（矿业工程专业论文）南屯煤矿采场覆岩运动规律及其智能分析系统.pdf

东北大学硕士论文 摘要 南屯煤矿采场覆岩运动规律及其智能分析系统 摘要 我国是一个以煤炭为主要能源的发展中国家，但我国的煤炭开采还存在许多 重大问题。我国煤矿事故频繁，每年都造成大量的人员伤亡，百万吨死亡人数是 美国等先进采煤国家的5 0 - l o o 倍。不仅使矿井承受了巨大的经济压力，同时也 列社会安定造成了不利因素。因此，在工作面开采之前，如果能够正确地预测采 场覆岩的运动规律和支承压力分布规律，就可以实现根据具体采场的覆岩运动规 律和支承压力分部规律进行支护设计，从而保证工作面的安全生产。采场覆岩运 动和支承压力的预测是一件非常复杂的技术难题，然而对于一个矿区而言，在地 质条件变化相对有限的范围内，采场覆岩运动规律和支承压力分布变化规律的差 异也是相对有限的，因此，可以在已经获得的大量的矿山压力观测资料的基础上， 分析总结出本矿区的采场覆岩运动规律和支承压力分布变化规律，采用工程类比 的方法，对未开采区域的回采工作面的采场覆岩运动规律和支承压力分布变化规 律进行预测，是一条既经济又实用的方法。本文在前人研究工作的基础上，采用 现场观测、理论分析和数学建模及软件开发相结合的研究方法，在研究了采场覆 岩运动规律和支承压力分布规律以及采场矿山压力的研究方法的基础上，重点对 南屯煤矿主采煤层综采和综放工作面的覆岩运动规律进行了深入的分析；建立了 “覆岩运动信息综合数据库”；在此基础上，建立了矿压监测信息的智能预测模 型；开发了矿压监测信息的智能预测软件系统。 关键词：矿山压力，综采，综放，预测，覆岩运动规律 东北人学硕十论文 a b s t r a c i t h e m o v i n g r u l eo fo v e r b u r d e nr o c k o v e r s t o p ea n di n t e l l i g e n ta n a l y s i ss y s t e m i nn a n t u n a b s t r a c t o u rc o u n t r yi sad e v e l o p i n gc o u n t r yw i t hc o a a sm a i ne n e r g ys o u r c e s ，b u tt h e r e a r em a n ys e r i o u sp r o b l e m si nt h ec o u r s eo fc o a le x p l o i t a t i o n t h ec o a l m i n ca c c i d e n t s t a k ep l a c ef r e q u e n t l yi no u lc o u n t r y ，a n dc a u s eh i g hc a s u a l t y t h ed e a t ht o l lo fp e r m i l l i o nt o ni s5 0 - 10 0t i m e sm o r et h a nt h a to ft 1 1 eu s a a n do t h e rc o u n t r yw i t h a d v a n c e d m i n i n gt e c h n o l o g y t h i s n o t o n l ym a k e sc o a l m i n eu n d e r t a k e g r e a t e c o n o m i cs t r e s sb u ta l s ob r i n g sd i s a d v a n t a g ef a c t o r st os o c i a l s t a b i l i t y ，s o i ft h e m o v i n gr u l eo ft h eo v e r b u r d e na n dt h ed i s t r i b u t i o nr u l eo fb e r n i n gp r e s s u r ec a nb e f o r e c a s t e dc o r r e c t l yb e f o r em i n i n gi nt h ew o r k i n gf a c e ，w ec a nr e a l i z et h ed e s i g n i n g o f s u p p o r ts y s t e ma c c o r d i n g t ot h em o v i n gr u l eo ft h eo v e r b u r d e na n dt h ed i s t r i b u t i o n r u l eo f b e a r i n gp r e s s u r eo f c o n c r e t es t o p e ，c o n s e q u e n t l ye n s u r et h es a f ep r o d u c t i o ni n t h ew o r k i n gf a c e t