接的弹性伸缩连接件，用于支架的防倒、防滑 和伽里克支撑式支架对3 5 0 ～4 3 0 的大 倾角煤层进行了开采，取得了一定的技术与经济效梨删。 印度以其东北部煤田为基地，研究了应用于急倾斜和大倾角煤层的头行支架采煤法、 巷柱充填采煤法、掩护支架采煤法、综合机械化及其配套设备。 在大倾角煤层开采岩层控制方面，俄罗斯联邦的库拉科夫较系统地研究了急倾斜煤 层工作面的矿山压力；捷克共和国的鲍迪探讨了较坚硬大倾角煤层无人开采技术及其安 全性；印度的S i n g h ，T ．N ．、G e h i ，L ．D ．等针对印度东北部煤田中的大倾角厚煤层的赋存 特点，利用实验室研究手段，分析了部同倾角和煤层厚度条件下围岩应力分布特征，并 以此为基础，探讨了采用放顶煤开采方法的可行性。 所以，国外在大倾角煤层机械化开采领域的研究进展缓慢、水平较低。其主要研究 特点是研究集中于大倾角煤层的开采装备方面。对开采方法和岩层控制研究所占比例很 小。 2 岩移规律研究动态 人类从一开始利用地下资源时，就观察和认识到了开采诱发的覆岩活动与破坏问 题，并开始探索控制岩层移动的方法。 早在1 5 世纪，关于允许开采深度的界定就已被比利时人写进了法律。 1 8 世纪下半叶，已能对移动范围进行估计，这就是所谓的“法线理论”和“自然斜 面理论”。这些理论为以后有关岩层移动的深入研究奠定了基础。 进入2 0 世纪后，门者尔观测到地表沉陷中的水平移动和变形，使覆岩活动的理论 研究更为丰富，出地表下沉以外，扩充至水平移动计算以及急倾斜煤层条件下的地表移 动动态过程的分析。 第二次世界大战后，生产力的发展及社会对煤炭需求量的增大，使地表移动问题更 为突出。许多学者开始对覆岩活动进行了细致的研究工作，出版了煤矿地下开采的岩 层移动专著【5 1 1 ，并给出了下沉盆地剖面方程及数学塑性理论。波兰学者克诺特提出了 几何理论，布德雷克解决了克诺特提出的下沉盆地中水平移动及水平变形问题，这一理 论现在被称为布德雷克一克诺特理论。 1 9 5 4 年波兰学者李特威尼申在岩层移动计算理论方面做出较大贡献。他把岩层移动 过程作为一个随机过程，推证地表下沉服从柯尔莫哥罗夫方程，这一理论被称为随机介 质理论，依据这一理论发展了至今在我国广泛应用的概率积分法。 1 ．3 研究内容和方法 1 ．3 ．1 研究内容 本文主要研究内容 6 l 绪论 ． 1 大倾角煤层群各煤层开采过程中围岩空间变形、破坏和运移的基本规律； 2 各煤层问相互影响特征及其复杂性分析； 3 不同煤层的不同区段相互作用特征。 1 ．3 ．2 研究方法 本文结合东峡煤矿大倾角煤层群开采实践，采用实验室实验和数值计算方法进行研 究分析，具体如下 1 根据现场地质资料和开采技术参数，通过物理相似模拟实验，分析大倾角煤 层群开采围岩运移规律。 2 利用数值模拟软件F L A C 3 D 对围岩变形、破坏的力学特征进行分析，同时结合 相似模拟实验对采场围岩三维运移规律进行研究。 3 通过现场矿山压力监测数据和现场工程调查结果对相似模拟和数值模拟分析 结果验证。 4 利用已有文献资料，分析研究大倾角煤层群综合机械化开采岩层移动基本规 律，同时，对多煤层开采中围岩运移和相互影响复杂性进行分析。 7 西安科技大学硕士擘住论文 2 大倾角煤层群开采物理 f l t 以材料模拟实验研究 2 ．1 工程地质概况 2 ．1 ．1 东峡煤矿简介 甘肃华亭煤业集团东峡煤矿始建于1 9 7 1 年1 0 月，1 9 8 0 年1 0 月简易移交生产。