【摘要】：神東礦區(qū)目前主采煤層埋深較淺,一般在200m左右;基巖較薄,一般在30~80m左右,然而在開采過程中經(jīng)常出現(xiàn)片幫、冒頂、沖擊地壓、巷道大變形、地面臺階下沉等現(xiàn)象。神東礦區(qū)煤系地層中含有大量的弱膠結砂巖,這種巖層的成巖時間晚、膠結程度差、強度低、易風化、塑性變形大、各向異性強等。弱膠結巖石的這種特殊的性質(zhì)是神東礦區(qū)發(fā)生片幫、冒頂、臺階下沉、巷道大變形、沖擊地壓等災害的主要原因之一。因此,本文采用地面鉆孔取芯的方法采集了大量的弱膠結砂巖,然后運用掃描電鏡、低場核磁共振對其微觀結構、孔隙率及孔隙分布進行研究,再運用RMT-150C力學實驗機在間接拉伸、單軸壓縮和三軸壓縮下對弱膠結砂巖的力學及聲發(fā)射性質(zhì)進行了研究,并且以聲發(fā)射參數(shù)和孔隙率參數(shù)建立了其損傷理論模型,最后運用PFC~(2D)顆粒流數(shù)值模擬軟件對弱膠結砂巖的細觀結構及力學響應特征進行了研究,得到如下主要研究成果:(1)研究發(fā)現(xiàn)弱膠結砂巖與常規(guī)砂巖的微觀結構、孔隙率、孔隙分布及分形特征存在明顯的差異。弱膠結砂巖的骨架顆粒周圍膠結物很少,顆粒之間的孔隙很大,顆粒的粒度也比較大;弱膠結砂巖的孔隙率較大,其平均值為34.03%,是粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖和粉砂巖的1.73、3.96、10.63、17.91倍;常規(guī)砂巖主要以微小孔為主,但是弱膠結砂巖中的微小孔和中大孔數(shù)量相當。(2)研究發(fā)現(xiàn)弱膠結砂巖與常規(guī)砂巖的密度、波速、崩解特性、抗拉強度、單軸抗壓強度、彈性模量、粘聚力和三軸殘余抗壓強度有明顯的差異,內(nèi)摩擦角沒有顯著差異。弱膠結砂巖的平均密度為2071 kg/m~3,與粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖及粉砂巖相比,弱膠結砂巖密度分別降低了7.1%、11.6%、13.1%、13.9%;弱膠結砂巖的平均波速為775 m/s,與粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖及粉砂巖相比,弱膠結砂巖波速分別降低了65.7%、66.9%、67.8%、72.5%;常規(guī)砂巖泡水后不會發(fā)生崩解,但是弱膠結砂巖泡水后會很快發(fā)生崩解。(3)弱膠結砂巖的平均抗拉強度為0.376MPa,弱膠結砂巖與粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖和粉砂巖的抗拉強度相比分別降低了66.7%、78.3%、92.5%、92.2%;弱膠結砂巖的單軸抗壓強度為5.318MPa,彈性模量為0.723GPa,粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖和粉砂巖的單軸抗壓強度分別是弱膠結砂巖的6.0、7.9、11.1、11.9倍,粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖和粉砂巖的彈性模量分別是弱膠結砂巖的12.4、14.3、13.2、19.2倍;弱膠結砂巖發(fā)生破裂時主要沿著顆粒之間的孔隙發(fā)生破壞,以顆粒相對滑動為主,宏觀破壞主要以I字型破壞為主;弱膠結砂巖的粘聚力為5.41MPa,與粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖和粉砂巖相比,弱膠結砂巖的粘聚力分別降低了83.3%、77.4%、74.5%、81.0%。(4)弱膠結砂巖與常規(guī)砂巖的聲發(fā)射特征存在顯著的差異。常規(guī)砂巖的峰值聲發(fā)射計數(shù)是弱膠結砂巖的峰值聲發(fā)射計數(shù)的20倍左右,弱膠結砂巖與常規(guī)砂巖的聲發(fā)射累計計數(shù)與時間的關系曲線有一定的差異,常規(guī)砂巖的聲發(fā)射累計計數(shù)曲線可以大致分為三個階段,弱膠結砂巖的聲發(fā)射累計計數(shù)曲線可以大致分為四個階段。(5)基于聲發(fā)射參數(shù)以及孔隙率參數(shù)建立一種新的損傷模型。
【圖文】：

度在 5m/d 以上，形成的巨大開采空間。西部地區(qū)由于其特殊的沉積環(huán)境，導致該地區(qū)地層中含有大量的弱膠結巖石，這種巖層的存在會對地表變形、巖層移動、礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、動力災害的發(fā)生與形成過程等有顯著的影響。隨著西部礦井的大規(guī)模建設，弱膠結地層采場頂板、巷道圍巖控制問題逐漸突出。由于弱膠結地層的特殊性，呈現(xiàn)出“巷道圍巖變形遠低于采場圍巖變形”的現(xiàn)象。礦壓顯現(xiàn)劇烈，，頂板大面積切落型破斷、支架沖擊荷載等動力災害時有發(fā)生（圖 1-1~1-3）。(a) 回撤通道頂板動力現(xiàn)象

(a) 回撤通道頂板動力現(xiàn)象（b）采場頂板動力現(xiàn)象圖 1-1 某礦采場頂板沖擊礦壓災害實況Fig.1-1 The impact of rock burst on the roof of a mining stope
【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】：TD313

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 李小帥;唐烈先;張穎;郭鑫;;節(jié)理傾角對巖體破壞特性影響的單軸壓縮數(shù)值試驗[J];遼寧科技大學學報;2015年06期

2 王培濤;楊天鴻;于慶磊;師文豪;;含層理構造黑云變粒巖單軸壓縮試驗及數(shù)值模擬[J];東北大學學報(自然科學版);2015年11期

3 張學朋;蔣宇靜;王剛;李天斌;;基于顆粒離散元模型的巖石蠕變模擬試驗[J];中南大學學報(自然科學版);2015年10期

4 胡政;劉佑榮;牛超穎;溫韜;王康;張凱翼;;基于結構面性狀對巖體力學性質(zhì)響應的模擬研究[J];工程地質(zhì)學報;2015年05期

5 劉希靈;李夕兵;洪亮;尹土兵;饒蒙;;Acoustic emission characteristics of rock under impact loading[J];Journal of Central South University;2015年09期

6 王云飛;王立平;焦華U

本文編號：2639413