本文關(guān)鍵詞：西部淺埋煤層高強度開采頂板切落機理研究

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【摘要】：我國西北部地區(qū)富含大量埋深在50~150m的淺埋煤層,其典型特征是淺埋深、薄基巖和上覆厚松散砂層。煤層開采過程中,工作面頂板往往難以形成穩(wěn)定的“砌體梁”式結(jié)構(gòu),在大采高、高速推進和長壁工作面的高強度開采過程中頂板易出現(xiàn)臺階下沉,常常造成頂板沿煤壁的全厚切落,礦壓顯現(xiàn)更加強烈且更加復(fù)雜。導(dǎo)致支架“被壓死”或形成涌水潰砂通道,給煤礦安全帶來諸多隱患。如何確保淺埋煤層開采的安全,減少切頂壓架事故,是目前煤炭工業(yè)發(fā)展亟待解決的難題之一。因此,針對淺埋煤層開采過程中的礦壓規(guī)律進行深入研究,揭示我國西部煤炭高強度開采下大范圍頂板切落壓架機理,分析支架工作阻力的適應(yīng)性,具有重要的理論和實際意義。論文綜合采用理論分析、數(shù)值模擬、物理試驗等手段,針對淺埋煤層高強度開采過程中大面積頂板切落壓架災(zāi)害發(fā)生機理及影響因素,工作面支架與圍巖相互作用關(guān)系及工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律等進行了深入研究。首先應(yīng)用突變理論分析方法研究了淺埋煤層大范圍頂板切落壓架的形成機理,分析了頂板切落壓架發(fā)生的條件和主要影響因素,解釋了切頂壓架形成的一般過程,將由圍巖-支架組成的系統(tǒng)的突變失穩(wěn)看作一個動靜荷載聯(lián)合作用的過程,分析了動靜荷載作用下支架的工作阻力的計算方法;根據(jù)頂板巖體內(nèi)的節(jié)理、裂隙和小規(guī)模斷層等決定巖層破斷來壓的實際情況,應(yīng)用斷裂力學(xué)理論,建立了含中心斜裂紋的基本頂巖梁破斷的力學(xué)模型,推導(dǎo)了頂板巖梁裂紋尖端的應(yīng)力強度因子表達式及周期來壓步距和支架工作阻力計算式,揭示了頂板破斷造成切落壓架的力學(xué)機制,采用薄板理論和斷裂力學(xué)分析方法解釋了高強度開采下長壁工作面頂板垮落所具有的局部、分段和遷移的時空特征;通過數(shù)值模擬方法研究了大采高、高速推進條件下淺埋煤層工作面礦壓顯現(xiàn)的一般規(guī)律;結(jié)合斷裂力學(xué)分析結(jié)果,采用相似材料模擬方法,再現(xiàn)了淺埋煤層開采過程中含不同傾角的主控裂紋頂板在采動作用下裂紋擴展、貫通直至切落的全過程,分析了工作面推進過程中的支承壓力、頂板位移、主控裂紋應(yīng)力和支架工作阻力變化規(guī)律。本文的主要結(jié)論具體如下:(1)建立了大面積頂板切落壓架機理的力學(xué)分析模型,研究了模型失穩(wěn)的主要條件,揭示了切頂事故發(fā)生的一般過程。針對淺埋煤層開采周期來壓過程中頂板沿煤壁臺階下沉導(dǎo)致頂板切落壓架的實際情況,以直接頂為研究對象,根據(jù)直接頂巖體在支承壓力作用下破壞失穩(wěn)的非線性變化特征,建立了由基本頂-直接頂-支架-矸石組成的系統(tǒng)力學(xué)模型。利用突變理論研究了荷載作用下系統(tǒng)的失穩(wěn)機制,導(dǎo)出了系統(tǒng)失穩(wěn)的充要條件表達式及直接頂巖體的變形突跳量的表達式。指出分叉集方程是導(dǎo)致系統(tǒng)突跳失穩(wěn)的充分條件,而只有當(dāng)系統(tǒng)控制變量p≤0,即支架剛度與直接頂巖體應(yīng)力應(yīng)變曲線在拐點處的斜率之比K≤1時是系統(tǒng)失穩(wěn)的必要條件,剛度比K只與系統(tǒng)內(nèi)部特性相關(guān),因此材料的性質(zhì)是系統(tǒng)發(fā)生突變的必要條件。在直接頂巖體結(jié)構(gòu)材料參數(shù)一定時,支架剛度k1對控制系統(tǒng)失穩(wěn)有決定性作用,因此在合理范圍內(nèi)增加支架剛度對頂板穩(wěn)定具有重要作用。