摘 要

水体开采涉及到很多的矿山，而本文以宁夏石嘴山三矿3#煤层开采为例，涉及到水下开采的防水煤柱宽带优化。水体下采煤包含这很多内容，是一项需要结合多项科学研究技术和综合各方面的效益的复杂工作^[1]。只有在全面和深入的研究，才可以正确的评测水下开采煤矿的安全性，合理性，同时也才能合理的设计的防水煤柱的宽度，特别是提高煤矿开采上界的合理安全性。这样既保证矿井和工作人员的安全，也可以最大化的利用资源。

水下开采煤层确定安全的合理开采上界的主要因素是开采造成煤岩的破坏规律。为了准确的确定在开采煤岩后的破坏规律，必须需要有可靠的研究方法和研究手段。因此，本文首先分析和介绍了在世界范围内有关于水下开采的现状和研究成果。同时本文还介绍了水下开采的特点，进行水下开采的可行性分析。

本文是基于宁夏石嘴山三矿3#煤层开采作为工程背景，来研究煤层开采设计过程中防水煤柱的宽度优化问题。对比分析传统防水安全煤岩柱留设的计算方法，学习使用FLAC软件对煤柱宽度尺寸进行数值模拟计算，根据相似模拟实验得出了不同宽度防水煤柱的受力分布，分析得到了垂直煤岩的位移移动特征，从而确定了宁夏石嘴山三矿3#煤层防水煤岩柱的合理宽度；本文采用三维有限元的方法，通过运用 FLAC软件程序来对不同宽度的防水煤柱分别进行数值的模拟与分析计算，可以得出了不同宽度的防水煤柱受力情况，并与理论结合相分析，确定宁夏石嘴山三矿3#煤层采区留设安全防水煤柱的合理宽度。

通过研究结果得出，最终设计和确认的防水煤柱宽度与采用的研究方法分析出的结果基本吻合，所确定的防水煤柱宽度满足开采要求，且经济合理，可以进一步提高煤矿采区回采率，因此表明使用上述方法来进行留设安全的防水煤柱宽度的研究是具有较强的可靠性。同时，我们可以类比到其他类似矿山，对于同样的防水煤柱研究宽度的优化设计问题是具有很大的参考价值。

关键词：防水煤柱；水下开采；FLAC软件模拟；应力分析

Abstract

Water mining involves a lot of mines, and this paper takes the case of 3# coal seam mining in Shizuishan Ningxia three mine as an example, which relates to the wide band optimization of waterproof coal pillar. Mining under the water contains a lot of content, it is a need to combine a number of scientific research technology and comprehensive aspects of the benefits of complex work. Only in a comprehensive and in-depth study, we can correct evaluation of water mining under coal mine safety, rationality, and also to the reasonable design of waterproof coal pillar width, especially improve the safe and reasonable coal mining upper bound. This will not only ensure the safety of the mine and the staff, but also can maximize the use of resources.

The main factor to determine the upper bound of the safety of coal mining under water mining is the destruction of coal and rock. In order to determine the failure law of coal mining, it is necessary to have reliable research methods and research methods. Therefore, this paper firstly analyzes and introduces the present situation and research results of the water exploitation in the world. At the same time, this paper also introduces the characteristics of underwater mining, the feasibility analysis of underwater mining.

This paper is based on the engineering background of 3# coal seam mining in Shizuishan Ningxia three mine, to study the optimization of the width of waterproof coal pillar in the design process of coal seam mining. Comparative analysis of the traditional calculation method of waterproof coal pillar, learning to simulate the width of coal pillar size using FLAC software, according to the similarity simulation experiment show the stress distribution of different width of waterproof coal pillar, analysis of the displacement of the mobile vertical coal rock characteristics, so as to determine the reasonable width of Ningxia Shizuishan three mine 3# coal seam waterproof pillar; this paper adopts three-dimensional finite element method, by using the FLAC software program to waterproof coal pillar of different width were simulated and analyzed in numerical calculation, can be obtained with different width of waterproof coal pillar stress, and combining with the theoretical analysis, determine the Ningxia three coal mine in Shizuishan 3# left the reasonable width of coal mining area safety waterproof pillar.

Through the research results, the final design and validation of the waterproof coal pillar width and the research method to analyze the results are basically consistent, as determined by the waterproof coal pillar width meet the need of mining, and economical and reasonable, can further improve the rate of coal mine mining. Therefore, the results show that using the method described above to design safety waterproof coal pillar width of is a strong reliability. At the same time, we can be similar to other similar mines, for the same waterproof pillar research width of the optimization design problem is a great reference price.

