本文關(guān)鍵詞：淺埋煤層采場上覆巖層運(yùn)動分析及支架阻力研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：依托導(dǎo)師國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2013CB227903),結(jié)合我國能源中長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃預(yù)測了中國煤炭產(chǎn)量的發(fā)展趨勢和科學(xué)產(chǎn)量,2025年前煤炭資源依然占據(jù)著能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中的主體地位,合理煤炭產(chǎn)量為33～50億噸,科學(xué)煤炭產(chǎn)量2020年控制在40億噸煤左右,2030年控制在45億噸,其中大部煤炭產(chǎn)量來自西部的淺埋煤層。同時高密度人口城市將面臨“立體”發(fā)展模式,對地下空間的開發(fā)和充分利用,逐步成為衡量城市現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。未來十年是淺埋煤層開采和地鐵建設(shè)的黃金時期。根據(jù)巖體的性能特征提出了地下巖層可能存在的結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)先級別,論述移動下沉場和移動應(yīng)力場的形成過程和空間分布。擬合得到地表下沉盆地的發(fā)育過程和地表下沉計(jì)算公式,分析了采場開采過程中頂板巖層的不平衡力、位移、支承壓力、速率場和主應(yīng)力場的形成變化過程。得到采場上覆巖層結(jié)構(gòu)的空間分布特征,找到采場壓力的主要來源,推進(jìn)過程中的危險(xiǎn)時期和危險(xiǎn)區(qū)域,以便科學(xué)合理計(jì)算采場壓力和利用礦山壓力為我們服務(wù)。對比不同材料承重結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、撓度和彎矩變形特性發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)形式所具備的性能特征不同,地下巖層結(jié)構(gòu)自然環(huán)境下蛻變路徑為殼→拱、板→梁,由高級向低級蛻變。若要充分發(fā)揮材料自身的穩(wěn)定性能,我們需要對其做功(支護(hù)),使材料的結(jié)構(gòu)逆向發(fā)展路徑為梁→拱、板→殼。地下巖層抗壓不抗拉,在工作面推進(jìn)過程存在著殼→拱、板→梁結(jié)構(gòu)或它們的組成形式,結(jié)構(gòu)形式隨工作面的推進(jìn)而不斷發(fā)展和變化。根據(jù)地表下沉盆地分布特征規(guī)律和采場壓力變化特征提出地表移動下沉場和移動應(yīng)力場兩種結(jié)構(gòu)模型。地表移動下沉盆地和移動應(yīng)力場是一個逐漸形成的過程,在工作面推進(jìn)π分之四倍埋深(4H/π)時形成。根據(jù)涼水井煤礦地質(zhì)資料建立長×寬×高500m×400m× 120m三維大尺寸數(shù)值模型。模擬采場自開切眼到地表充分采動過程中的地表下沉,對采場上覆巖層作主視、側(cè)視、俯視剖面,再現(xiàn)開采過程中巖層位移場、速率場和應(yīng)力場的形成和動態(tài)變化規(guī)律。地表下沉盆地俯視呈橢圓形分布,主視剖面(推進(jìn)方向)下沉曲線形成過程可分為微變階段、加速階段、衰減階段和充分采動四個階段,分別得出不同推進(jìn)距時的地表下沉量計(jì)算公式。移動下沉場在推進(jìn)4H/π時形成,在開挖邊界前方實(shí)體煤一側(cè)的影響范圍H/π,采空區(qū)一側(cè)的影響范圍2H/π,形成的下沉盆地平底寬度為推進(jìn)長度L-4H/π。地表下沉曲線的拐點(diǎn)起始位置均在實(shí)體煤一側(cè)十倍采高(10M)以外,隨工作面推進(jìn)拐點(diǎn)向采空區(qū)一側(cè)轉(zhuǎn)移。采空區(qū)側(cè)向地表下沉拐點(diǎn)迅速向采空區(qū)一側(cè)轉(zhuǎn)移,在推進(jìn)距H/π時偏移到采空區(qū)一側(cè)最大值8M,隨后拐點(diǎn)偏移距逐漸回移最終穩(wěn)定在采空區(qū)一側(cè)3M。采空區(qū)前方和后方地表下沉曲線拐點(diǎn)偏移距在采場初次來壓之前呈線性向采空區(qū)一側(cè)轉(zhuǎn)移,推進(jìn)距為4H/π時后側(cè)拐點(diǎn)徘徊在采空區(qū)一側(cè),偏移距等于采高M(jìn)。