【摘要】：我國西部煤炭資源儲量巨大且開發(fā)優(yōu)勢明顯,煤層具有淺埋深、基巖薄、厚風(沖)積沙覆蓋的典型特點,但脆弱的生態(tài)環(huán)境和采動誘發(fā)災害問題也嚴重制約著西部礦區(qū)發(fā)展。淺埋煤層開采易造成基巖層全厚破斷失穩(wěn),工作面來壓存在強弱周期性,頂板切落致災及工作面壓架問題突出,覆巖冒落帶滑落失穩(wěn)嚴重威脅著采場安全。本文分別以神東礦區(qū)典型淺埋薄基巖和厚基巖煤層開采為工程背景,基于巖層控制關(guān)鍵層理論和壓力拱理論,根據(jù)各采動階段巖層破斷運移規(guī)律,構(gòu)建了近場覆巖關(guān)鍵塊對稱壓力拱、臺階壓力拱、回轉(zhuǎn)壓力拱及遠場覆巖壓力拱結(jié)構(gòu)力學模型,解析推導了壓力拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性力學判據(jù)及承載能力表征指標。利用相似模擬試驗和數(shù)值模擬驗證分析了近場及遠場覆巖復合壓力拱演化特征,揭示了淺埋煤層采場覆巖運移及來壓機理,結(jié)合含水砂巖試樣分級加卸載及不同圍壓三軸壓縮試驗,建立了覆巖壓力拱演化與能量場遷移及耗散耦合響應機制,主要研究成果如下:(1)以神東礦區(qū)大柳塔礦和上灣礦典型淺埋煤層開采為工程背景,構(gòu)建了近場覆巖關(guān)鍵塊對稱壓力拱、臺階壓力拱及回轉(zhuǎn)壓力結(jié)構(gòu)力學模型,解析推導了關(guān)鍵塊壓力拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判據(jù),并分析了邊界水平應力分布特征對壓力拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響;利用UDEC軟件對不同基巖厚度及初始水平應力條件下淺埋煤層開采進行了數(shù)值模擬計算,驗證分析了近場及遠場覆巖復合壓力拱演化特征及水平主應力分布規(guī)律。(2)基于彈性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論和突變理論,通過建立采場懸露巖層歐拉結(jié)構(gòu)力學模型,解析推導了裂隙巖層彎曲破斷失穩(wěn)方程,分析了近場斷裂覆巖壓力拱結(jié)構(gòu)的不同失穩(wěn)模式及巖層撓度、厚跨比和初始回轉(zhuǎn)角因素的影響性;應用數(shù)值模擬計算,分析了薄基巖基本頂關(guān)鍵塊壓力拱結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)、回轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)特征及相應來壓規(guī)律,利用多層位近場覆巖交替失穩(wěn)特征及運移規(guī)律揭示了淺埋煤層工作面頂板臺階切落及強弱周期來壓的誘發(fā)機制。(3)考慮薄基巖厚松散層和厚基巖薄松散層兩種典型淺埋煤層開采工況,利用相似材料模擬試驗對淺埋煤層開采過程中覆巖結(jié)構(gòu)演化特征和覆巖應力分布規(guī)律進行了分析,得出了不同采動階段采場各層位覆巖結(jié)構(gòu)形式及組合關(guān)系,分析了薄基巖采場與厚基巖采場覆巖結(jié)構(gòu)承載能力差異性,闡釋了近場覆巖壓力拱與遠場覆巖壓力拱復合承載機制。(4)根據(jù)采場覆巖載荷傳遞規(guī)律及覆巖壓力成拱特性,提出了遠場覆巖壓力成拱指標k、壓力拱核區(qū)判定指標k_c及核區(qū)率指標R_c,并利用上述指標對采動巖層各區(qū)域進行了合理劃分;利用FLAC~(3D)軟件對于淺埋厚基巖煤層開采過程中遠場覆巖壓力拱演化特征進行了數(shù)值模擬分析,結(jié)合fish語言編程分析了不同采動階段遠場覆巖壓力拱范圍及承載情況,并分析了工作面長度、采高、覆巖質(zhì)量級別及巖性組合效應不同工況因素對巖層壓力拱各區(qū)域尺寸及承載情況的影響。(5)根據(jù)壓力拱影響下采場覆巖受載特性,設(shè)計了含水砂巖試樣分級加卸載及不同圍壓下三軸壓縮試驗,揭示了不同加載路徑條件下巖樣能量演化特征,闡釋了圍壓效應和含水率效應對巖樣能量演化特征的影響;基于試驗中巖樣彈性能擬合方程,建立了巖樣能量積聚與釋放的突變模型;利用FLAC~(3D)軟件內(nèi)置應變能計算功能和fish語言編程,對淺埋煤層采動過程中覆巖能量積聚、釋放及耗散特征進行了模擬分析,揭示了不同采動階段壓力拱各區(qū)域巖層能量演化特征。
【圖文】：

.2 研究方法及技術(shù)路線本文以國家自然科學基金面上項目“采掘擾動圍巖三維壓力拱演化特征控機制”（51474188）為依托，以神東礦區(qū)典型淺埋煤層開采為工程背景學模型理論分析、相似材料模擬、巖石力學試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的綜法�；趲r層控制關(guān)鍵層理論和壓力拱理論，考慮巖層水平應力分布影了近場覆巖壓力拱結(jié)構(gòu)力學模型，解析推導了各類壓力拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性力探討可能出現(xiàn)的失穩(wěn)情況；考慮薄基巖厚松散層和厚基巖薄松散層兩種工組合式多功能相似模擬試驗臺，對淺埋煤層采動覆巖結(jié)構(gòu)演化特征進行擬分析；利用 UDEC 軟件 6.0 版本和 FLAC3D軟件 5.0 版本數(shù)值模擬軟件覆巖壓力拱和能量場耦合演化特征進行綜合分析。采用的技術(shù)路線如下：

圖 2-3 采場圍巖支承壓力分布特征g.2-3 Distribution of the supporting pressure of mined-out a斷被采出，原來作用于煤層上的覆巖重力失去載體場上部懸露緩沉巖層及地表松散層重力作用于空區(qū)受載荷部分轉(zhuǎn)移至遠場圍巖，遠場圍巖承擔載荷增重新分布。根據(jù)以往研究結(jié)果，如圖 2-3 所示，在采降低區(qū)，沿工作面走向冒落帶巖層內(nèi)存在支撐壓力存在增壓區(qū)，沿工作面傾向采空區(qū)左右兩側(cè)圍巖同來源于近場斷裂覆巖、遠場緩沉巖層及地表松散層壓力拱作用區(qū)域。
【學位授予單位】：河南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD32

【參考文獻】

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本文編號：2592566