矿 井原设计生产能力3 0 万讹，1 9 9 0 年达产。1 9 9 6 年生产原煤4 3 万t ，经过2 0 0 4 年矿井 改扩建及提升运输系统改造工程的圆满完成，现己基本具备1 2 0 万如的生产能力。 东峡煤矿原设计采煤方法为“走向长壁倾斜分层下行采煤法”。自1 9 9 8 年1 2 月简 易移交生产以来，曾先后使用过“倾斜分层全部垮落下行采煤法”、“水平分段放顶煤 采煤法”、“走向长壁单体支柱放顶煤采煤法”等。这些方法的改革是随着工作面支护 技术的发展而进行的。东峡煤矿投产初期，工作面采用木柱支护，此时相应的采煤方 法为倾斜分层炮采，全部垮落法管理顶板 黄泥灌浆形成再生顶板 ，工作面采高1 ．8 ～ 2 ．O m ，循环进度O ．8 ～1 ．O m 。随后在“以钢代木”的支护改革过程中，工作面支护由木 支柱变成了金属摩擦支柱，但采煤方法仍沿用爆破落煤，全部垮落法管理顶板，不同之 处是工作面采高稳定在2 ．O m ，循环进度也达到了1 ．O m ，由于黄泥灌浆形成再生项板的 效果不好，顶板管理开始采用铺设荆笆假顶与黄泥灌浆相结合的方法，此阶段内，开始 试验和使用了分层问留设O ．5 - 4 ．8 m 厚的煤皮护顶法；8 0 年代后期到9 0 年代中期，随着 放顶煤技术在全国的兴起，东峡煤矿也试验使用了滑移支架水平分段放顶煤采煤法 爆 破落煤，分段高度扣8 m ，回采高度2 ．O m ，放煤高度4 墙m ；同时也尝试了单体支柱和 悬移支架放顶煤采煤法 爆破落煤，回采高度2 ．0 m ，放煤高度2 m ，顶煤下方铺设荆笆 护顶 。放顶煤采煤法在东峡煤矿的采煤方法改革上取得了较好的成效，但由于其它原 因 安全技术保障等问题 没有进行大面积推广和使用；在此期间，东峡煤矿还试验使 用过“倒台阶”采煤法 走向长度1 5 0 2 0 0 m ，倾斜长度2 0 - 一6 0 m 。在上述十多年工作 的基础上，1 9 9 6 年开始，东峡煤矿利用“跨石门阶段连续回采技术”，尝试使用加大回 采高度、循环进度，固定保护煤皮厚度，铺设荆笆护顶并回收顶煤的采煤方法，工作面 采用加长型单体液压支柱或金属摩擦支柱且沿工作面倾斜方向每隔8 m 架设一个木垛， 爆破落煤，搪瓷溜槽运煤，全部垮落法管理顶板的倾斜分层下行采煤法，通常工作面采 高2 ．4 2 ．5 m ，循环进度1 ．2 m ，护项煤皮厚度O ．8 - 1 ．O m 该煤皮在工作面后方靠煤柱处 回收 ，由于工作面回采高度和循环进度均大于东峡煤矿过去一直采用的其它采煤方法， 因此，简称为分层“双大”开采方法。2 0 0 4 年1 0 月开始，东峡煤矿在3 7 2 1 5 ．1 工作面 采用综合机械化放顶煤技术对煤6 - 2 上进行开采，在煤6 - 2 上煤层地质和生产技术条件 8 2 大倾角煤层群开采物理相似材料模拟实验研究 下，小放高综采放顶煤技术获得了成功，既改善了工人的作业环境，大幅度降低了劳动 强度，又取得了明显的经济效益和良好的安全效益。在此基础上，2 0 0 5 年东峡煤矿在 3 7 2 1 5 - 2 工作面采用综合机械化放顶煤技术对煤6 - 2 中进行开采。 2 。1 ．2 地质概况 东峡煤矿地质构造简单，煤层赋存稳定。主要煤层共有煤6 层，倾角范围3 2o ，0 7 。， 一般为3 5 0 一3 6 0 ，煤层坚固性系数f 2 - 3 。煤层在井田范围内分岔，分出煤6 ．