综放开采冒落带发育规律及应用研究
|
摘要
本文在详细分析前人研究成果的基础上,运用实测研究、数值仿真模拟以及理论分析等方法,对综放开采冒落带发育规律进行了研究和分析,在此基础上进一步探讨了其现场应用。
论文揭示了冒落带高度与一次采出厚度的关系,煤层开采后覆岩破坏的特点及规律；通过理论探讨与实践证实：综放开采冒高发育特点决定着矿压显现、顶板控制规律、支承压力分布。提出了采场顶板结构特征及控制规律,研究了一套由综放开采冒落岩层厚度的变化导致一系列采动响应发生变化的相关理论。
在现场实测的基础上,结合实验室数值模拟研究方法。从因综放开采导致冒落岩层厚度变化而带来一系列相应变化开始,研究了综放采场冒高发育规律、以及由此决定的采场顶板结构及相关控制问题。经过现场实测和数值模拟分析得出围岩应力分布和地表沉陷的一般规律,分层开采应力集中系数、综放开采应力集中系数是影响回采巷道布置的重要因素。
最后结合鲍店煤矿综放开采具体实例,对此进行应用研究,验证了论文研究成果的正确性,现场应用证明研究成果取得了良好的经济效益。
Based on detailed analysis of previous research achievements, the subject analyzes the falling zone development law in the fully mechanized mining by practical measure research, numerical simulation and theoretical analysis, on the basis, its field application is further studied.
This paper reveals the relationship between the height of roof-falling zones and a recovery thickness, and the damage characteristic and law of overlying strata after mining. Through the theory and practice, we draw out the conclusion that the development characteristic of roof-falling zone in the fully mechanized mining dominates the mining pressure behavior, the roof control law and the supporting pressure distribution. Apart from that, this paper also puts forward the structure characteristics of stope roof and the control law, formulates a technological system of subsequent responses changes which brought out by the thickness change of roof-falling zone.
Based on the field measurement, combined the numerical simulation method, begin with the changes brought out by the falling zone height change in the fully mechanized mining, the paper researches the falling zone height development law in the fully mechanized mining, the roof structure in the stope and related control questions. By the field measurement and numerical simulation analysis, we draw out the general law of surrounding rock stress distribution and surface depression, the stress concentration factors in layer mining and fully mechanized mining play an important role in roadway layout.
Finally, the application of research results in Baodian Coal Mine validates the correctness of the conclusion, and the field application achieves remarkable economic yielding.
论文揭示了冒落带高度与一次采出厚度的关系,煤层开采后覆岩破坏的特点及规律；通过理论探讨与实践证实：综放开采冒高发育特点决定着矿压显现、顶板控制规律、支承压力分布。提出了采场顶板结构特征及控制规律,研究了一套由综放开采冒落岩层厚度的变化导致一系列采动响应发生变化的相关理论。
在现场实测的基础上,结合实验室数值模拟研究方法。从因综放开采导致冒落岩层厚度变化而带来一系列相应变化开始,研究了综放采场冒高发育规律、以及由此决定的采场顶板结构及相关控制问题。经过现场实测和数值模拟分析得出围岩应力分布和地表沉陷的一般规律,分层开采应力集中系数、综放开采应力集中系数是影响回采巷道布置的重要因素。
最后结合鲍店煤矿综放开采具体实例,对此进行应用研究,验证了论文研究成果的正确性,现场应用证明研究成果取得了良好的经济效益。
Based on detailed analysis of previous research achievements, the subject analyzes the falling zone development law in the fully mechanized mining by practical measure research, numerical simulation and theoretical analysis, on the basis, its field application is further studied.
This paper reveals the relationship between the height of roof-falling zones and a recovery thickness, and the damage characteristic and law of overlying strata after mining. Through the theory and practice, we draw out the conclusion that the development characteristic of roof-falling zone in the fully mechanized mining dominates the mining pressure behavior, the roof control law and the supporting pressure distribution. Apart from that, this paper also puts forward the structure characteristics of stope roof and the control law, formulates a technological system of subsequent responses changes which brought out by the thickness change of roof-falling zone.