Key words: Waterproof pillar; Mining under surface water ;FLAC software simulation;Stress analysis

目录

目录 1

第一章 绪论 3

1.1问题的提出及研究目的和意义 3

1.1.1问题的提出 3

1.1.2目的及意义 3

1.2国内外现状 3

1.2.1国内现状 4

1.2.2国外现状 4

1.2.3我国在水体下开采所取得的成果 5

1.3本章小结 6

第二章 工程概况 7

2.1矿井概况 7

2.1.1 交通位置与地形地貌 7

2.1.2 气候条件 7

2.2井田地质概况 8

2.2.1井田介绍 8

2.2.2西区井田范围 8

2.2.3煤层特征 9

2.2.4地质构造 10

2.3水文地质概况 11

2.3.1区域水文地质 11

2.3.2矿井水文地质边界 11

2.3.3矿区含水层特征 12

2.3.4矿区隔水层特征 12

2.4本章小结 13

第三章 水下开采和防水煤柱 14

3.1水下开采 14

3.1.1基本原理 14

3.1.2开采特点 14

3.1.3水下开采可行性 15

3.2防水煤柱 15

3.2.1防水煤柱介绍 15

3.2.2防水煤柱的种类 15

3.2.3防水煤柱留设原则 16

3.2.4防水煤柱留设计算 16

3.3本章小结 17

第四章 矿山模型建立和数值模拟 19

4.1 软件介绍 19

4.2矿山模型建立 19

4.2.1建立模型 19

4.2.2网格划分和边界加载 21

4.2.3 岩体物理力学参数 22

4.3防水煤柱宽带设计 22

4.4矿山渗流模拟 26

4.5本章小结 29

第五章 结论与展望 30

5.1结论 30

5.2 展望 30

参考文献 32

致谢 33

1绪论

1.1问题的提出及研究目的和意义

1.1.1问题的提出

众所周知，在过去的几十年间，我国的主要能源使用就是煤炭，我国每年产出的煤炭总量在世界范围内占据这巨大的比重。近年来随着其他新能源的使用，煤炭的开采量比例有所降低，但是我国的能源使用比重上，煤炭还是名列前茅。从1950到2002，在中国煤矿开采已达到100亿吨以上^[1]，在50年的采矿活动中，可通过查阅资料可以得知，我国明前的煤煤炭资源大多数都是在有水体的，或者是有建筑物覆盖的下。因此，在这种情况下，增加了我国煤炭开采的难度性。在以往的时候，在开采这些煤炭资源时，矿区都会留设大尺度的防水煤柱，从另一方面看，留设大尺度的防水煤柱会导致我国煤炭资源的大幅度浪费。因为我国能源资源已经十分紧张，如果在大幅度的浪费，无疑加重了我国资源紧张的趋势。因此如何设计出合理的防水煤柱，不仅能保证矿井生产，还可以最大化的利用资源，减少资源浪费。

1.1.2目的及意义

所谓“三下”压煤，在建筑物下、水体下和铁路下开采煤炭，由于煤炭资源在这些下面赋存，因此给开采增加了巨大的难度。开采这部分煤炭首先就是要保证矿井的生产安全，或者从其他方面来说，必须要防止地面如河流，水库等的水流渗入井下，因为这将牵涉到矿井工人的生命安全，还有矿井的安全问题，同时还有可能关乎水资源的保护问题。

由于“三下”压煤是一个很复杂的开采工作，因此，就目前的技术水平来看，往往无法完全的开采资源，造成了多很资源无法被开采，也就是造成资源浪费。因此，在目前这种情况下，必须要研究加重对防水煤柱的研究，因为留设合理的防水煤柱宽度，不仅仅可以保护矿井生产的安全和地面建筑或者是岩层的稳定性，除此之外，更是可以增加对资源的利用率，提高经济效益^[2]。不仅如此，防水煤柱合理性的研究和开采活动还能增加就业机会，保障社会稳定，进而促进经济发展。

1.2国内外现状

在世界范围内，“三下”的开采煤矿工作已经持续了很多一段时间，大概有长达百年的历史之久。各国为了能更高效，更安全的在海下，河流下等其他的松散层和含水层下开采资源，做了大量的研究设计。就目前情况而言，日本，英国，加拿大等一些国家的“三下”开采技术占领世界领先地位^[3]。