同忻煤矿地质动力环境分析与矿压显现规律研究
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摘要
大同煤田为侏罗系和石炭二叠系煤层共同赋存的双系煤田，浅部侏罗纪系煤炭资源已趋于枯竭，深部石炭二叠系煤层可采储量多达300亿吨。同忻煤矿作为开采石炭二叠系煤层的千万吨级主力矿井，开采条件具有“双系两硬”的典型特点，开采过程中遇到了强矿压显现、覆岩纵向大结构破坏、双系煤层采空区连通、回采巷道围岩失稳等影响矿井安全高效生产的诸多问题。因此，在同忻井田“双系两硬”的开采条件下，基于地质动力环境分析，研究矿压显现发生的动力条件、覆岩运动与破坏规律、强矿压控制技术、安全开采方案显得尤为重要和迫切，对实现同煤集团可持续发展与建设晋北国家大型煤炭基地具有重要意义。
论文综合应用了地质动力区划理论和方法，矿山压力与岩层控制理论，在对同忻井田“双系两硬”煤层赋存特点与岩层结构特征研究的基础上，从区域构造运动、构造应力场、地震活动性方面分析评价了同忻井田的地质动力环境，阐述了地质动力环境对开采过程中矿压显现、覆岩运动及失稳的作用机制；分析了大同矿区新构造运动—口泉断裂的水平挤压与垂直升降对同忻井田矿压显现的控制作用；在构造断块划分的基础上建立了同忻井田地质构造模型；结合地应力测量，对井田的岩体应力状态进行了深入细致的分析，划分了井田构造应力升高区、降低区及梯度区；揭示了断裂构造、应力、顶板岩性等多个因素对矿压显现强度的影响作用；基于多因素模式识别对井田矿压显现强度进行了区域划分；利用钻孔数据，建立了覆岩结构三维地质体模型，分析了双系煤层间覆岩结构特征与岩性组合特点；在相似材料模拟与数值模拟的研究基础上提出了“双系两硬”工作面覆岩纵向大结构面接触失稳模式及失稳判据；提出了工作面及回采巷道强矿压显现的控制技术；在覆岩运动与破坏规律研究基础上，提出了分层开采、离层注浆、充填开采等安全开采方案。
论文首次论述了大同矿区地质动力环境及其对开采过程中矿压显现的控制作用；确定了同忻井田“双系两硬”开采条件下覆岩纵向大结构面接触失稳模式及失稳判据；形成了“地质动力环境分析—覆岩结构及其演化—矿压显现及其控制—安全开采方案优化”的矿压显现与控制的研究思路。上述研究成果对大同矿区类似开采条件下掌握矿压显现规律，实现安全高效生产具有重要的指导意义。
The Jurassic coal seam and Permo-carboniferous coal seam are coexistent in Datong coalfield. The shallow coal resources of Jurassic system has tended to be exhausted, the recoverablereserves of deep Permo-carboniferous coal seam can come up to30-billion ton. The Tongxinmine field, which is the main mine with10M MTPA for recovering the Permo-carboniferoussystem, with the typical characteristics of mining condition “two-hard and double-system”, andcome up against varied problems of intense strata behavior, large structure vertical failure on theoverburden rock,the goaf crack zones got through between double-system coal seam, thesurrounding rock instability of gateway, etc. during the recovery process, which affect the safeand efficient production in the mines. Therefore, under the mining condition of “two-hard anddouble-system” in the Tongxin mine field, based on the geo-dynamic environment analysis, it isespecially important and urgent to research the dynamic condition, the overburden stratamovement and the failure law, the control technology of intense strata behavior, the safetymining technical scheme for the strata behaviors, which is significant for the the realization ofsustainable development in Datong Coal Mine Group and the construction of country's largestcoal base in the north of Shanxi Province.
This paper comprehensively applied the theory and method of geo-dynamic divide and themining pressure and strata control theories, based on the study of the occurrence characteristicsof “two-hard and double-system” coal seam and the formation characteristics of rock mass inTongxin mine field, analyzed and evaluated the geo-dynamic environment from the regionaltectonic movement, the tectonic stress field and the seismic activity, discussed its actionmechanism for strata behavior, overburden rock construction and motion during the recoveryprocess; researched the extrusion in horizontal direction and the lifting in vertical direction of thenew tectonic movement--Kouquan fault in Datong mining area, which has control effect on thestrata behavior. Based on the structure block division, building the geotectonic model of Tongxinmine field, combined in-situ stress measurement, and made the indepth analysis on the rock massstress state, divided the increasing zone, the decreasing zone and the gradient zone of the tectonicstress; revealed the Influence to the strata behavior intense under the effect of roof lithology,fault structure, stress and multi-factors; made region division to the strata behavior intensitybased on the identification of multi-factor pattern recognition; making use of borehole data, built the3D geological model of the overburden strata, analysed the distribution characteristics ofoverburden strata construction and the lithological association between the double-system coalseam; put forward the instability model and the instability criterion of the vertical large structureof overburden strata face-contact of the “two-hard and double-system”. Based on the similarmaterial simulation and the numerical calculation; put forward the control technology of intensestrata behavior in the mining face and gateway. On the basis of researching the overburden stratamovement and the failure, the separated strata grouting, the slice mining, the backfill mining andother safety mining schemes were come up with.