Based on the field measurement, combined the numerical simulation method, begin with the changes brought out by the falling zone height change in the fully mechanized mining, the paper researches the falling zone height development law in the fully mechanized mining, the roof structure in the stope and related control questions. By the field measurement and numerical simulation analysis, we draw out the general law of surrounding rock stress distribution and surface depression, the stress concentration factors in layer mining and fully mechanized mining play an important role in roadway layout.
Finally, the application of research results in Baodian Coal Mine validates the correctness of the conclusion, and the field application achieves remarkable economic yielding.
引文
[1]王连富,李卫东等.综放采场覆岩破坏高度的实测方法及应用[J].矿业安全与环保,2005,(6)：70-71.
[2]滕永海.综采放顶煤导水裂缝带最大高度计算研究[C].2010全国”三下”采煤与土地复垦学术会议论文集,2010：5-9.
[3]张玉军等.王坡煤矿综放开采地表移动与覆岩破坏规律研究[J].矿山测量,2011,(2)：69-72.
[4]吴士良.对采场矿山压力有明显影响的覆岩破坏运动演化规律[D].泰安：山东科技大学,2002.
[5]蔡东.综放面”两带”高度发育特征[J].矿山压力与顶板管理,2000,(1)：68-69.
[6]高延法.岩移”四带”模型与动态位移反分析[J].煤炭学报,1996,21(1)：51-56.
[7]马庆云.采动支承压力及上覆岩层运动规律研究[D].徐州：中国矿业大学,1997.
[8][苏]C.r.阿威尔辛著.煤矿地下开采的岩层移动.北京：煤炭工业出版社,1959.
[9]Szostak-Chrzanowski. Modelling and prediction of ground subsidence using an iterative finite element method[M]. Association of Hydrological Sciences, IAHS Publication International,1991:173-180.
[10]K.Vshanker and B.B.Dhar. Subsidence Prediction Based on Numerical Modeling Technique[M]. International Symposium on Land Subsidence,1999:55-62.
[11]钱鸣高,缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J].岩石力学与工程学报,1995,14(2)：97-106.
[12]沈光寒,李白英等.矿井特殊开采的理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,1992.
[13]赵经彻,陶廷云等.关于综放开采的岩层运动和矿山压力控制问题[J].岩石力学与工程学报,1997,16(2)：132-139.
[14]煤炭工业部.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社,1986.
[15]吴健.放顶煤开采的顶煤活动规律及矿压显现：第四届煤矿采场矿压理论与实践讨论会论文汇编[C].徐州：中国矿业大学出版社,1989：130-136.
[16]戴华阳,王金庄.急倾斜煤层开采非连续性变形的相似模拟实验研究[J].湘潭矿业学 院学报,2000,15(3)：1-7.
[17]赵朔柱.急斜放顶煤工作面的矿压显现和上覆层结构[J].矿山压力与顶板管理.1992,(1)：38-42.
[18]冯锐等.煤层开采覆岩破坏的层析成像研究[J].地球物理学报,1996.
[19]刘天泉等.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京：煤炭工业出版社,1981.
[20]邓喀中等.开采沉陷中的层面效应研究[J].煤炭学报,1995,20(4).
[21]吴立新等.放顶煤开采地表沉陷控制途径探讨一离层注浆及有关问题[C].综合机械化放顶煤开采论文集.徐州：中国矿业大学出版社,1995：133-136.
[22]姜福兴.试论采场覆岩结构的系统模型[R].国家自然科学基金重点项目”煤矿上覆岩移动破坏研究结题报告”,山东矿业学院,1997.9.
[23]杨本水,杨永林.祁东煤矿突水成因与快速治理技术[J].煤炭科学技术,2004,32(3)：23-27.
[24]桂和荣,周庆富等.综放开采最大导水裂隙带高度的应力法预测[J].煤炭学报,997,(8)：375-379.
[25]许延春.综放开采防水煤岩柱保护层的“有效隔水厚度”留设方法[J].煤炭学报,2005,30,(3)：305-308.