當(dāng)支架剛度一定時,直接頂巖體越完整,剛度越大,其彈性模量越大,剛度比K越小,系統(tǒng)越容易失穩(wěn);直接頂巖體越破碎,剛度越小,剛度比K越大,系統(tǒng)也越穩(wěn)定。通過對系統(tǒng)失穩(wěn)充要條件的分析表明,系統(tǒng)是否失穩(wěn)除與其內(nèi)部特性相關(guān),還與所受載荷及基本頂周期來壓步距相關(guān)。為深入分析系統(tǒng)突變失穩(wěn)過程中頂板的全位移量a和能量釋放量△V的主要影響因素,結(jié)合神東礦區(qū)大柳塔煤礦1203工作面工程地質(zhì)情況,對其主要參數(shù)進行分析。最后結(jié)合工程實例,驗證了理論推導(dǎo)的合理性。研究了切頂過程發(fā)生時支架所受荷載的確定方法,將由圍巖-支架組成的系統(tǒng)的突變失穩(wěn)看作一個動靜荷載聯(lián)合作用的過程,指出支架受力一個是由靜荷載作用到動荷載作用的過程,應(yīng)用巖石動力學(xué)相關(guān)分析方法,導(dǎo)出了支架荷載的計算公式。對于揭示淺埋煤層頂板的失穩(wěn)切落機制、研究切頂時支架荷載的大小具有積極的意義。利用理論分析結(jié)果,對具體工作面的切頂壓架事故進行了計算分析,計算結(jié)果證明支架支護阻力過小,不能滿足支護要求,從而造成了切頂壓架事故,證明了理論推導(dǎo)的合理性,可為工程實踐提供理論指導(dǎo)。應(yīng)用RFPA數(shù)值模擬軟件再現(xiàn)了工作面推進過程中頂板沿煤壁切落災(zāi)害發(fā)生的一般過程。(2)結(jié)合淺埋煤層高強度開采下基本頂易形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)破斷回轉(zhuǎn)切落的實際情況,根據(jù)頂板巖體中的主控裂紋對巖梁的破斷起到關(guān)鍵性作用的特征,將頂板巖體視為含中心斜裂紋的懸臂梁,應(yīng)用斷裂力學(xué)理論,建立了含中心斜裂紋的頂板巖梁破斷的力學(xué)模型,揭示了含節(jié)理、斷層等缺陷的頂板破斷造成切落壓架的力學(xué)機制。首先將基本頂巖梁視為帶中心斜裂紋的有限板模型,根據(jù)基本頂巖梁受復(fù)雜的復(fù)合型荷載特征,將裂紋的應(yīng)力強度因子分解成拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和彎矩作用下的簡單的荷載模型進行綜合考慮,將三種簡單應(yīng)力下的應(yīng)力強度因子疊加計算得到了巖梁斜裂紋尖端的應(yīng)力強度因子。指出裂紋間端的應(yīng)力強度因子主要與裂紋傾角、裂紋的長度和巖梁的厚度有直接關(guān)系,裂紋長度越大,頂板越容易破斷,隨著裂紋傾角β的增大,KI先增大后減小,在與巖梁夾角達到90°時KI達到最大,此后逐漸減小,KII隨著裂紋傾角β的增大逐漸增大,當(dāng)與巖梁夾角達到45°時KI達到最大,此后逐漸減小。進一步推導(dǎo)得到了基本頂?shù)闹芷趤韷翰骄嗪椭Ъ芄ぷ髯枇Φ挠嬎闶�。通過分析基本頂斷裂步距l(xiāng)表達式中各參數(shù)變化時斷裂步距的相應(yīng)變化的規(guī)律可知,裂紋傾角β在0~180°之間變化時,斷裂步距l(xiāng)的先減小后增大變化趨勢成對稱分布;斷裂步距l(xiāng)隨著斷裂韌性Kc、支架工作阻力Q、水平擠壓力T的增大而增大;隨著上覆巖層荷載q的增大而減小。利用支架工作阻力的表達式計算了具體工作面支架的工作阻力,證明工作面所選用的支架滿足支撐要求,可為工程實踐提供相應(yīng)的理論指導(dǎo)。應(yīng)用彈性力學(xué)中的薄板理論和斷裂力學(xué)分析方法,結(jié)合煤層開采過程中的頂板多含節(jié)理、裂隙、甚至小規(guī)模斷層的地質(zhì)特征,利用彈性力學(xué)中的薄板理論建立了裂紋板力學(xué)模型,根據(jù)周期來壓過程中長壁工作面方向上頂板的來壓規(guī)律,將彈性薄板在工作面推進過程中的失穩(wěn)破壞過程分為裂紋擴展、塑性鉸失效和鉸接板失穩(wěn)三個階段,對各階段的發(fā)生、發(fā)展進行了力學(xué)分析,從理論上解釋了工作面長度方向上頂板垮落及來壓規(guī)律,結(jié)合工程實踐對理論分析結(jié)果進行了驗證。