h ef o r e c a s to fo v e r b u r d e nr o c km o v e m e n ta n db e a r i n gp r e s s u r ei s av e r yc o m p l i c a t e da n dd i m c u l tt e c h n i q u ep r o b l e m b u t t oam i n ea r e a i dt h e1 i m i t e d s c o p eo fg e o l o g i c a lc o n d i t i o nc h a n g e ，t h ed i f f e r e n c eo fm o v i n g r u l eo ft h eo v e r b u r d e n a n dt h ed i s t r i b u t i o nr u l eo fb e a r i n gp r e s s u r ei sa l s or e l a t i v e l yl i m i t e d c o n s e q u e n t l y a n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h em o v i n gr u l e o ft h eo v e r b u r d e na n dd i s t r i b u t i o n c h a n g er u l eo fb e a r i n gp r e s s u r eo f t h i sm i n ea r e ao nt h eb a s i so fal o to fa c q u i r e d o b s e r v a t i o nd a t ao fm i n ep r e s s u r e ，a n dp r e d i c t i n gt h em o v i n gr u l eo ft h eo v e r b u r d e n a n dd i s t r i b u t i o nc h a n g er u l eo f b e a r i n gp r e s s u r eo ft h ew o r k i n gf a c ei nt h em i n i n g a r e aw i t he n g i n e e r i n ga n a l o g ym e t h o di sa ne c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lm e t h o d t h i s a r t i c l e ，b a s e do np r e c u r s o r s r e s e a r c h w o r k ，a d o p t sr e s e a r c h i n g m e t h o d so fs p o t o b s e r v a t i o n ，t h e o r e t i ca n a l y s i s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n ds o r w a r ed e v e l o p m e n t ， m a i n l yi n t e n s i v e l ya n a l y z e st 1 1 em o v i n gr u l eo ft h eo v e r b u r d e no fw o r k i n gf a c ao f f u l l y m e c h a n i z e dc o a l m i n i n go rf u l l y m e c h a n i z e dt o pc o a lc a v i n gi nm a i nm i n i n g c o a ls e a l t lo fn a n t u nc o a l m i n eo nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho fm o v i n gr u l eo ft h e o v e r b u r d e na n dd i s t r i b u t i o nr u l eo f b e a r i n gp r e s s u r ea n d t h er e s e a r c hm e t h o d so fm i n e p r e s s u r eo fs t o p e ，i ta l s ob u i l das y n t h e t i cd a t a b a s eo fm o v i n gi n f o l r m a t i o no f t h e o v e r b u r d e n o nt h i sb a s i s i tb u i l d sa i li n t e l l i g e n tf o r e c a s t i n gm