1 、煤6 - 2 上、煤6 - 2 中和煤6 - 2 下，其中主采煤层煤6 ．1 下平均厚度为5 ．7 1 m ，煤6 - 2 上3 ．4 m ， 煤6 - 2 中9 ．9 8 m ，上、中、下三层煤的煤层间距分别为1 2 m 和4 m ，煤层自北向南由轴 部向两翼逐渐变薄，煤层层数自北向南由少变多，属大倾角易燃煤层群。 层位层厚 m 柱状岩性描述 主要为河流相。湖泊相交替沉积，局部为泥岩沼泽 相。下部为灰白色，灰色及灰黑色砂岩。砂质泥岩 及薄煤 煤5 ，并含丰富的植物化石。中部为灰 白．浅绿色细，中、粗粒砂岩及含砾砂岩．上部为 杂色砂质泥岩，泥岩夹多层砂岩或泥岩，砂岩互层， 厚7 2 1 8 0 ，平均厚度1 3 3 ． 煤50 ．融／ 2 1 ．∞ 、 ／ 炭质泥岩及泥岩．盒丰富的植物化石 煤6 _ 1 上1 ．3 9 、 ’／j 基状、煤质量圭璺为半暗和暗淡型 4 3 9 、 。， 虫粗粒砂岩夹泥岩．f l l k , l 南由薄在厚 0 ．5 二一块毯，光亮犁 0 ．8 堪岩，炭质泥岩 摸6 - 1 下4 ．4 、虫状，光亮型J 句南分岔变薄 1 1 ．f 1 4 ／ 以砂蚩发圭自此向南由糖变厚 煤6 - 2 上2 ．9 5 ／ 块状，坐光亮型 4 ．0 4 、 北部泥岩，中部渐变为细，中，粗粒砂岩。自北 向南g O ．2 m 变为1 3 ．6 3 ，南部夹菱铁矿层 健6 2 中 1 7 ．0 4 ／ 蒜包、块状．丰为光亮型．自北向南分岔并在薄 1 06 0 I 舅状光亮墼’垒区厚度稳定。为主善标志层 攥6 2 下5 ．舯 1 ．3 4| } j 油页岩，全区厚度稳定 煤6 3 1 髑 自补6 丑向北变薄，向南结构简单厚度稳定 2 ．0 9 一、F ’’j 7 够炭质泥岩及砂质泥笔盐北部翘盎 砾砂置 攥6 - 41 ．3 0 ＼／D 艟j 三7 剂面以南．结构复杂，厚度不稳定 14 5 llI ／ 炭质，砂质泥岩及细砂岩 崩警6 _ 5 ．3 R 分布与6 剖面及以南，结构复杂，厚度不稳定 - - p 一、_ r 7 一爱质泥岩及泥岩，雇部为中粒砂岩 图2 ．i 东峡矿煤层综合柱状图 9 西安科技大学硕士学位论文 2 ．1 ．3 工作面生产技术条件 该大倾角煤层群采用走向长壁法进行下行式开采，即先开采上层煤煤6 ．1 下，然后 开采中层煤煤6 - 2 上和下层煤煤6 ．2 中，中部和下部煤层采用综合机械化放顶煤法开采。 上层煤 煤6 - l 下 煤层厚度为5 ．7 1 m ，倾角范围3 2 P 4 7 0 ，采用走向长壁炮采法进 行开采。 中层煤 煤6 - 2 上 工作面倾斜长9 2 ～“9 m ，平均长度为1 0 6 m ，自南向北逐渐变 短，倾角范围3 2 。 4 7 0 ，走向长度为1 0 0 0 m ，现为综合机械化放顶煤工作面。该工作面 煤层厚度为3 ．4 0 m ，采高2 ．3 m ，放顶煤高度为1 ．1 m ，采放比为1 0 ．4 8 。 下层煤 煤6 ．2 中 工作面3 7 2 1 5 2 倾斜长9 5 ～l l O m ，平均长度为1 0 5 m ，自南向 北逐渐变短，倾角范围3 2 。～4 7 。，走向长度为1 1 1 8 ．5 m ，采用综合机械化放顶煤法进行 开采，该工作面煤层厚度为9 ．9 8 m ，采高2 ．3 m ，放顶煤高度为7 ．7 m ，采放比为1 3 ．3 。 东峡煤矿在3 7 2 1 5 2 工作面采用综合机械化放顶煤技术对下层煤煤6 _ 2 中进行开 采，该工作