【摘要】：隨著煤炭資源開(kāi)采水平的加深,地質(zhì)條件愈來(lái)愈復(fù)雜,井下生產(chǎn)狀況愈來(lái)愈嚴(yán)峻,需對(duì)機(jī)械化開(kāi)采及工作面穩(wěn)定性狀況進(jìn)行深入細(xì)致的了解。首先,采用理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)相結(jié)合的方法,在前人積累的寶貴理論及試驗(yàn)基礎(chǔ)上,提出圍壓下煤巖截割峰值力計(jì)算方法,設(shè)計(jì)并進(jìn)行在圍壓下的煤巖截割力學(xué)試驗(yàn),綜合理論及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)不同工況下煤巖崩落前裂隙發(fā)育、變形破碎及耗能特征進(jìn)行深入研究;其次,考慮煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中頂板增壓荷載的多樣化,對(duì)開(kāi)采過(guò)程中堅(jiān)硬頂板變形、內(nèi)力及斷裂步距變化特征進(jìn)行系統(tǒng)研究;最后,依據(jù)沿空煤巷底板全場(chǎng)非對(duì)稱受力狀況,闡述底鼓機(jī)理,并對(duì)巷道底板變形及內(nèi)力變化規(guī)律進(jìn)行研究。成果如下:(1)結(jié)合工作面煤巖承壓破碎條件及采掘過(guò)程中巖齒相互作用狀況,提出基于Evans理論在圍壓下鎬形截齒煤巖截割峰值破壞力等參數(shù)的計(jì)算方法,并進(jìn)一步結(jié)合截割試驗(yàn)結(jié)果對(duì)截割峰值力計(jì)算方法進(jìn)行修正。理論研究結(jié)果表明:基于曲線型強(qiáng)度準(zhǔn)則的理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果具有較強(qiáng)的吻合程度。隨著截割圍壓的增加,截割峰值荷載呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律,崩落角表現(xiàn)出呈對(duì)數(shù)增加特性,其上限為180°;而當(dāng)考慮截割圍壓且保持不變時(shí),隨著煤巖抗拉強(qiáng)度的提高,崩落角呈負(fù)指數(shù)減小,其下限為120°。隨著截割厚度及截齒半錐角的增加,截割峰值荷載持續(xù)增加。(2)通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn),針對(duì)鎬形截齒煤巖截割進(jìn)行了圍壓、侵入體半錐角、截割厚度、侵入速率、侵入角度、材料普氏系數(shù)及截割間距變化對(duì)截割力學(xué)效應(yīng)及能耗特征的研究。結(jié)果表明:截割要素對(duì)于截割峰值荷載、侵入系數(shù)、崩落體重量及比能耗等具有重要影響,易造成煤巖侵入難度、塊煤率及截齒磨損等的改變。圍壓的存在雖然增加侵入系數(shù)及峰值荷載,但會(huì)造成崩落體重量的顯著增加,進(jìn)而降低比能耗。由于截割圍壓的增加,對(duì)于鎬形截齒煤巖連續(xù)截割,最佳截距比發(fā)生增長(zhǎng):當(dāng)圍壓為4MPa時(shí),最佳截距比為3;而在無(wú)圍壓時(shí),最佳截距比為2。(3)基于彈性地基梁原理,提出適應(yīng)于任意增壓荷載形式的堅(jiān)硬頂板變形及內(nèi)力計(jì)算方法,獲得了斷裂步距變化規(guī)律。結(jié)果表明:地基剛度由大變小時(shí),頂板跨中撓度明顯增大,增壓荷載作用下煤壁內(nèi)頂板彎矩極值增加;支護(hù)阻力作用下,煤壁內(nèi)彎矩極值明顯減小,其位置向煤壁靠攏;地基剛度對(duì)斷裂步距影響較小,峰值荷載位置越靠近煤壁初次斷裂步距越小,且地基剛度較小時(shí),采空區(qū)跨中易產(chǎn)生初次斷裂。(4)采用依據(jù)彈性地基梁原理進(jìn)行堅(jiān)硬頂板變形及內(nèi)力研究的方法,結(jié)合沿空巷道底板全場(chǎng)受力特征,得到了非對(duì)稱沿空煤巷底板變形及內(nèi)力的變化規(guī)律。即,隨著沿空煤巷埋深的增加,巷內(nèi)底鼓量及底板彎矩均相應(yīng)增加,并且煤巷埋深與底鼓極值之間具有明顯的線性關(guān)系;結(jié)合煤炭資源開(kāi)采率及沿空煤巷底鼓維護(hù)因素,宜采用窄煤柱護(hù)巷;底板抗彎剛度的增加,引起巷內(nèi)底鼓量減小,但過(guò)大的底板抗彎剛度會(huì)提升巷內(nèi)底板彎矩,造成巷內(nèi)底板的向巷內(nèi)斷裂。
【圖文】：

圖 2-1 采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)示意圖Figure 2-1 Map of cutting mechanism of Coal miner and Diggers對(duì)于深部地下開(kāi)采過(guò)程中采區(qū)及井巷的煤巖狀態(tài)，有很多國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究，并分別提出了塑性破壞[67,68]及極限平衡區(qū)[69~71]等相關(guān)概念。采區(qū)工作面及井巷掘進(jìn)工作面的待開(kāi)采圍巖應(yīng)處于塑性破壞狀態(tài)，然而由于工作面采空區(qū)一側(cè)的無(wú)約束行為及深部煤巖的變形破壞來(lái)釋放壓力等行為，使得待截割圍巖并非處于完全破碎狀態(tài)，而是組成以完整塊狀巖石為主體的裂隙承壓破壞區(qū)。該區(qū)域巖體不僅受到來(lái)自于上覆巖層的一部分重力，而且受到來(lái)自于工作面周邊頂?shù)装宓膴A持及摩擦作用，成為極限破壞區(qū)。本處對(duì)采區(qū)開(kāi)采及井巷掘進(jìn)的圍巖承受鎬形截齒的截割模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，認(rèn)為：在圍巖截割過(guò)程中，待截割煤巖是需要承受一定圍壓的，而不同的圍巖壓力對(duì)煤巖截割會(huì)產(chǎn)生不同的影響，即深部工作面開(kāi)采為圍壓下的煤巖截割，如圖 2-2 所示。其中 p 為截割圍壓，h 為截割厚度，β 為侵入角度。

圖 2-6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Figure 2-6 Testing system(3) 橫向圍壓約束系統(tǒng)為了使模型受力滿足圖 2-2 所示的煤巖受力特征，本次試驗(yàn)加工了一個(gè)約束裝置（見(jiàn)圖 2-7），該約束系統(tǒng)由巖樣夾持鋼板及千斤頂構(gòu)成，其中千斤頂包括兩個(gè)，均為 RSM-200型 20T 薄型千斤頂；巖樣的實(shí)驗(yàn)圍壓通過(guò)千斤頂液壓管外接的 MIK-P300 型壓力變送器及 MIK-R200D 型四通道無(wú)紙記錄儀進(jìn)行監(jiān)控與維持。該系統(tǒng)對(duì)煤巖試樣的兩個(gè)側(cè)面進(jìn)行法向恒壓約束，前方為自由面，在試樣上表面臨近自由面邊界處進(jìn)行截齒的近邊界侵入實(shí)驗(yàn)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD32

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2641522