[26]冯国才,于政喜等.综放开采煤层可放性分级评价[J].东北煤炭技术.1996,(5)：60-71.
[27]许家林,钱鸣高.覆岩采动裂隙分布特征的研究[J].矿山压力与顶板管理,1997,(3)：210-212.
[28]煤科院北京开采所等.安徽刘桥一矿第四系及基岩含水层下采煤[J].煤炭科学技术,1987.
[29]张文泉,刘伟韬,高延法等.南屯矿63上10面综采放顶煤开采覆岩移动破坏特征[J].山东矿业学院学报,1996,(4)：22-25.
[30]煤炭科技情报专题研究,国外厚煤层放顶煤开采法现状与发展趋势[M].北京：煤炭科技情报研究所,2002,(8)：12-13.
[31]麻凤海,王泳嘉.地层沉降控制的可变形离散单元模拟[J].岩石力学与工程学报,1999,(2)：176-179.
[32]麻凤海,范学理,王泳嘉.岩层移动动态过程的离散单元法分析[J].煤炭学报,1996,8(4)：388-392.
[33]唐春安等.岩层移动过程的数值模拟新方法[J].阜新矿业学院学报,997,(3)：39-44.
[34]Cundall PA. and Strack O.D..A Diserete Numerical Modal for Granular Assemblies. Geotechnique,1979,29(1):47-65.
[35]P A Cundall. Distinct Element methods of rock and soil Structure. E T Browned[J]. The Analytical and ComPutational Methods in the Engineering Rock Mechanicals, 1987:129-163.
[36]Cundall P A.A computer model for simulating progressive large scale movements in blocky rock system[C]. In rock fracture,Proc.int.symp. rock fracture,Nancy,1971.
[37]Voegele M, Fairhurst C and Cundall P A. Analysis of tunnel support loads using a large displacement distinct block model[C]. In storage in excavated rock caverns, Berbm M.(ed.)2,Oxford:Pergamon,1978:247-252.
[38]刘盛东,吴荣新等.高密度电阻率法观测煤层上覆岩层破坏[J].煤炭科学技术,2001,(4)：18-19.
[39]程学丰,刘盛东.煤层采后围岩破坏规律的声波CT探测[J].煤炭学报,2001,26(2)：153-155.
[40]王永红,孟昭廉,孙振鹏,颜世杰,尹增德.井下仰孔探测软弱覆岩导水裂缝带的实验研究[J].中国煤炭,1996,(1)：33-36.
[41]于师建.大距离声波穿透法确定导水裂隙带范围[J].山东矿业学院学报,1998,17(4)：93-96.
[42]申宝宏,茹瑞典等.弹性波测井探测采区覆岩破坏规律[J].矿山测量,2000,(6)：17-18.
[43]施龙青,尹增德等.综采放顶煤覆岩导水裂缝带探测[C].岩石力学理论与工程实践论文集,黄河出版社,1997.
[44]陆泓,崔增娣,施龙青等.不同覆岩组合及开采条件导水裂缝带探测研究[J].第二届中日地层环境力学国际学术讨论会论文集,煤炭工业出版社,1996.
[45]董春勇.网络并行电法在覆岩破坏动态监测中的应用[D].淮北：安徽理工大学,2009.
[46]汤建泉.开采覆岩运动和破坏规律的实验研究[D].北京：中国矿业大学北京研究生部,1995.
[47]钟道昌等.采场覆岩破坏和运动规律的实验研究[J].矿山压力与顶板管理,1996(3)：61-64.
[48]汤建泉等.开采覆岩运动和破坏规律实验研究[J].中国煤炭,996,(2)：14-17.
[49]马庆云等.老顶岩梁破断形式与位置的进一步探讨[J].山东矿业学院学报,1997(16)：104-107.
[50]张平松等.采煤面覆岩破坏动态测试模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2011,(1)：78-83.
[51]刘立民,郭惟嘉等.确定顶板导水裂缝带高度方法的探讨[J].煤,1998,17(2)：39-42.
[52]尹增德,蒋金泉等.深井倾斜煤层覆岩破坏分带探测研究[J].矿山压力与顶板管理,2001,(4)：70-72.
