【摘要】：本文基于礦山工程力學、巖石力學、煤礦開采學等相關理論成果,綜合運用理論分析、實驗室實驗、數(shù)值模擬、相似模擬以及現(xiàn)場實測等研究方法,對煤層群開采圍巖應力殼時空演化特征進行了系統(tǒng)深入的研究。開展了工作面初次采動后采場底板圍巖應力場動態(tài)重分布規(guī)律研究,揭示了采場底板圍巖應力殼產生的力學本質,并建立了主應力力學指標的采場空間劃分方法;研究了初次采動、重復采動時,不同采場結構圍巖的三維采動應力場空間分布形態(tài)、應力集中程度等變化規(guī)律,揭示了煤層群開采圍巖三維應力場的時空演化特征;基于采場圍巖應力殼力學形態(tài)和時空演化規(guī)律,以采場圍巖三維應力場、位移場及破壞場等特征參數(shù)為對象,研究了煤層群開采圍巖應力殼力學特征及其相互作用關系,揭示了深井煤層群開采圍巖力系的演化機制;針對近距離煤層群開采容易誘發(fā)動力災害的難題,提出了近距離煤層群“時間-空間-強度”協(xié)調統(tǒng)一的管理和維護措施,旨在為科學合理的預防和控制礦壓災害提供理論支撐。論文取得了以下主要研究成果:1.研究了工作面初次采動后采場底板圍巖應力場動態(tài)重分布特征,揭示了采場底板圍巖應力殼產生的力學本質基于應力殼理論,構建了煤系地層條件下的橫觀各向同性底板巖體力學模型,研究了工作面初次采動后采場底板圍巖應力場動態(tài)重分布規(guī)律,并得出上部煤層工作面底板圍巖應力場分布特征,最終建立了主應力力學指標的采場空間劃分方法。主要結論如下:(1)采場底板巖層空間采動應力的分布規(guī)律為:采動水平應力和采動垂直應力具有區(qū)域性特點,且水平應力影響深度遠小于垂直應力。(2)在殼基高應力作用下,煤壁或開切眼位置附近區(qū)域的底板巖層為最大主應力增高區(qū),隨著深度的增加最大主應力峰值不斷減小,并逐漸遠離煤壁斜向采空區(qū)側轉移,使得采空區(qū)底板巖層在一定深度范圍會出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象,形成由高應力束組成的應力殼,進一步揭示了采場底板圍巖應力殼產生的力學本質。(3)基于采場底板圍巖采動應力分布和力學環(huán)境的差異性,結合應力殼理論成果提出了底板巖層的“四區(qū)三帶”劃分,即沿水平劃分為原巖應力區(qū)、過渡區(qū)、應力增高區(qū)和卸壓區(qū),沿垂直劃分為卸壓帶、應力增高帶和原巖應力帶。2.揭示了煤層群開采圍巖三維應力場空間展布形態(tài)和時空演化規(guī)律采用數(shù)值模擬和相似模擬方法對比分析煤層群開采條件下,初次采動、重復采動時,不同采場結構圍巖的三維采動應力場空間分布形態(tài)、應力集中程度等變化規(guī)律,揭示了煤層群開采圍巖三維采動應力場的時空演化特征。主要結論如下:(1)煤層群重復開采條件下,采場圍巖也存在由高應力束組成的應力殼,其特點是殼體中的主應力最大,殼體內、外巖體的主應力值相對較小,且應力殼內為被保護的低應力區(qū)。(2)下伏煤層初采階段,采場圍巖宏觀應力場發(fā)生了較大的變化,即“下應力殼”和“上應力殼”同時存在,其中“下應力殼”殼體位于上、下伏煤層之間的巖層中,殼基位于下伏煤層工作面前、后未采煤巖體內�！跋聭ぁ笔窍路簩庸ぷ髅娉醪呻A段最主要的承載力系,其形態(tài)與采場結構參數(shù)有關。