地表前側(cè)下沉曲線始終受到采動影響,拐點(diǎn)偏移距在采空區(qū)一側(cè)5M～12M之間波動。對工作面走向下沉曲線拐點(diǎn)位置變化分析得工作面不同推進(jìn)距離的計(jì)算公式,采空區(qū)后方拐點(diǎn)位置與推進(jìn)距表現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)關(guān)系,前側(cè)拐點(diǎn)與推進(jìn)距離表現(xiàn)出乘冪函數(shù)關(guān)系。根據(jù)采場上方各層位巖層下沉形態(tài)和下沉曲線特征,結(jié)合工作面推進(jìn)距L和采場埋深H的比值關(guān)系將采場上方巖層運(yùn)動過程分為微變(≤H/π)、突變(H/π～3H/4)、過渡(3H/4～4H/π)、穩(wěn)定(≥4H/π)四個變化區(qū)間。淺埋煤層頂板巖層表現(xiàn)出同步變形,微變階段頂板變形量小,少量離層發(fā)育,巖層的位移和應(yīng)力主要局限在直接頂區(qū)域。突變階段頂板巖層位移開始表現(xiàn)出拱→梁→橢圓曲線的結(jié)構(gòu)形式,空間分布為橢圓包裹的上拱下梁結(jié)構(gòu)。過渡階段不同層位巖層中的位移拱不同,越靠近煤層下沉值越大,拱高越低,矢跨比越小,稱為扁拱或拋物線拱。層位越高巖層位移值越低,拱的矢跨比越大,稱為圓弧拱。巖層自下而上的拱結(jié)構(gòu)形式為扁拱→拋物線拱→圓弧拱,當(dāng)圓弧拱發(fā)育地表后,破斷成橢圓曲線。工作面前方煤體移動支承壓力在波動中上升,壓力系數(shù)在1.5～3.4之間,峰值在煤壁前方0-35m之間來回波動。工作面中部壓力普遍高于端部,與端部相比峰值壓力和位置時而同步變化,時而相背離運(yùn)動,表現(xiàn)出工作面來壓顯現(xiàn)的多樣性。超前支承壓力的影響范圍約等于埋深H,影響明顯的區(qū)域?yàn)槊罕谇胺?0m。工作面推進(jìn)H/3-H/2時發(fā)生初次來壓,推進(jìn)πH/2中部壓力達(dá)到最大值,推進(jìn)距L∈(H,W)是工作面中部重點(diǎn)關(guān)注時期。端部位置工作面推進(jìn)πH/4出現(xiàn)了局部最大值,即推進(jìn)距πH/4和見方(L=W)時是工作面端部區(qū)域重點(diǎn)關(guān)注時期。移動速率場是由速率梁和速率拱組成,通常為下梁上拱結(jié)構(gòu)。梁長30m-45m,梁體內(nèi)部的速率呈拱形分布,中部速率高于前后方。不同矢跨比的速率拱作用在速率梁的位置不同,離層的存在使得速率梁遠(yuǎn)大于上方巖層的速率拱,速率拱-梁效應(yīng)更加明顯,進(jìn)而對采場壓力的作用程度不同。巖層速率自下而上不斷遞減,主視剖面呈橢圓分布,可近似看成倒梯形分布,底邊長度(H/3～2H/3),上邊界地表長度(2H/π～4H/π),隨工作面推進(jìn)不斷前移。對采場壓力有速率影響的巖層范圍為采空區(qū)后方H/2,采空區(qū)后側(cè)3H/4以外的巖層速率已衰減為零。直接頂巖層形成移動速率梁,梁長在23m-38m之間變化,速率大小隨工作面推進(jìn)發(fā)生周期性波動,波動進(jìn)度區(qū)間10～25m,步距平均17.5m。工作面實(shí)際生產(chǎn)中周期來壓步距平均16m,周期來壓明顯,模擬結(jié)果和實(shí)際相符。移動主應(yīng)力場和速率場的分布范圍和變化規(guī)律較為相似,影響范圍為煤壁前方35m,約等于H/π,在采空區(qū)一側(cè)影響范圍80m,約等于2H/π。主應(yīng)力場和速率場在主視剖面呈橢圓、立體呈橢球狀分布在采場上方,隨工作面推進(jìn)不斷前移。移動速率場拱口向上,而主應(yīng)力場拱口向下,二者結(jié)合組成了移動應(yīng)力場。根據(jù)10個淺埋煤層工作面的鉆孔柱狀圖和開采技術(shù)條件,采用巖層的強(qiáng)度和厚度與煤層的強(qiáng)度和采高比值大小,將淺埋采場上覆巖層劃分為軟薄巖層-Weak and Laminated Strata (WL)、軟厚巖層-Weak and Massive Strata (WM)、硬薄巖層-Strong and Laminated Strata(SL)、硬厚巖層-Strong and Massive Strata(SM)四類結(jié)構(gòu)巖層。