【摘要】：多煤層開采礦井,隨著上部煤層的逐漸采空,遺留下了各種各樣的殘留煤柱,在原巖應(yīng)力場和采動應(yīng)力場的相互影響下,對底板巖層產(chǎn)生損傷破壞,下部煤層尤其是極近距離和近距離煤層開采面臨難題。為此,本論文選取反映巖石材料拉伸破壞和剪破壞的最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力為評價指標(biāo),并輔以底板巖層中垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的分布狀態(tài)描述,考慮圍巖巖性狀況(圍巖巖性、煤層傾角和間距)、圍巖應(yīng)力狀況(巖層側(cè)壓系數(shù)和煤層深度)和人為影響因素(煤柱寬度和煤層采高)的影響,采用無量綱化應(yīng)力的研究手段,通過理論分析、實(shí)驗(yàn)室測試、數(shù)值模擬和工程驗(yàn)證的方法,結(jié)合提出的“應(yīng)力臨界線”和“間深比”概念,研究了多煤層開采煤柱下底板巖層的應(yīng)力分布規(guī)律。研究成果不僅具有重要的理論意義,而且具有重要的工程應(yīng)用價值。具體成果如下:(1)現(xiàn)場調(diào)研了Integra Underground Mine煤礦多煤層開采的地質(zhì)力學(xué)狀況,提取了研究底板巖層應(yīng)力分布特征的相關(guān)地質(zhì)力學(xué)資料;取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性能測試,得到了該礦巖石力學(xué)參數(shù)。(2)視煤巖體為彈性介質(zhì),建立了是否考慮采空區(qū)垮落頂板對底板巖層損傷破壞的兩種模型,推導(dǎo)了兩模型中底板分別為單一巖層和多層巖層時任一點(diǎn)的應(yīng)力公式;輔以數(shù)值模擬對比分析,發(fā)現(xiàn)不考慮采空區(qū)垮落頂板的模型中,頂板覆巖重量完全由煤柱承擔(dān),導(dǎo)致底板應(yīng)力集中區(qū)影響過大,不符合工程實(shí)踐,因此,采空區(qū)垮落頂板對底板巖層的損傷破壞是研究煤柱下底板巖層應(yīng)力分布不可或缺的影響因素,但采空區(qū)垮落頂板對底板巖層的應(yīng)力集中梯度影響遠(yuǎn)小于荷載煤柱的影響,因此,煤柱底板應(yīng)力分布規(guī)律研究應(yīng)以煤柱對底板巖層的損傷破壞為主,以采空區(qū)垮落頂板的影響為輔。(3)基于無量綱化的應(yīng)力集中系數(shù),提出“應(yīng)力臨界線”概念,得到煤柱下垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力、最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的應(yīng)力臨界線分布分別呈“紡錘形”、“共軛犄角形”、“雙耳鼎形”和“葫蘆形”。(4)數(shù)值模擬詳細(xì)研究了煤柱下底板巖層巖性,煤層傾角和巖層側(cè)壓系數(shù)三個因素對底板應(yīng)力分布演化的影響,得到了層狀巖體的界面效應(yīng),用于解釋煤層巷道頂?shù)装鍛?yīng)力集中現(xiàn)象,指導(dǎo)巖石巷道層位優(yōu)化選擇;發(fā)現(xiàn)45°巖層傾角具有特殊性,垂直應(yīng)力、最大主/剪應(yīng)力的最大應(yīng)力集中系數(shù)值以45°為界,當(dāng)傾角增大或者減小時,最大應(yīng)力集中系數(shù)都會增大;側(cè)壓系數(shù)的變化對巖性較強(qiáng)的巖層產(chǎn)生的影響大于巖性較弱的巖層,高側(cè)壓系數(shù)會對采動影響產(chǎn)生抑制作用。(5)通過疊加煤柱下底板巖層垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力、最大主/剪應(yīng)力的應(yīng)力集中區(qū),得到底板應(yīng)力分區(qū)模型,分析了各分區(qū)的應(yīng)力集中情況和破壞形式,給出了多煤層開采分類中極近距離煤層開采、近距離煤層開采、單一煤層開采的判據(jù)。(6)提出煤層“間深比”概念,以最大主/剪應(yīng)力臨界線為評價指標(biāo),得出以-ln(間深比)為判據(jù)的多煤層開采分類,與底板巖層分區(qū)模型的判據(jù)基本吻合;考慮底板巖層為不同巖性,擬合出煤層間深比和煤柱寬高比與下部煤層回采巷道最佳布置位置的函數(shù)方程,同時給出函數(shù)方程優(yōu)化巷道位置的步驟,采用數(shù)值模擬驗(yàn)證了函數(shù)方程準(zhǔn)確有效。(7)研究成果成功應(yīng)用于Integra Underground Mine煤礦多煤層開的Middle Liddell煤層、Lower Liddell煤層和Hebden煤層。
【圖文】：

但是《2015中國礦產(chǎn)資源報告》[1]統(tǒng)計顯示（圖1-1），在2014年，中國一次能源生產(chǎn)總量為36.0億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，同比增長0.5%；消費(fèi)總量為42.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，，同比增長2.2%；中國能源自給率為84.5%，同比下降6%，因此2014年國家新增煤炭大中型礦產(chǎn)地17處�！�2016年能源工作指導(dǎo)意見》[2]提出要化解煤炭行業(yè)過剩產(chǎn)能，2016年控制一次能源生產(chǎn)總量為36億噸標(biāo)準(zhǔn)煤左右

對最大主/剪應(yīng)力的分析，得出了在煤柱下“臨界應(yīng)力泡”外側(cè)布置回采巷道的最佳優(yōu)化范圍，并且用巷道側(cè)向支承壓力集中系數(shù)和煤柱塑性區(qū)的寬度對該位置進(jìn)行了驗(yàn)證分析，確定了結(jié)論的準(zhǔn)確性，如圖1-4所示。[1]  臨界應(yīng)力泡；[2] 最佳巷道布置范圍圖 1-4 基于應(yīng)力泡理論的巷道位置優(yōu)化圖解（GR 表示區(qū)段順槽）Figure 1-4 The optimization of gateroad layout with pressure bulb theory
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD322.1

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3 萬虹,石忠民,徐長佑;某礦采空區(qū)礦柱應(yīng)力分布規(guī)律的測試研究[J];中國礦業(yè);1996年06期

4 白漢營;;潘集礦區(qū)含煤地層地應(yīng)力分布規(guī)律[J];能源技術(shù)與管理;2010年04期

5 佘健,王國超,鄧國宏;石黃隧道毛洞的應(yīng)力分布規(guī)律及可靠度計算[J];礦業(yè)安全與環(huán)保;2001年02期

6 方良才;;綜放開采煤層應(yīng)力分布規(guī)律的相似模擬研究[J];煤礦安全;2006年08期

7 黃超;;袁店二井地應(yīng)力分布規(guī)律及圍巖穩(wěn)定性控制研究[J];科技信息;2012年25期

8 王連國;陸銀龍;楊新華;高峰;張華磊;李海亮;楊峰;;霍州礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律實(shí)測研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報;2010年S1期

9 秦巍;桂樹青;;淮南礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律實(shí)測研究[J];煤礦安全;2013年10期

10 張龍江;;錨索應(yīng)力分布規(guī)律研究及應(yīng)用[J];中州煤炭;2011年06期

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2 王連國;陸銀龍;楊新華;高峰;張華磊;李海亮;楊峰;;霍州礦區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律實(shí)測研究[A];第十一次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會論文集[C];2010年

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本文編號：2547938