【摘要】：隨著煤炭資源開采水平的加深,地質條件愈來愈復雜,井下生產(chǎn)狀況愈來愈嚴峻,需對機械化開采及工作面穩(wěn)定性狀況進行深入細致的了解。首先,采用理論分析、實驗室試驗相結合的方法,在前人積累的寶貴理論及試驗基礎上,提出圍壓下煤巖截割峰值力計算方法,設計并進行在圍壓下的煤巖截割力學試驗,綜合理論及試驗結果對不同工況下煤巖崩落前裂隙發(fā)育、變形破碎及耗能特征進行深入研究;其次,考慮煤炭資源開采過程中頂板增壓荷載的多樣化,對開采過程中堅硬頂板變形、內力及斷裂步距變化特征進行系統(tǒng)研究;最后,依據(jù)沿空煤巷底板全場非對稱受力狀況,闡述底鼓機理,并對巷道底板變形及內力變化規(guī)律進行研究。成果如下:(1)結合工作面煤巖承壓破碎條件及采掘過程中巖齒相互作用狀況,提出基于Evans理論在圍壓下鎬形截齒煤巖截割峰值破壞力等參數(shù)的計算方法,并進一步結合截割試驗結果對截割峰值力計算方法進行修正。理論研究結果表明:基于曲線型強度準則的理論計算與試驗結果具有較強的吻合程度。隨著截割圍壓的增加,截割峰值荷載呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律,崩落角表現(xiàn)出呈對數(shù)增加特性,其上限為180°;而當考慮截割圍壓且保持不變時,隨著煤巖抗拉強度的提高,崩落角呈負指數(shù)減小,其下限為120°。隨著截割厚度及截齒半錐角的增加,截割峰值荷載持續(xù)增加。(2)通過相似模擬實驗,針對鎬形截齒煤巖截割進行了圍壓、侵入體半錐角、截割厚度、侵入速率、侵入角度、材料普氏系數(shù)及截割間距變化對截割力學效應及能耗特征的研究。結果表明:截割要素對于截割峰值荷載、侵入系數(shù)、崩落體重量及比能耗等具有重要影響,易造成煤巖侵入難度、塊煤率及截齒磨損等的改變。圍壓的存在雖然增加侵入系數(shù)及峰值荷載,但會造成崩落體重量的顯著增加,進而降低比能耗。由于截割圍壓的增加,對于鎬形截齒煤巖連續(xù)截割,最佳截距比發(fā)生增長:當圍壓為4MPa時,最佳截距比為3;而在無圍壓時,最佳截距比為2。(3)基于彈性地基梁原理,提出適應于任意增壓荷載形式的堅硬頂板變形及內力計算方法,獲得了斷裂步距變化規(guī)律。結果表明:地基剛度由大變小時,頂板跨中撓度明顯增大,增壓荷載作用下煤壁內頂板彎矩極值增加;支護阻力作用下,煤壁內彎矩極值明顯減小,其位置向煤壁靠攏;地基剛度對斷裂步距影響較小,峰值荷載位置越靠近煤壁初次斷裂步距越小,且地基剛度較小時,采空區(qū)跨中易產(chǎn)生初次斷裂。(4)采用依據(jù)彈性地基梁原理進行堅硬頂板變形及內力研究的方法,結合沿空巷道底板全場受力特征,得到了非對稱沿空煤巷底板變形及內力的變化規(guī)律。即,隨著沿空煤巷埋深的增加,巷內底鼓量及底板彎矩均相應增加,并且煤巷埋深與底鼓極值之間具有明顯的線性關系;結合煤炭資源開采率及沿空煤巷底鼓維護因素,宜采用窄煤柱護巷;底板抗彎剛度的增加,引起巷內底鼓量減小,但過大的底板抗彎剛度會提升巷內底板彎矩,造成巷內底板的向巷內斷裂。
【圖文】：

圖 2-1 采煤機、掘進機截割機構示意圖Figure 2-1 Map of cutting mechanism of Coal miner and Diggers對于深部地下開采過程中采區(qū)及井巷的煤巖狀態(tài)，有很多國內外相關學者進行了研究，并分別提出了塑性破壞[67,68]及極限平衡區(qū)[69~71]等相關概念。采區(qū)工作面及井巷掘進工作面的待開采圍巖應處于塑性破壞狀態(tài)，然而由于工作面采空區(qū)一側的無約束行為及深部煤巖的變形破壞來釋放壓力等行為，使得待截割圍巖并非處于完全破碎狀態(tài)，而是組成以完整塊狀巖石為主體的裂隙承壓破壞區(qū)。該區(qū)域巖體不僅受到來自于上覆巖層的一部分重力，而且受到來自于工作面周邊頂?shù)装宓膴A持及摩擦作用，成為極限破壞區(qū)。本處對采區(qū)開采及井巷掘進的圍巖承受鎬形截齒的截割模型進行一定的簡化，認為：在圍巖截割過程中，待截割煤巖是需要承受一定圍壓的，而不同的圍巖壓力對煤巖截割會產(chǎn)生不同的影響，即深部工作面開采為圍壓下的煤巖截割，如圖 2-2 所示。其中 p 為截割圍壓，h 為截割厚度，β 為侵入角度。

圖 2-6 實驗系統(tǒng)Figure 2-6 Testing system(3) 橫向圍壓約束系統(tǒng)為了使模型受力滿足圖 2-2 所示的煤巖受力特征，本次試驗加工了一個約束裝置（見圖 2-7），該約束系統(tǒng)由巖樣夾持鋼板及千斤頂構成，其中千斤頂包括兩個，均為 RSM-200型 20T 薄型千斤頂；巖樣的實驗圍壓通過千斤頂液壓管外接的 MIK-P300 型壓力變送器及 MIK-R200D 型四通道無紙記錄儀進行監(jiān)控與維持。該系統(tǒng)對煤巖試樣的兩個側面進行法向恒壓約束，前方為自由面，在試樣上表面臨近自由面邊界處進行截齒的近邊界侵入實驗。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD32

【參考文獻】

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1 謝和平;高峰;鞠楊;;深部巖體力學研究與探索[J];巖石力學與工程學報;2015年11期

2 何滿潮;;深部軟巖工程的研究進展與挑戰(zhàn)[J];煤炭學報;2014年08期

3 郭彥霞;張圓圓;程芳琴;;煤矸石綜合利用的產(chǎn)業(yè)化及其展望[J];化工學報;2014年07期

4 尤明慶;;圍壓對巖石試樣強度的影響及離散性[J];巖石力學與工程學報;2014年05期

5 劉少偉;張偉光;馮友良;;深井煤巷滑移型底鼓巖體運移機理及控制對策[J];采礦與安全工程學報;2013年05期

6 潘岳;顧士坦;戚云松;;初次來壓前受超前增壓荷載作用的堅硬頂板彎矩、撓度和剪力的解析解[J];巖石力學與工程學報;2013年08期

7 單仁亮;孔祥松;蔚振廷;李民族;楊樹軍;田亮;;煤巷強幫支護理論與應用[J];巖石力學與工程學報;2013年07期

8 劉泉聲;劉學偉;黃興;劉濱;;深井軟巖破碎巷道底臌原因及處置技術研究[J];煤炭學報;2013年04期

9 曹勝根;姜海軍;王福海;程正剛;武忠進;;采場上覆堅硬巖層破斷的數(shù)值模擬研究[J];采礦與安全工程學報;2013年02期

10 李磊;柏建彪;王襄禹;;綜放沿空掘巷合理位置及控制技術[J];煤炭學報;2012年09期

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本文編號：2641522