煤矿胶结充填开采覆岩移动及矿压显现规律研究

发布时间：2017-08-05 15:22

  本文关键词：煤矿胶结充填开采覆岩移动及矿压显现规律研究

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【摘要】：本文以煤矿胶结充填开采技术为背景,通过相似模拟试验、数值模拟进行了不同充填率条件下覆岩移动和矿压显现规律的研究,并与垮落法开采进行对比。在综合分析胶结充填覆岩移动变形规律后,提出了充填开采上覆岩层渐进“S”型梁模型,并对其形成条件进行了理论分析。基于弹性地基梁理论,建立渐进“S”型梁力学模型,推导出充填开采煤体区和充填区支承压力分布和顶板下沉量推导公式,并进行了理论计算。将此模型应用到地表下沉预测计算中,并对地表下沉系数取值进行研究,构建了胶结充填质量控制体系框架,在小屯矿进行了工业性试验,技术经济效益分析结果表明了小屯矿进行胶结充填开采的合理性和优越性。本文对以下主要内容进行了研究：(1)通过实验室相似模拟试验,对垮落法开采及不同充填率条件下充填开采的覆岩移动变形规律分析可知：①与垮落法开采相比,充填采煤上覆岩层整体性结构没有破坏,当充填率为80%时,胶结充填开采上覆岩层发生整体弯曲下沉,仅出现裂隙带和弯曲下沉带,两带发育分布在基本顶附近,且范围较小,岩层竖直方向上无贯穿性裂隙：当充填率为90%时,只出现弯曲下沉带。即采空区充填率对充填采煤上覆岩层的稳定性有显著的影响,随着充填率的提高,上覆岩层的变形破坏从产生离层、裂隙逐步变为整体的弯曲下沉,上覆岩层下沉速度及下沉量也呈现大幅度减小的趋势。②充填率越高,顶板的欠接顶量小,下沉空间少,顶板的完整性越好,充填体和顶板的承载能力越高,故煤壁前方支承压力峰值越小,应力增高区面积减少,后方充填体支承压力越高。③与垮落法开采相比,充填开采工作面周期来压的步距较大,周期较长,周期来压现象不明显；充填率越高,周期来压的步距越大,周期越长,周期来压强度越小,周期性越不明显；当充填率达到90%时,工作面无周期来压现象。④对于胶结充填开采,充填体与围岩的相互作用主要体现在以下几个方面：充填材料作为地质填充物,及时对采空区进行了充填,胶结成具有一定强度的充填体阻止围岩变形,提高了围岩的完整性和承载能力,增强了顶板抵抗变形和破坏的能力；随着工作面的推进,形成了以煤体、充填体、围岩共同作用的支撑体系,阻止覆岩的进一步变形；此支撑体系改变了整个采场的应力状态,使采场由双向受力状态变成三向受力状态,共同阻止上覆岩层的下沉。由于上覆岩层运动空间有限,整个采场矿压显现明显减弱。(2)在分析胶结充填采场覆岩移动特征的基础上,提出了充填开采上覆岩层渐进“S”型梁理论,建立渐进“S”型梁弹性地基梁力学模型,对顶板移动变形进行分析。①对胶结充填采场覆岩移动特征进行分析,建立了渐进“S”型梁力学模型,并对其形成条件即完全连续条件和有效连续条件进行了理论分析。②基于弹性地基梁理论,将基本顶岩梁视为半无限长梁,不考虑控顶距和支架的情况下,建立充填开采渐进“S”型梁力学模型,并根据此模型建立了充填开采覆岩移动力学方程,推导出充填开采煤体区和充填区支承压力表达式,分析了煤体区和充填区支承压力分布情况：随着工作面的推进,煤体一侧垂直应力逐渐减小,趋于原岩应力；作用在充填体上的垂直应力随着工作面的推进而增大,也逐渐趋于原岩应力。顶板的反力在x=0处不连续,发生突变。在x=0处,煤体压力最大,充填体上压力最小。③以小屯矿胶结充填开采为工程背景,确定了上覆岩层力学参数条件下,对支承压力影响因素进行了计算分析：随采深的增加,开采压力变大；顶板与充填体接触时下沉量和充填体弹性模量对压力影响较明显；如果充填效果不好,即充填率小于85%或充填体弹性模量小于0.3GPa时,则充填对于减小开采地压的作用不大。(3)以小屯矿地质条件为基础,采用FLAC3D数值模拟软件对不同充实率、不同充填体弹性模量条件下充填开采覆岩变形移动规律及地表沉陷进行了数值模拟分析,并对工作面前后方压力随推进距离的变化规律进行了模拟分析可得：①采空区的充填率对胶结充填开采工作面前方的超前支承压力有一定的影响,当充填率为95%时,超前支承压力峰值最低,随着充填率的减小,超前支承压力峰值逐渐升高。充填率在80%～95%之间时,超前支承压力影响范围随充填率的减小而略有增大。②开切眼处的支承压力分布规律与工作面煤壁附近的支承压力分布趋势基本一致,与工作面煤壁附近相比,开切眼处的支承压力峰值较高,比工作面前方支承压力高20%,且随着充填率的减小而增大；开切眼处的支承压力影响范围也比工作面前方影响范围广,支承压力值在较远处趋近于原岩应力。