[53]王赞,高远.煤系地层裂缝裂隙发育带的预测[J].煤炭学报,2003,(12)：566-568.
[54]王泳嘉,邢纪波.离散单元法及其在岩土力学中的应用[M].沈阳：东北工学院出版社,1993.
[55]邢纪波,王泳嘉.离散单元法的计算参数和求解方法选择[J].计算力学学报,999,(2)：47-51.
[56]刘莲峰,王泳嘉.三维节理岩体计算模型的建立[J].岩石力学与工程学报,1997,(2)：36-42.
[57]王泳嘉,刘连峰.三维离散单元法及其在边坡工程中的应用[J].中国矿业.1999,(1)：35-39.
[58]王泳嘉,刘连峰.三维离散单元法软件系统TRUDEC的研制[J].岩石力学与工程学报.1996,(9)：193-200.
[59]袁灯平,马金荣,董正筑.利用ANSYS进行开采沉陷模拟分析[J].济南大学学报.2001,(12)：336-339.
[60]刘卫群,缪协兴,王爱文.利用ANSYS程序分析软岩冲击矿压及广义应力(应变)率准则[J].岩石力学与工程学报,2002,21(1)：29-33.
[61]刘卫群,缪协兴,王爱文等.软岩矿区冲击矿压机理与数值模拟研究[R].徐州：中国矿业大学,1999.
[62]谢和平,周宏伟等.FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析[J].岩石力学与工程学报,1999,18(4)：397-401.
[63]谢和平等.建筑物下厚煤层合理开采方法研究[D].中国矿业大学北京研究生部,1997.
[64]谢和平等.鹤壁矿务局四矿煤岩物理力学参数实验研究报告.中国矿业大学北京研究生部,1996.
[65]谢和平,陈忠辉等.综放顶煤爆破能量的分形研究[J].力学与实践,2000,22(1)：16-18.
[66]Xie H, Yu G M, Yang L, Zhou H W. The influence of proximate fault morphology ongroud subsidence due to extraction. Int J Rock Mech Min. Sci,1998,35(8):1107-1111.
[67]Xie H and Sun H. The study on bivariate fractal interpolation functions and creation of fractal interpolated surface. Fractals,1997,5(4)625-b34.
[68]谢和平著.岩石混凝土损伤力学[M].徐州：中国矿业大学出版社,1990.
[2]滕永海.综采放顶煤导水裂缝带最大高度计算研究[C].2010全国”三下”采煤与土地复垦学术会议论文集,2010：5-9.
[3]张玉军等.王坡煤矿综放开采地表移动与覆岩破坏规律研究[J].矿山测量,2011,(2)：69-72.
[4]吴士良.对采场矿山压力有明显影响的覆岩破坏运动演化规律[D].泰安：山东科技大学,2002.
[5]蔡东.综放面”两带”高度发育特征[J].矿山压力与顶板管理,2000,(1)：68-69.
[6]高延法.岩移”四带”模型与动态位移反分析[J].煤炭学报,1996,21(1)：51-56.
[7]马庆云.采动支承压力及上覆岩层运动规律研究[D].徐州：中国矿业大学,1997.
[8][苏]C.r.阿威尔辛著.煤矿地下开采的岩层移动.北京：煤炭工业出版社,1959.
[9]Szostak-Chrzanowski. Modelling and prediction of ground subsidence using an iterative finite element method[M]. Association of Hydrological Sciences, IAHS Publication International,1991:173-180.
[10]K.Vshanker and B.B.Dhar. Subsidence Prediction Based on Numerical Modeling Technique[M]. International Symposium on Land Subsidence,1999:55-62.
[11]钱鸣高,缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J].岩石力学与工程学报,1995,14(2)：97-106.
[12]沈光寒,李白英等.矿井特殊开采的理论与实践[M].北京：煤炭工业出版社,1992.
[13]赵经彻,陶廷云等.关于综放开采的岩层运动和矿山压力控制问题[J].岩石力学与工程学报,1997,16(2)：132-139.
[14]煤炭工业部.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社,1986.