This paper discussed the geo-dynamic environment in Datong mining area and its controlaction of the strata behavior during the recovery process for the first time; put forward theinstability model and the instability criterion of the vertical large structure of overburden strataface-contact of the “two-hard and double-system” under the mining condition in Tongxin minefield; formed the research ideas for strata behavior and control of “geo-dynamic environmentanalysis-overburden rock structures and its evolution-strata behavior and control-safety miningscheme optimization”. The research results above have important guiding significance formastering the law of strata behavior under the similar mining conditions, and realizing the safeand efficient production in Datong mining area.
论文综合应用了地质动力区划理论和方法，矿山压力与岩层控制理论，在对同忻井田“双系两硬”煤层赋存特点与岩层结构特征研究的基础上，从区域构造运动、构造应力场、地震活动性方面分析评价了同忻井田的地质动力环境，阐述了地质动力环境对开采过程中矿压显现、覆岩运动及失稳的作用机制；分析了大同矿区新构造运动—口泉断裂的水平挤压与垂直升降对同忻井田矿压显现的控制作用；在构造断块划分的基础上建立了同忻井田地质构造模型；结合地应力测量，对井田的岩体应力状态进行了深入细致的分析，划分了井田构造应力升高区、降低区及梯度区；揭示了断裂构造、应力、顶板岩性等多个因素对矿压显现强度的影响作用；基于多因素模式识别对井田矿压显现强度进行了区域划分；利用钻孔数据，建立了覆岩结构三维地质体模型，分析了双系煤层间覆岩结构特征与岩性组合特点；在相似材料模拟与数值模拟的研究基础上提出了“双系两硬”工作面覆岩纵向大结构面接触失稳模式及失稳判据；提出了工作面及回采巷道强矿压显现的控制技术；在覆岩运动与破坏规律研究基础上，提出了分层开采、离层注浆、充填开采等安全开采方案。
论文首次论述了大同矿区地质动力环境及其对开采过程中矿压显现的控制作用；确定了同忻井田“双系两硬”开采条件下覆岩纵向大结构面接触失稳模式及失稳判据；形成了“地质动力环境分析—覆岩结构及其演化—矿压显现及其控制—安全开采方案优化”的矿压显现与控制的研究思路。上述研究成果对大同矿区类似开采条件下掌握矿压显现规律，实现安全高效生产具有重要的指导意义。
The Jurassic coal seam and Permo-carboniferous coal seam are coexistent in Datong coalfield. The shallow coal resources of Jurassic system has tended to be exhausted, the recoverablereserves of deep Permo-carboniferous coal seam can come up to30-billion ton. The Tongxinmine field, which is the main mine with10M MTPA for recovering the Permo-carboniferoussystem, with the typical characteristics of mining condition “two-hard and double-system”, andcome up against varied problems of intense strata behavior, large structure vertical failure on theoverburden rock,the goaf crack zones got through between double-system coal seam, thesurrounding rock instability of gateway, etc. during the recovery process, which affect the safeand efficient production in the mines. Therefore, under the mining condition of “two-hard anddouble-system” in the Tongxin mine field, based on the geo-dynamic environment analysis, it isespecially important and urgent to research the dynamic condition, the overburden stratamovement and the failure law, the control technology of intense strata behavior, the safetymining technical scheme for the strata behaviors, which is significant for the the realization ofsustainable development in Datong Coal Mine Group and the construction of country's largestcoal base in the north of Shanxi Province.
This paper comprehensively applied the theory and method of geo-dynamic divide and themining pressure and strata control theories, based on the study of the occurrence characteristicsof “two-hard and double-system” coal seam and the formation characteristics of rock mass inTongxin mine field, analyzed and evaluated the geo-dynamic environment from the regionaltectonic movement, the tectonic stress field and the seismic activity, discussed its actionmechanism for strata behavior, overburden rock construction and motion during the recoveryprocess; researched the extrusion in horizontal direction and the lifting in vertical direction of thenew tectonic movement--Kouquan fault in Datong mining area, which has control effect on thestrata behavior. Based on the structure block division, building the geotectonic model of Tongxinmine field, combined in-situ stress measurement, and made the indepth analysis on the rock massstress state, divided the increasing zone, the decreasing zone and the gradient zone of the tectonicstress; revealed the Influence to the strata behavior intense under the effect of roof lithology,fault structure, stress and multi-factors; made region division to the strata behavior intensitybased on the identification of multi-factor pattern recognition; making use of borehole data, built the3D geological model of the overburden strata, analysed the distribution characteristics ofoverburden strata construction and the lithological association between the double-system coalseam; put forward the instability model and the instability criterion of the vertical large structureof overburden strata face-contact of the “two-hard and double-system”. Based on the similarmaterial simulation and the numerical calculation; put forward the control technology of intensestrata behavior in the mining face and gateway. On the basis of researching the overburden stratamovement and the failure, the separated strata grouting, the slice mining, the backfill mining andother safety mining schemes were come up with.
This paper discussed the geo-dynamic environment in Datong mining area and its controlaction of the strata behavior during the recovery process for the first time; put forward theinstability model and the instability criterion of the vertical large structure of overburden strataface-contact of the “two-hard and double-system” under the mining condition in Tongxin minefield; formed the research ideas for strata behavior and control of “geo-dynamic environmentanalysis-overburden rock structures and its evolution-strata behavior and control-safety miningscheme optimization”. The research results above have important guiding significance formastering the law of strata behavior under the similar mining conditions, and realizing the safeand efficient production in Datong mining area.
引文
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