o d e lo fm i n ep r e s s u r e o b s e r v a t i o ni n f c r m a t i o na n dd e v e l o p sa ni n t e l l i g e n tf o r e c a s t i n gs o f t w a r es y s t e mo f m i n e p r e s s u r eo b s e r v a t i o ni n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：m i n ep r e s s u r e ；f u l l ym e c h a n i z e dc o a l m i n i n g ；f u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a lc a v i n g ；f o r e c a s t i n g ：m o v i n gr u l eo f o v e r b u r d e nr o c ko v e rs t o p e i l 声明 本人声明所提交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一起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 确的说明并表示谢意。 b ，) 名：彩簪也。留 日期： l ，7 。0 弓钊 东北大学硕士论文第一章序论 第一章序论 1 1 问题的提出 我国是一个以煤炭为主要能源的发展中国家，在今后相当长的历史时期内这 种格局将不会有较大的改变。根据1 9 9 8 年的统计资料，煤炭在我国的能源结构 中占7 6 ，预计到2 0 5 0 年仍将占5 5 。目前全国的煤炭产量已接近11 4 亿t ， 绝大部分靠开工开采。已探明储量超过9 0 0 0 亿吨，可以开采6 0 0 8 0 0 年。因此， 煤炭作为主要能源的地位将会在相当长的历史时期中不会改变。煤炭资源的开发 利用及相关产业，将在相当长的历史时期内作为我国重要的经济和社会支柱产业 之一，处于战略性的地位。 但我国的煤炭开采还存在许多重大问题，我国煤矿事故频繁，每年都造成 大量的人员伤亡，百万吨死亡人数是美国等先进采煤国家的5 0 1 0 0 倍。不仅使 矿井承受了巨大的经济压力，同时也对社会安定造成了不利因素。表1 1 为我国 百万吨死亡人数与先进国家对比情况。表1 2 为我国不同性质的煤矿百万吨死亡 人数( 死亡率) 对比情况。在众多的事故中，与岩层运动及矿山压力有关的事故 占大多数，其中顶板事故占3 6 1 4 ，瓦斯突出事故占3 0 8 7 ，二项合计占 6 7 0 1 。造成重大事故发生的基本原因是：对开采所引起的覆岩运动规律认识不 清，对开采后应力大小分布规律掌握不准确，这样所作出的支护设计和安全决策 势必存在较大的误差，因而事故也就不可避免。 因此，在工作面开采之前，如果能够正确地预测采场覆岩的运动规律和支承 压力分布规律，就可以实现根据具体采场的覆岩运动规律和支承压力分部规律进 行支护设计，从而保证工作面的安全生产。 采场覆岩运动和支承压力的预测是一件非常复杂的技术难题，然而，对于一 个矿区而言，在地质条件变化相对有限的范围内，采场覆岩运动规律和支承压力 分布变化规律的差异也是相对有限的，因此，可以在已经获得的大量的矿山压力 观测资料的基础上，分析总结出本矿区的采场覆岩运动规律和支承压力分布变化 规律，采用工程类比的方法，对未开采区域的回采工作面的采场覆岩运动规律和 支承压力分布变化规律进行预测，是一条既经济又实用的方法。 东北大学硕士论文第一章序论 表1 1百万吨死亡人数与先进国家对比 t a b l e1 1t h ec o m p a r et h ed e a t ht o l lp e rm e g a t o nw i t ha d x a n c e dc o u n t r i e s 国家死亡率( 人百万吨) 兖矿集团 o 1 1 中国有重点煤矿 1 0 2 国 山东省平均 3 2 0 全国平均5 0 3 美国0 0 3 一o 0 6 澳大利亚 0 1 2 表1 2 不同性质煤矿百万吨死亡情况 t a b l ei 2t h ed e a t ht o l lp e rm e g a t o ni nd i f f e r e n tk i n d s 煤矿类型产量( 亿吨)死亡率( 人百万吨) 国有重点煤矿5 0 3 1 0 2 ( 1 3 1 地方国有煤矿 2 1 3 3 7 6 ( 5 ) 乡镇( 集体、个人) 煤矿 5 1 6 8 6 ( 1 0 1 合计1 2 3 25 0 2 ( 8 ) 多年来，我国大部分矿区都进行过矿压研究工作，取得了丰硕的成果，积累 了丰富的资料，但由于技术手段等原因，这些资料是分散的、无序的，尚不能充 分发挥它们对日常矿压工作的指导作用。