(3)研究了淺埋煤層高強度開采下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。應(yīng)用UDEC模擬軟件,基于神東礦區(qū)大柳塔煤礦1230工作面煤層的賦存條件和開采技術(shù),對工作面不同推進速度和采高條件下的頂板礦壓顯現(xiàn)及巖層切落時的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行了數(shù)值模擬分析,指出隨著工作面采高的增大,上覆巖層難以形成穩(wěn)定的自承式結(jié)構(gòu),垮落的巖體不足以支撐上覆巖層,往往以“懸臂梁”結(jié)構(gòu)形式存在,頂板更容易垮落進采空區(qū),來壓步距減小,礦壓不斷增大;隨著工作面推進速度的增大,頂板周期來壓和初次來壓步距增大,垮落的矸石碎漲系數(shù)較小,使頂板來壓時的礦壓增大。采高增大,頂板發(fā)生切落的步長不斷減小,但是隨著工作面推進速度的增大,頂板切頂?shù)牟介L不斷增大,可見,增大采高,不利于頂板穩(wěn)定容易誘發(fā)頂板事故,而增大推進速度,容易使支架迅速通過“高壓區(qū)”,有利于安全。(4)在中心斜裂紋頂板巖梁破斷的力學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上,應(yīng)用相似材料模擬試驗方法,針對實際工程中含主控裂紋頂板在工作面推進過程中,主控裂紋擴展造成切頂災(zāi)害的一般規(guī)律進行相似材料模擬試驗研究。首先總結(jié)了試驗過程中工作面推進時頂板來壓的一般規(guī)律,分析了大采高過程中頂板易形成“懸臂梁”結(jié)構(gòu)垮落到采空區(qū)的特征,對工作面過主控裂紋頂板來壓時裂紋的活化、擴展、貫通、切頂線形成直至覆巖切落的全過程進行了系統(tǒng)的描述,對比了不同傾角頂板覆巖的垮落特征。指出工作面過主控裂紋1時,頂板形成傾覆式切落特征,荷載主要作用在支架后方,覆巖垮落到采空區(qū);工作面過主控裂紋2時,覆巖易沿切頂線形成滑移式切落,覆巖荷載作用在支架前端,易壓壞支架。分析頂板監(jiān)測點的垂直位移量可知,由于采高較大,工作面推進過程中均造成了上覆巖層明顯的豎向位移變化;工作面過主控裂紋時,由于上覆巖層的大范圍垮落,兩主控裂紋附近頂板的下沉量均急劇增大,切頂時主控裂紋1的頂板最大下沉量大于過主控裂紋2的下沉量。由工作面支承壓力分析結(jié)果可知,主控裂紋2與主控裂紋1相比,其支承應(yīng)力值偏大,這主要是與裂紋的賦存和失穩(wěn)情況相關(guān),從試驗過程來看主控裂紋2失穩(wěn)時切落的巖體體積要大于主控裂紋1。使用自制支架監(jiān)測了工作面來壓過程中的支架工作阻力變化,過主控裂紋1時支架工作阻力比正常來壓時增大了33%,過主控裂紋2時與周期來壓時相比增幅達到了64%。由工作面過兩條主控裂紋時的頂板切落的應(yīng)力特征可知,裂紋的傾角對于切頂線的形成有重要的影響,當(dāng)主控裂紋傾角增大時,上覆巖層裂隙貫通后形成的垮落巖體量也隨之增大,頂板的剪切破壞特征越明顯,切頂發(fā)生時使支架的荷載值也隨之增大。
【關(guān)鍵詞】：淺埋煤層 切頂 高強度開采 突變理論 斷裂力學(xué) 主控裂紋
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD327.2
【目錄】：

• 摘要4-8
• Abstract8-16
• 1 引言16-28
• 1.1 研究背景和意義16-18
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-25
• 1.2.1 國外對淺埋煤層開采的研究18-19
• 1.2.2 國內(nèi)對淺埋煤層開采的研究19-25
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容和方法25-26