[15]吴健.放顶煤开采的顶煤活动规律及矿压显现：第四届煤矿采场矿压理论与实践讨论会论文汇编[C].徐州：中国矿业大学出版社,1989：130-136.
[16]戴华阳,王金庄.急倾斜煤层开采非连续性变形的相似模拟实验研究[J].湘潭矿业学 院学报,2000,15(3)：1-7.
[17]赵朔柱.急斜放顶煤工作面的矿压显现和上覆层结构[J].矿山压力与顶板管理.1992,(1)：38-42.
[18]冯锐等.煤层开采覆岩破坏的层析成像研究[J].地球物理学报,1996.
[19]刘天泉等.煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用[M].北京：煤炭工业出版社,1981.
[20]邓喀中等.开采沉陷中的层面效应研究[J].煤炭学报,1995,20(4).
[21]吴立新等.放顶煤开采地表沉陷控制途径探讨一离层注浆及有关问题[C].综合机械化放顶煤开采论文集.徐州：中国矿业大学出版社,1995：133-136.
[22]姜福兴.试论采场覆岩结构的系统模型[R].国家自然科学基金重点项目”煤矿上覆岩移动破坏研究结题报告”,山东矿业学院,1997.9.
[23]杨本水,杨永林.祁东煤矿突水成因与快速治理技术[J].煤炭科学技术,2004,32(3)：23-27.
[24]桂和荣,周庆富等.综放开采最大导水裂隙带高度的应力法预测[J].煤炭学报,997,(8)：375-379.
[25]许延春.综放开采防水煤岩柱保护层的“有效隔水厚度”留设方法[J].煤炭学报,2005,30,(3)：305-308.
[26]冯国才,于政喜等.综放开采煤层可放性分级评价[J].东北煤炭技术.1996,(5)：60-71.
[27]许家林,钱鸣高.覆岩采动裂隙分布特征的研究[J].矿山压力与顶板管理,1997,(3)：210-212.
[28]煤科院北京开采所等.安徽刘桥一矿第四系及基岩含水层下采煤[J].煤炭科学技术,1987.
[29]张文泉,刘伟韬,高延法等.南屯矿63上10面综采放顶煤开采覆岩移动破坏特征[J].山东矿业学院学报,1996,(4)：22-25.
[30]煤炭科技情报专题研究,国外厚煤层放顶煤开采法现状与发展趋势[M].北京：煤炭科技情报研究所,2002,(8)：12-13.
[31]麻凤海,王泳嘉.地层沉降控制的可变形离散单元模拟[J].岩石力学与工程学报,1999,(2)：176-179.
[32]麻凤海,范学理,王泳嘉.岩层移动动态过程的离散单元法分析[J].煤炭学报,1996,8(4)：388-392.
[33]唐春安等.岩层移动过程的数值模拟新方法[J].阜新矿业学院学报,997,(3)：39-44.
[34]Cundall PA. and Strack O.D..A Diserete Numerical Modal for Granular Assemblies. Geotechnique,1979,29(1):47-65.
[35]P A Cundall. Distinct Element methods of rock and soil Structure. E T Browned[J]. The Analytical and ComPutational Methods in the Engineering Rock Mechanicals, 1987:129-163.
[36]Cundall P A.A computer model for simulating progressive large scale movements in blocky rock system[C]. In rock fracture,Proc.int.symp. rock fracture,Nancy,1971.
[37]Voegele M, Fairhurst C and Cundall P A. Analysis of tunnel support loads using a large displacement distinct block model[C]. In storage in excavated rock caverns, Berbm M.(ed.)2,Oxford:Pergamon,1978:247-252.
[38]刘盛东,吴荣新等.高密度电阻率法观测煤层上覆岩层破坏[J].煤炭科学技术,2001,(4)：18-19.
[39]程学丰,刘盛东.煤层采后围岩破坏规律的声波CT探测[J].煤炭学报,2001,26(2)：153-155.
[40]王永红,孟昭廉,孙振鹏,颜世杰,尹增德.井下仰孔探测软弱覆岩导水裂缝带的实验研究[J].中国煤炭,1996,(1)：33-36.