因此如何将这些耗费了大量人力、物力 和财力取得的宝贵资料汇集起来，并根据矿压研究的需要，进行合理的分类与开 发，提高现有资料的利用价值，以便于能够及时检索和查询，对日常的矿压研究 工作起到应有的参考和指导作用是一个急需解决的问题。 目前，大部分煤矿( 矿区) 尚无开展这方面的研究工作，个别矿区虽然进行 了资料的收集和整理，但也是简单的资料集合而已，并没有深入研究各种矿压资 料的内在规律性，再加上矿压资料信息量大，人工处理速度慢等原因致使这项工 作尚不能很好地开展起来。因此，对于具有较长的矿压观测历史和丰富的矿压观 2 东北大学硕士论文第一章序论 测资料的大多数矿井( 矿区) 特别是现代化矿井( 矿区) 来说，实现矿压监测信 息的智能预测是非常有意义的。 1 2 国内外研究现状 世界发达采煤国家，历来把煤矿重大伤亡事故的控制作：勾采矿工程研究的重 点，在矿山压力的研究方面，已经取得了重要成果。通过全面实现综合机械化开 采，采掘工作面顶板事故已经根本上得到控制。其他在我国经常发生的与岩层运 动和应力有关的重大事故，如瓦斯和煤层突出、顶板透水和底板突水淹井等重大 事故等则由于这些国家资源比较丰富，在开采条件上有相当大的选择余地，因此 很少发生，研究水平也很低。最近时期以来，由于英、法、德等国土面积小的国 家己逐步放弃了依靠煤炭的能源政策，美国、澳大利亚等国：上辽阔煤炭资源丰富 的国家开采条件又有很大的选择余地，因此，研究的紧迫性远不能与我国相比， 取得的成果也不足以为鉴。 我国白2 0 世纪7 0 年代以来，在煤矿岩层控制领域取得了许多国际领先的研 究成果。传递岩梁理论体系和砌体梁理论体系的建立和完善，成为我国煤矿矿压 理论研究的标志性成就，为我国煤矿的安全开采起到了推动和保证作用。 1 2 1 砌体梁理论 砌体梁理论是中国矿业大学钱鸣高院士提出来的。以钱鸣高院士为学术带头 人的研究集体不断发展和完善了该理论体系。1 9 8 6 年钱鸣高院士等首次用弹性 基础梁的力学模型从理论上证明了“反弹”机理并给出了算例，1 9 8 7 年钱鸣高 院士、朱德仁博士以弹性基础上的薄板理论进一步分析了顶板破断的机理和模 式。近几年有提出了砌体梁的“s r ”稳定及关键层分析的方法。 1 _ 2 2 传递岩梁理论 传递岩梁理论是山东科技大学宋振骐院士等人在大量现场观测的基础上于 2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初提出的，理论的采场结构力学模型如图1 1 示。该理 论认为： ( 1 ) 对采场矿压显现有明显影响岩层范围是有限的，即直接顶和老顶两部 分。所谓直接顶就是在采空区已冒落，在采场暂时由支架支撑的那部分岩层，其 特点是不能保持向前部煤壁和采空区矸石上传递力的联系。而老顶则是由明显影 响采场矿压显现的传递岩梁组成。 东北大学硕士论文第一章序论 ( 2 ) 对采场矿压显现有明显影响的岩层范围是可知的，也是可控制的。采 场支架对顶极岩层可以有二种工作状态：给定变形和限定变形。通过建立支 架与顶板岩层相互作用的位态方程，可以实现采场支护设计的定量化。 ( 3 ) 许多情况下，老顶断裂后采场周围煤体上的支承压：匀分成二个部分： 即内应力场和外应力场。如图1 1 示。其中，内应力场的支承压力来源于老顶运 动的作用力：外应力场的支承压力来源于上覆岩层的总体，其：赶小分布特征取决 千开采深度、煤体强度等因素。内外应力场的发生发展规律为采场来压预测预报 和沿空掘巷时巷道位置的确定，提供了科学决策的依据。 图1 1 传递岩梁结构不意图 f i g1 1 t h es t r u c t u r eo f t h et r a n s f e rb e a m ( 4 ) 内外应力场应力变化有明显的周期性。推进方向的周期性规律与老顶 各岩梁断裂运动的周期性相吻合。 在传递岩梁理论指导下，1 9 8 9 年蒋金泉教授提出了采场来压预报的前兆隶 属函数模型，应用弹性基础理论研究了老顶裂断过程及其支承压力显现，1 9 9 4 年姜福兴教授完成了采场来压预测预报的专家系统。 目前，随着研究的不断深入，人们对采场上覆岩层运动规律的认识越来越趋 于一致，各种矿压理论之间的分歧越来越小，许多观点正在被：赶多数人所共同接 受，逐步形成了“以岩层运动为中心的实用矿山压力理论体系”，为我国的煤炭 安全开采起到了推动和保证作用。 东北大学硕士论文 第一章序论 上述矿压理论研究成果，为深化研究采场覆岩的运动规律和支承压力分布规 律，建立采场覆岩的运动规律和支承压力分布规律的工程类i ：t ；n i l 模型奠定了坚 实的理论基础。 1 3 主要研究内容和方法 本文在前人研究工作的基j i l t l 上，采用现场观测、理论分析和数学建模及软件 开发相结合的研究方法，主要开展了以下研究工作： ( 1 ) 分析了综采和综放工作面的覆岩运动规律； ( 2 ) 建立了“覆岩运动信息综合数据库”： ( 3 ) 建立了矿压监测信息的智能预测模型： ( 4 ) 开发了矿压监测信息的智能预测软件系统。 东北大学硕士论文第二章采场覆岩运动的一般规律 第二章采场覆岩运动的一般规律 2 1 上覆岩层运动和破坏的基本形式 理论与实践的研究结果表明，采场上覆岩层悬露后发展到破坏有二种运动形 式：弯拉破坏和剪切破坏。 