• 1.4 技術(shù)路線26-28
• 2 淺埋煤層開采頂板切落壓架機理的突變分析28-48
• 2.1 引言28-29
• 2.2 力學(xué)模型及本構(gòu)關(guān)系29-31
• 2.2.1 力學(xué)模型29-30
• 2.2.2 直接頂巖體的本構(gòu)關(guān)系30-31
• 2.3 直接頂失穩(wěn)的突變分析31-36
• 2.3.1 突變理論31
• 2.3.2 系統(tǒng)勢函數(shù)31-32
• 2.3.3 突變分析32-34
• 2.3.4 突跳量計算34-35
• 2.3.5 系統(tǒng)失穩(wěn)的能量釋放35-36
• 2.4 影響因素分析及工程實例分析36-38
• 2.4.1 影響因素分析36-37
• 2.4.2 工程實例分析37-38
• 2.5 支架工作阻力確定38-43
• 2.5.1 力學(xué)模型及支架工作阻力分析38-42
• 2.5.2 參數(shù)分析及現(xiàn)場應(yīng)用42-43
• 2.6 切頂過程數(shù)值模擬分析43-45
• 2.7 本章小結(jié)45-48
• 3 淺埋煤層頂板切落壓架的斷裂力學(xué)分析48-66
• 3.1 引言48-49
• 3.2 基本頂巖梁的斷裂力學(xué)模型49-54
• 3.3 影響因素分析54-55
• 3.4 工程實例分析55
• 3.5 長壁工作面頂板來壓規(guī)律55-64
• 3.5.1 裂紋的擴展58-61
• 3.5.2 塑性鉸的失效61-62
• 3.5.3 鉸接板的失穩(wěn)62-63
• 3.5.4 工作面頂板來壓分析63-64
• 3.6 本章小結(jié)64-66
• 4 淺埋煤層高強度開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析66-92
• 4.1 引言66-67
• 4.2 數(shù)值模型建立67-69
• 4.2.1 工程地質(zhì)條件67-68
• 4.2.2 模型設(shè)計68-69
• 4.3 數(shù)值模擬分析69-90
• 4.3.1 不同采高和推進速度下頂板的來壓特征69-84
• 4.3.2 不同采高和推進速度下頂板的支承壓力特征84-86
• 4.3.3 不同采高時的頂板位移特征86-89
• 4.3.4 不同推進速度時的頂板位移特征89-90
• 4.5 本章小結(jié)90-92
• 5 含主控裂紋頂板切落壓架的試驗研究92-118
• 5.1 引言92-94
• 5.2 相似材料模擬試驗設(shè)計94-103
• 5.2.1 試驗原理94-95
• 5.2.2 試驗材料與設(shè)備95-97
• 5.2.3 試驗?zāi)Ｐ图皡?shù)97-100
• 5.2.4 監(jiān)測方案100-101
• 5.2.5 試驗?zāi)Ｐ弯佋O(shè)及開挖方案101-103
• 5.3 試驗結(jié)果分析103-114
• 5.3.1 開采過程頂板垮落分析103-108
• 5.3.2 覆巖下沉規(guī)律108-110
• 5.3.3 工作面支承壓力演化規(guī)律110-114
• 5.4 工作面推進過程中支架工作阻力變化規(guī)律114-117
• 5.4.1 支架工作阻力分析114-116
• 5.4.2 切落巖體形成的對比分析116-117
• 5.5 本章小結(jié)117-118
• 6 結(jié)論與展望118-122
• 6.1 本文的主要研究結(jié)論118-119
• 6.2 創(chuàng)新點119-120
• 6.3 展望120-122
• 參考文獻122-130
• 致謝130-132
• 作者簡介132

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9 黃素果;煤層頂板危險源分析與新型監(jiān)控技術(shù)研究[D];山東科技大學(xué);2011年

10 劉生龍;煤巷層狀軟巖頂板破壞規(guī)律及支護研究[D];西安科技大學(xué);2005年

本文編號：851474