③采空区充填体垂直应力随着充填体弹性模量的增加而升高,并且应力增加范围也因充填体弹性模量的增加而变大。④胶结充填开采地表下沉量和倾斜变形量随着充填率和充填体弹性模量的增加而减小,充填体弹性模量0.5GPa、充填率到达85%及以上或充填率90%、充填体弹性模量达0.3GPa以上,地表倾斜变形值在地表建筑物I级损坏等级允许变形范围内。⑤随着充填率的增大,工作面前方支承压力和充填体支承压力峰值减小。胶结充填开采时,工作面前后方支承压力峰值随着工作面推进距离增加先升高,然后在较小范围内波动,呈现出的周期性不明显,且充填率越大,周期性表象越弱。(4)对引起地表沉陷的因素进行分析,利用推导出的顶板挠曲下沉方程对顶板下沉量进行计算,并采用数值模拟研究了地表下沉系数的取值,最后对地表下沉进行预计。①利用推导出的顶板挠曲下沉方程,对顶板岩梁下沉的各因素进行了计算分析：最终下沉量的影响因素主要是煤层埋深和顶板与充填体接触时的下沉量,充填体弹性模量和煤体弹性模量也对下沉量起到一定的作用。②依据积分概率法建立地表沉陷预计模型,并利用数值模拟对地表下沉系数取值进行了研究：分析充填开采地表下沉系数和充填开采等价采高的关系,下沉系数与等价采高呈正相关关系,确定了新阳煤矿胶结充填开采地表下沉系数与等价采高的函数关系式为q=0.009e3.622Mc,并进行了预计与验证,此方法可以推广到其他煤矿胶结充填生产中。(5)以新阳矿胶结充填开采现场实践为依托,在对煤矿高浓度胶结充填系统进行简要介绍的基础上,分析研究了胶结充填质量的影响因素,总结了胶结充填质量的主要措施,构建了胶结充填质量控制体系框架,并对框架体系中的关键技术进行了详细的研究。(6)根据理论研究成果,在小屯矿进行胶结充填开采工业性试验,对小屯矿充填开采的地质条件、充填工艺等进行了介绍,并对小屯煤矿充填工作面充填体受力、支架阻力和充填开采后顶底板移近量、地表沉陷进行了观测和分析,结果表明,充填开采无明显周期来压现象,支承压力明显降低,仅为垮落开采法的65%。地表沉陷控制效果较好,取得了良好的经济和社会效益。并针对工程中的具体问题,提出了改进意见。
【关键词】：胶结充填 覆岩移动 矿压显现 地表下沉 充填质量控制
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD323
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-16
• 1 绪论16-32
• 1.1 研究背景及意义16-18
• 1.1.1 研究背景16-17
• 1.1.2 研究意义17-18
• 1.2 国内外研究现状18-29
• 1.2.1 充填开采国内外研究现状18-21
• 1.2.2 覆岩移动及矿压显现规律国内外研究现状21-27
• 1.2.3 地表沉陷理论国内外研究现状27-29
• 1.3 主要研究内容29-30
• 1.4 技术路线30-32
• 2 胶结充填开采覆岩移动相似模拟32-64
• 2.1 相似模拟试验设计32-41
• 2.1.1 相似条件与相似指标的选择33-34
• 2.1.2 模拟煤岩层力学参数34-35
• 2.1.3 模型铺设与测点布置35-38
• 2.1.4 试验方案38
• 2.1.5 实验的数据处理与分析38-41
• 2.2 胶结充填开采岩层移动特征41-55
• 2.2.1 垮落法开采时岩层移动特征41-46
• 2.2.2 充填率为80%时岩层移动特征46-50
• 2.2.3 充填率为90%时岩层移动特征50-55
• 2.3 胶结充填开采岩体内部应力变化规律55-62
• 2.3.1 支承压力分布特征56-58
• 2.3.2 开切眼和停采线覆岩应力动态变化特征58-60
• 2.3.3 工作面前后方压力随推进距离的变化规律60-62
• 2.3.4 充填体与围岩的相互作用分析62
• 2.4 本章小结62-64
• 3 胶结充填开采覆岩移动力学模型及分析64-84
• 3.1 胶结充填采场覆岩移动特征分析64-66
• 3.1.1 传统垮落法采场覆岩移动特征64-65
• 3.1.2 胶结充填采场覆岩移动特征65-66
• 3.1.3 胶结充填渐进“S”型梁的提出66
• 3.2 渐进“S”型梁的形成条件66-68
• 3.2.1 完全连续条件66-68
• 3.2.2 有效连续条件68