[41]于师建.大距离声波穿透法确定导水裂隙带范围[J].山东矿业学院学报,1998,17(4)：93-96.
[42]申宝宏,茹瑞典等.弹性波测井探测采区覆岩破坏规律[J].矿山测量,2000,(6)：17-18.
[43]施龙青,尹增德等.综采放顶煤覆岩导水裂缝带探测[C].岩石力学理论与工程实践论文集,黄河出版社,1997.
[44]陆泓,崔增娣,施龙青等.不同覆岩组合及开采条件导水裂缝带探测研究[J].第二届中日地层环境力学国际学术讨论会论文集,煤炭工业出版社,1996.
[45]董春勇.网络并行电法在覆岩破坏动态监测中的应用[D].淮北：安徽理工大学,2009.
[46]汤建泉.开采覆岩运动和破坏规律的实验研究[D].北京：中国矿业大学北京研究生部,1995.
[47]钟道昌等.采场覆岩破坏和运动规律的实验研究[J].矿山压力与顶板管理,1996(3)：61-64.
[48]汤建泉等.开采覆岩运动和破坏规律实验研究[J].中国煤炭,996,(2)：14-17.
[49]马庆云等.老顶岩梁破断形式与位置的进一步探讨[J].山东矿业学院学报,1997(16)：104-107.
[50]张平松等.采煤面覆岩破坏动态测试模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2011,(1)：78-83.
[51]刘立民,郭惟嘉等.确定顶板导水裂缝带高度方法的探讨[J].煤,1998,17(2)：39-42.
[52]尹增德,蒋金泉等.深井倾斜煤层覆岩破坏分带探测研究[J].矿山压力与顶板管理,2001,(4)：70-72.
[53]王赞,高远.煤系地层裂缝裂隙发育带的预测[J].煤炭学报,2003,(12)：566-568.
[54]王泳嘉,邢纪波.离散单元法及其在岩土力学中的应用[M].沈阳：东北工学院出版社,1993.
[55]邢纪波,王泳嘉.离散单元法的计算参数和求解方法选择[J].计算力学学报,999,(2)：47-51.
[56]刘莲峰,王泳嘉.三维节理岩体计算模型的建立[J].岩石力学与工程学报,1997,(2)：36-42.
[57]王泳嘉,刘连峰.三维离散单元法及其在边坡工程中的应用[J].中国矿业.1999,(1)：35-39.
[58]王泳嘉,刘连峰.三维离散单元法软件系统TRUDEC的研制[J].岩石力学与工程学报.1996,(9)：193-200.
[59]袁灯平,马金荣,董正筑.利用ANSYS进行开采沉陷模拟分析[J].济南大学学报.2001,(12)：336-339.
[60]刘卫群,缪协兴,王爱文.利用ANSYS程序分析软岩冲击矿压及广义应力(应变)率准则[J].岩石力学与工程学报,2002,21(1)：29-33.
[61]刘卫群,缪协兴,王爱文等.软岩矿区冲击矿压机理与数值模拟研究[R].徐州：中国矿业大学,1999.
[62]谢和平,周宏伟等.FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析[J].岩石力学与工程学报,1999,18(4)：397-401.
[63]谢和平等.建筑物下厚煤层合理开采方法研究[D].中国矿业大学北京研究生部,1997.
[64]谢和平等.鹤壁矿务局四矿煤岩物理力学参数实验研究报告.中国矿业大学北京研究生部,1996.
[65]谢和平,陈忠辉等.综放顶煤爆破能量的分形研究[J].力学与实践,2000,22(1)：16-18.
[66]Xie H, Yu G M, Yang L, Zhou H W. The influence of proximate fault morphology ongroud subsidence due to extraction. Int J Rock Mech Min. Sci,1998,35(8):1107-1111.
[67]Xie H and Sun H. The study on bivariate fractal interpolation functions and creation of fractal interpolated surface. Fractals,1997,5(4)625-b34.
[68]谢和平著.岩石混凝土损伤力学[M].徐州：中国矿业大学出版社,1990.