(3)煤層群重復采動過程中,下伏煤層工作面經歷了“下應力殼”的產生、演化直至消失等過程,殼基處應力位置及大小不斷地發(fā)生變化,另外,“上應力殼”殼體上的應力集中程度和集中范圍也逐漸增加,開切眼后方未采煤巖體內的“上應力殼”殼基逐漸向斜下方轉移,直至與“下應力殼”殼基融為一體,最終形成更大的宏觀應力殼。(4)當“下應力殼”和“上應力殼”融為一體時,宏觀應力殼高度得到進一步增大,使得工作面瞬間將承受較大的采動應力。3.研究了煤層群開采圍巖應力殼力學特征及其相互作用關系基于采場圍巖應力殼力學形態(tài)和時空演化規(guī)律,以采場圍巖三維應力場、位移場及破壞場等特征參數(shù)為對象,對煤層群下行開采圍巖應力殼力學特征及其相互作用關系進行了研究,揭示了深井煤層群開采圍巖力系的演化機制。主要結論如下:(1)下伏煤層工作面初采階段,上、下伏煤層層間巖層中的水平應力遠大于垂直應力,水平應力在工作面前方頂板出現(xiàn)峰值,此時最大主應力矢量受控于水平應力的作用,應力產生集中且方向逐漸偏轉,進而形成“下應力殼”。(2)下伏煤層工作面初采階段,隨著工作面的推進,采場圍巖破壞場、位移場影響范圍不斷擴大,但其僅對層間巖層擾動劇烈,這是因為此時采場圍巖“下應力殼”和“上應力殼”同時存在,而“下應力殼”作為下伏煤層工作面推進過程中最主要的承載力系,圍巖破壞、位移等主要發(fā)育在其下方的卸壓區(qū)內,故兩工作面采場圍巖破壞場、位移場之間相互影響不大。4.提出了近距離煤層群“時間-空間-強度”協(xié)調統(tǒng)一的管理措施以淮南礦區(qū)謝橋煤礦8煤和6煤近距離煤層群協(xié)調開采為工程背景,基于煤層群開采圍巖應力殼力學特征及時空演化規(guī)律研究成果,對近距離煤層群“時間-空間-強度”協(xié)調統(tǒng)一開采難題進行現(xiàn)場應用研究,進一步揭示深井煤層群開采圍巖力系的演化機制,旨在為科學合理的預防和控制礦壓災害提供理論支撐。主要結論如下:(1)隨著工作面的推進,上伏煤層工作面殼基對下伏煤層工作面的影響逐漸增大,尤其當上、下兩個應力殼即將融合為一個整體應力殼時,其煤壁前方殼基最大主應力達到峰值,致使工作面支架支護阻力急劇增大。與此同時,采場圍巖應力場、位移場、裂隙場、破壞場以及能量場等均發(fā)生了顯著的變化,具體表現(xiàn)為下伏煤層工作面煤壁前方支承壓力達到峰值,而水平應力場始終保持在卸壓狀態(tài),造成工作面區(qū)域垂直應力集中特征更加明顯,同時,下伏煤層和上伏煤層工作面采空區(qū)覆巖垂直位移場、裂隙場相互疊加,致使其上方部分已經受開采擾動的巖層區(qū)域重新被活化,采場頂板巖層破壞高度突然增大,兩帶高度增長速率亦明顯變大,采場圍巖能量場急劇變化,這在一定程度上會引起工作面礦壓顯現(xiàn)的加劇,進而造成煤壁片幫冒頂以及工作面壓架等事故發(fā)生,故應當對該區(qū)域進行重點防范。(2)基于煤層群開采圍巖應力殼力學特征及時空演化規(guī)律,遵循適當?shù)臅r間、合理的空間、適當?shù)拈_采強度的原則,提出了近距離煤層群“時間-空間-強度”協(xié)調統(tǒng)一的管理措施。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD311

【參考文獻】

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本文編號：2572981