弯拉破坏的发展过程是：随采场推进，上覆岩层悬露一在重力作用下弯曲一 岩层悬露达一定跨度，弯曲沉降发展到一定限度后，在伸入煤壁的端部开裂一中 部开裂形成“假塑性岩梁”一当其沉降值超过“假塑性岩梁”允许沉降值时，悬 露岩层即自行冒落。 岩层运动由弯曲沉降发展至破坏的力学条件是岩层中的最大弯曲拉应力达 到其抗拉强度。 悬露岩层中部拉开后，是否发展至冒落，则由其下部允许运动的空间高度 决定。只有其下部允许运动的空间高度超过运动岩层的允许沉降值，岩层运动才 会由弯曲沉降发展至冒落。否则，将保持“假塑性岩梁”状态。由此，煤层上方 第n 个岩层弯曲破坏发展至冒落的条件为： s h s o n - i = 一朋，( “一1 )( 2 1 ) 式中：s 。悬露岩层下部允许运动空间高度，m ： s o _ 一悬露岩层发展为“假塑性岩果”的允许沉降值，r n ； h 煤层开采高度，m ； 掣已冒落岩层的总厚度，m ； 鲁 k a _ 己冒落岩层的碎胀系数。 岩层剪( 切) 断破坏的发展过程是：岩层悬露后只产生不大的弯曲，悬露岩 层端部开裂一在岩层中部未开裂( 或开裂很小) 的情况下，整体切断塌垮。 6 东北大学硕士论文第二章采场覆岩运动的一般规律 2 2 上覆岩层纵向运动的发展规律 2 2 1 岩层离层发生的位置和条件 采场上方悬露的岩层，可视为在均布载荷作用下的多层嵌固梁。该岩梁弯 曲沉降过程中，必然在平行于轴向的各层面( 或接触面) 上出现剪应力。随采场 推进，剪应力随岩梁悬跨度和外载的增加而增加。当剪应力值超过层面上( 或软 弱夹层的接触面上) 粘结力和摩擦阻力所允许的限度时，层面或软弱夹层的接触 面被剪坏。岩层的离层随即发生。因此，离层发生和力学条件为： r = c + 盯月t g f o ( 2 - 2 ) 式中：t 层面( 或软弱夹层接触面) 的剪应力； c 层面或接触面上的粘结力： 口层面或接触面上的磨擦角； 仃。层面或接触面上的压应力。 大量理论研究和工程实践表明： ( 1 ) 离层一般发生于岩层的接触面或软弱夹层上； ( 2 ) 接触面的破坏，只有在相应接触面上的剪应力超限时才会发生，即悬 露岩层的跨度达到极限时，离层才会发生。 ( 3 ) 离层出现的位置取决于组合岩梁中各岩层的弯曲刚度和各夹层的强 度。当下部岩层弯曲刚度小，夹层( 或接触面) 强度低时，离层在下部发生；反 之，离层可能在e 部夹层中出现。 ( 4 ) 各岩层受采场推进的影响，其悬露时间、悬露跨度和所受外载由下而 上是不相同的。一般来说最下部的岩层最先悬露，愈靠近上部的岩层，悬露愈晚。 各岩层的悬露跨度由下而上是依次递减的。研究证明，如果下部岩层端部断裂前 悬跨度为l 1 ，则上部岩层的反弯点将由两端向采场方向移动，约从o 1 l i 处开始， 其实际悬跨度l 2 将比下部岩层小0 2 倍，即l 2 = o 8l i 。 ( 5 ) 由于岩梁的悬露跨度由下而上依次减小，而剪应：匀大小又与岩梁悬露 跨度成比例，因此剪应力大小也是由下而上递减的。因此，即使各岩层的岩性、 厚度均相同，各接触面的抗剪强度也相同，离层将从下开始：庄上逐步发展，故岩 层的运动发展趋势是由下而上的。 7 东一匕大学硕士论文 第二章采场覆岩运动的一般规律 2 2 2 传递岩梁形成的力学机理 “以岩层运动为中心的矿山压力理论体系”认为，采场上覆岩层中除临近 煤层的采空区己冒落岩层外，其它岩层保持“假塑性”状态，两端由煤体支承， 或一端由工作面前方煤体支承，一端由采空区矸石支承，在推：啦方向上保持传递 力的联系。把每一组同时运动( 或近乎同时运动) 的岩层看成一个运动整体，称 为“传递力的岩梁”，简称“传递岩梁”。 对于相邻的两岩层，是同时运动组成一个传递岩梁，还是分丌运动形成两 个传递岩梁，可用两岩层沉降中的最大曲率( p m a x ) 和最大挠度( w 。) 来判断。 当p 。a x p 。a x t 或w 。t w 。，时，两岩层组合成一个传递岩梁同时运 动。 当p ，a x 弋 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 0 5 01 0 0i5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 06 0 0 次数71 64 24 02 731 28570 ：17290 频率 43 99 2 62 661 697435 1917 14o2 由表4 3 、4 4 数据计算表明：循环末支架阻力达到或超：连合理值( 4 0 0 f f 架) 只有3 ，主要分布在7 5 2 2 5 f f 架间，占总循环个数的6 9 5 。初撑力低于合理值 ( 2 4 0 f f 架) 的竟达8 8 ，达到或超过合理值的仅有1 2 ，分布范围主要在1 0 5 1 9 5 f f 架间，占初撑频率分布的6 7 。 4 1 2 37 3 t 1 1 1 工作面支架端面顶板运动特点 由于采用支撑式液压自移支架，采空区顶板冒落对采场安全的威胁降到最低 限度。而支架端面顶板稳定状况决定综采工作面安全与否。：，3 1 1