然后采用采高(M)、采場埋深(H)、工作面長度(W)、(WL)、(WM)、(SL)、 (SM)7個影響因子對采場壓力進(jìn)行主成分分析和共線性分析,得知采場埋深H與(WL)、(WM)、(SL)、(SM)四種影響因子出現(xiàn)嚴(yán)重共線性重合,進(jìn)而將7個影響因子分成采高、采場埋深、工作面長度模型1和采高、工作面長度、(WL)、(WM)、 (SL)、(SM)模型2兩組因子模型。以采場支架壓力為目標(biāo)函數(shù),分別對模型1和模型2進(jìn)行多元回歸分析得計(jì)算公式1和公式2,公式表明采場壓力與采高、工作面長度和埋深表現(xiàn)出正相關(guān),采高的權(quán)重大于工作面長度大于采場埋深。應(yīng)用分析表明公式1和2在淺埋深(H400m)時可以得到較好地應(yīng)用,公式1計(jì)算精度高于公式2。但是公式1局限于淺埋煤層使用,公式2可廣泛應(yīng)用于不同深度采場支架壓力的計(jì)算。對采場壓力計(jì)算公式采用VB程序編程得到液壓支架阻力計(jì)算軟件,繪出了支架壓力與埋深、工作面長度和采高的對應(yīng)關(guān)系。
【關(guān)鍵詞】：地表下沉 位移場 速率場 應(yīng)力場 支架阻力
【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】：2015
【分類號】：TD325
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第一章 引言15-25
• 1.1 研究背景及研究意義16-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-20
• 1.2.1 淺埋煤層的概念17-18
• 1.2.2 采場頂板巖層結(jié)構(gòu)假說18-20
• 1.3 淺埋地表下沉及中國液壓支架裝備現(xiàn)狀20-22
• 1.3.1 地表下沉現(xiàn)狀20
• 1.3.2 中國液壓支架裝備現(xiàn)狀20-22
• 1.4 存在的科學(xué)難題22
• 1.5 論文研究內(nèi)容與研究方法22-24
• 1.5.1 主要研究內(nèi)容22-23
• 1.5.2 研究思路與技術(shù)路線23-24
• 1.6 本章小結(jié)24-25
• 第二章 巖層運(yùn)動結(jié)構(gòu)形式的理論分析25-37
• 2.1 材料承重結(jié)構(gòu)形式的比較25-29
• 2.1.1 桿與梁的比較25-26
• 2.1.2 梁與拱的比較26-27
• 2.1.3 梁與板的比較27-28
• 2.1.4 殼與板的比較28-29
• 2.2 地下采場的巖層結(jié)構(gòu)29-33
• 2.2.1 拱梁蛻變形式29-30
• 2.2.2 地表移動下沉場結(jié)構(gòu)模型30-32
• 2.2.3 移動應(yīng)力場結(jié)構(gòu)模型32-33
• 2.3 三維數(shù)值模擬建立與參數(shù)33-36
• 2.3.1 數(shù)值模擬及模型參數(shù)33-35
• 2.3.2 計(jì)算參數(shù)35-36
• 2.4 本章小結(jié)36-37
• 第三章 地表移動下沉場過程分析37-71
• 3.1 采場上方地表下沉過程37-39
• 3.2 微變階段地表下沉分析39-43
• 3.2.1 微變階段走向(工作面推進(jìn)方向)地表下沉分析39-42
• 3.2.2 微變階段傾向(工作面布置方向)地表下沉分析42-43
• 3.2.3 微變階段地表下沉曲線公式及參數(shù)數(shù)據(jù)表43
• 3.3 加速階段地表下沉分析43-49
• 3.3.1 加速階段走向(工作面推進(jìn)方向)地表下沉分析44-46
• 3.3.2 加速階段側(cè)向地表下沉曲線分析46-48
• 3.3.3 加速階段地表下沉曲線公式及參數(shù)匯總48-49
• 3.4 衰減階段地表下沉分析49-56
• 3.4.1 衰減動階段走向地表下沉曲線分析50-54
• 3.4.2 衰減階段側(cè)向地表下沉曲線分析54-55
• 3.4.3 衰減階段地表下沉曲線公式及參數(shù)匯總55-56
• 3.5 充分采動階段地表下沉分析56-64
• 3.5.1 充分采動階段走向地表下沉曲線分析57-61
• 3.5.2 充分采動階段傾向地表下沉曲線分析61-62
• 3.5.3 充分采動階段地表下沉曲線公式及參數(shù)匯總62-64
• 3.6 地表移動下沉場參數(shù)分析64-70
• 3.6.1 拐點(diǎn)位置變化分析64-66
• 3.6.2 充分采動角、邊界角分析66-68
• 3.6.3 邊界點(diǎn)、最大下沉量及下沉系數(shù)分析68-69