• 3.3 渐进“S”型梁模型理论分析68-83
• 3.3.1 弹性地基梁理论68-70
• 3.3.2 渐进“S”型梁的理论解70-77
• 3.3.3 充填开采地压分析77-83
• 3.4 本章小结83-84
• 4 胶结充填开采矿压显现数值模拟84-102
• 4.1 FLAC3D程序简介84-85
• 4.1.1 FLAC3D程序运行原理85
• 4.1.2 FLAC3D的特点85
• 4.2 数值模拟模型的建立85-87
• 4.3 数值模拟计算方案87
• 4.4 不同充填率条件下采场矿压显现规律87-93
• 4.4.1 不同充填率条件下采场覆岩应力分布特征87-92
• 4.4.2 不同充填率条件下地表下沉92-93
• 4.5 不同充填体弹性模量条件下采场矿压显现规律93-99
• 4.5.1 不同充填体弹性模量条件下采场覆岩应力分布特征93-98
• 4.5.2 不同充填体弹性模量条件下地表下沉98-99
• 4.6 工作面前后方压力随推进距离的变化规律99-100
• 4.7 本章小结100-102
• 5 胶结充填开采地表沉陷影响分析与预计102-122
• 5.1 胶结充填开采地表沉陷影响因素分析102-106
• 5.1.1 充填前顶底板移近量102-105
• 5.1.2 充填不接顶量105
• 5.1.3 充填体的力学性能105-106
• 5.2 顶板岩层下沉的计算与分析106-110
• 5.2.1 顶板岩层下沉计算106-107
• 5.2.2 不同影响因素下顶板岩层下沉分析107-110
• 5.3 开采沉陷预计的理论基础110-112
• 5.3.1 积分概率法相关知识110-112
• 5.3.2 积分概率法在实际中的应用112
• 5.4 充填开采地表沉陷预计模型112-113
• 5.5 地表沉陷下沉系数取值研究113-120
• 5.5.1 地表沉陷下沉系数取值概述113-115
• 5.5.2 数值模型建立115-117
• 5.5.3 地表下沉系数与等效采高关系研究117-119
• 5.5.4 地表下沉系数回归方程119-120
• 5.6 新阳矿地表沉陷预计结果分析120-121
• 5.7 本章小结121-122
• 6 煤矿胶结充填质量控制122-140
• 6.1 煤矿高浓度胶结充填系统122-128
• 6.1.1 充填材料控制系统123-126
• 6.1.2 管道输送系统126-127
• 6.1.3 工作面充填开采系统127-128
• 6.2 煤矿高浓度胶结充填质量影响因素128-129
• 6.2.1 充填材料对煤矿高浓度胶结充填质量的影响128
• 6.2.2 充填工艺对煤矿高浓度胶结充填质量的影响128-129
• 6.3 控制煤矿高胶结充填质量的主要措施129-132
• 6.3.1 充填材料质量控制129-131
• 6.3.2 充填料浆制备中的质量控制131
• 6.3.3 仪表监测的重要作用131-132
• 6.4 煤矿胶结充填质量控制体系框架132-133
• 6.5 煤矿胶结充填质量管理控制的关键技术133-139
• 6.5.1 充填质量设计133
• 6.5.2 充填质量控制133
• 6.5.3 充填质量监测系统设计133-139
• 6.6 本章小结139-140
• 7 工程应用140-152
• 7.1 采矿地质条件140-141
• 7.1.1 区域概况140-141
• 7.1.2 工作面情况141
• 7.1.3 顶底板条件141
• 7.2 充填系统组成141-142
• 7.3 膏体充填综采工艺142-143
• 7.4 现场实测与分析143-149
• 7.4.1 充填体受力观测结果分析143-144
• 7.4.2 支架阻力实测分析144-145
• 7.4.3 顶底板移近量实测分析145-147
• 7.4.4 地表沉陷实测分析147-149
• 7.5 效益分析149
• 7.6 存在的问题与建议149-150
• 7.7 本章小结150-152
• 8 结论与展望152-156
• 8.1 结论152-154
• 8.2 创新点154-155
• 8.3 展望155-156
• 参考文献156-164
• 致谢164-166
• 作者简介166
• 在学期间发表的学术论文166
• 在学期间参加科研项目166-167
• 主要获奖167

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