• 3.6.4 地表下沉曲線斜率變化分析69-70
• 3.7 本章小結(jié)70-71
• 第四章 工作面移動應(yīng)力場變化規(guī)律研究71-107
• 4.1 采場頂板巖層位移過程分析71-72
• 4.2 A微變階段頂板巖層運(yùn)動分析72-80
• 4.2.1 A微變階段不平衡力分析72-73
• 4.2.2 A微變階段位移云圖分析73-75
• 4.2.3 A微變段支承壓力變化分析75-77
• 4.2.4 A微變階段速率場分析77-78
• 4.2.5 A微變階段主應(yīng)力分析78-80
• 4.3 B突變階段頂板巖層運(yùn)動分析80-87
• 4.3.1 B突變階段圍巖不平衡力分析80
• 4.3.2 B突變階段頂板位移云圖分析80-82
• 4.3.3 B突變階段移動支承壓力變化分析82-84
• 4.3.4 B突變段頂板巖層移動速率場分析84-85
• 4.3.5 B突變階段主應(yīng)力場分析85-87
• 4.4 C過渡階段頂板巖層運(yùn)動分析87-94
• 4.4.1 C過渡階段不平衡力分析87
• 4.4.2 C過渡階段頂板位移云圖分析87-89
• 4.4.3 C過渡階段移動支承壓力變化分析89-90
• 4.4.4 C過渡階段頂板巖層速率場分析90-92
• 4.4.5 C過渡階段采場頂板主應(yīng)力場分析92-94
• 4.5 D平穩(wěn)變化階段采場頂板巖層運(yùn)動分析94-101
• 4.5.1 平穩(wěn)變化階段圍巖不平衡力分析94-95
• 4.5.2 平穩(wěn)變化階段頂板位移云圖分析95-96
• 4.5.3 平穩(wěn)變化階段移動支承壓力變化分析96-98
• 4.5.4 平穩(wěn)變化階段頂板速率場分析98-100
• 4.5.5 采場頂板主應(yīng)力矢量場分析100-101
• 4.6 采場巖層運(yùn)動參數(shù)變化分析101-105
• 4.6.1 移動支承壓力變化分析101-102
• 4.6.2 移動速率場分析102-104
• 4.6.3 移動主應(yīng)力場分析104-105
• 4.7 本章小結(jié)105-107
• 第五章 淺埋煤層采場支架壓力的計(jì)算研究107-121
• 5.1 采場壓力的分析107
• 5.2 采場上覆巖層歸類分析107-109
• 5.2.1 采場頂板巖層的分類107-109
• 5.2.2 四種類別巖層性質(zhì)分析109
• 5.3 采場支架壓力的主成分分析109-114
• 5.3.1 采場支架壓力變量選取109-112
• 5.3.2 自變量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及相關(guān)系數(shù)矩陣112
• 5.3.3 計(jì)算R的特征值及方差貢獻(xiàn)率112-113
• 5.3.4 選取變量113-114
• 5.4 支架多元回歸方程及殘差分析114-118
• 5.4.1 采場壓力影響因子共線性分析114-115
• 5.4.2 采場壓力多元線性回歸方程的建立115-116
• 5.4.3 回歸方程的殘差分析116-118
• 5.5 支架計(jì)算公式的應(yīng)用分析118-119
• 5.6 本章小結(jié)119-121
• 第六章 結(jié)論與展望121-125
• 6.1 論文的主要結(jié)論121-123
• 6.2 論文的主要創(chuàng)新點(diǎn)123
• 6.3 存在的問題和研究展望123-125
• 參考文獻(xiàn)125-133
• 致謝133-135
• 作者簡介135
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文135
• 在學(xué)期間參加科研項(xiàng)目135-136
• 主要獲獎136

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 于學(xué)馥;軸變論與圍巖變形破壞的基本規(guī)律[J];鈾礦冶;1982年01期

2 錢鳴高，繆協(xié)興;采場上覆巖層結(jié)構(gòu)的形態(tài)與受力分析[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);1995年02期

  本文關(guān)鍵詞：淺埋煤層采場上覆巖層運(yùn)動分析及支架阻力研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：304644