厚煤層綜放開(kāi)采是厚煤層安全高效開(kāi)采的主要方法之一。綜放開(kāi)采時(shí)頂煤的充分破碎是提高頂煤回收率的關(guān)鍵。已有研究表明,支承壓力區(qū)煤體裂隙的發(fā)育程度對(duì)頂煤的破碎塊度影響較大,且不同強(qiáng)度煤體在采動(dòng)應(yīng)力作用下呈現(xiàn)出不同的演化模式。支承壓力區(qū)煤體的裂隙發(fā)育與煤體所受軸向、側(cè)向應(yīng)力大小及作用路徑也有較大關(guān)系。為此,論文基于忻州窯礦11&12#堅(jiān)硬煤層,運(yùn)用理論、數(shù)值模擬和試驗(yàn)等方法,研究了堅(jiān)硬頂煤經(jīng)歷“原巖應(yīng)力區(qū)預(yù)裂弱化-支承壓力區(qū)擾動(dòng)-支架控頂區(qū)升降擾動(dòng)”全過(guò)程中的破壞機(jī)理,主要從以下幾方面開(kāi)展了工作:（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行煤樣單軸壓縮試驗(yàn),并總結(jié)了前人對(duì)忻州窯礦巖石力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力的研究結(jié)果,確定論文研究采用的煤體力學(xué)參數(shù)為單軸抗壓強(qiáng)度29.29 MPa、彈性模量26.9 GPa、泊松比0.23,確定8935工作面的地應(yīng)力在10 MPa左右。（2）結(jié)合以往堅(jiān)硬煤層弱化的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),預(yù)裂爆破的方法對(duì)堅(jiān)硬煤體的弱化具有較好的效果。但由于缺乏相關(guān)的理論支撐,爆破方案主要通過(guò)觀測(cè)頂煤放出效果適當(dāng)改進(jìn),沒(méi)有形成科學(xué)的優(yōu)化方法。論文基于有限元?jiǎng)恿Ψ治龇椒ㄒ氡飘a(chǎn)生的壓力p與煤體孔隙率α關(guān)系為... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

單孔巖石爆破時(shí)裂隙演化過(guò)程

分析裂隙擴(kuò)展的規(guī)律。由于 PFC 能夠較好的模擬顆粒的位移特性，該方法能計(jì)算得出直觀的爆破裂隙，但由于未考慮爆生氣體對(duì)巖石的影響，計(jì)算得出的裂隙范圍較實(shí)際值小。王志亮等[47]總結(jié)了有限元方法、離散元方法在分析動(dòng)力問(wèn)題時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，運(yùn)用有限元軟件 LS-DYNA 對(duì)爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波進(jìn)行計(jì)算，然后將炮孔壁處的壓力時(shí)程曲線導(dǎo)入離散元軟件 UDEC 中，模擬節(jié)理巖體在爆破過(guò)程中的破壞情況，該方法為研究節(jié)理巖體的爆破問(wèn)題提供了一種新思路。HM An 博士[48]通過(guò)每一時(shí)步對(duì)有限元模型中單元間作用力進(jìn)行判定，將超過(guò)單元連接極限的單元進(jìn)行分離處理，并將分離后的單元使用離散元方法進(jìn)行計(jì)算，從而模擬爆破作用下巖石的裂隙擴(kuò)展行為。Yang 博士[49]在其的基礎(chǔ)上，將爆生氣體對(duì)巖石模型的作用考慮在內(nèi)，建立了氣固耦合爆破模型，通過(guò)設(shè)置粘性流體對(duì)開(kāi)裂面的力的傳遞，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爆生氣體驅(qū)動(dòng)裂隙擴(kuò)展的模擬。有限元、離散元和有限元離散元耦合的方法對(duì)于研究巖石爆破各有自身的優(yōu)勢(shì)，三種方法計(jì)算爆破裂隙分布如圖 1.3 所示。

應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行描述，揭示了采場(chǎng)前方煤體變形特征和裂隙發(fā)育規(guī)律，并采用照片和相似模擬的方法對(duì)理論進(jìn)行了驗(yàn)證。謝和平等[66]總結(jié)了我國(guó)深部典型煤礦的開(kāi)采特點(diǎn)，分析了放頂煤開(kāi)采、無(wú)開(kāi)采和保護(hù)層開(kāi)采三種條件下采場(chǎng)前方的支承壓力分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，升軸壓同時(shí)降圍壓的方式來(lái)模擬開(kāi)采過(guò)程的應(yīng)力加載路徑，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了列實(shí)驗(yàn)，得出了各開(kāi)采條件下煤體在相應(yīng)加卸載路徑下的采動(dòng)力學(xué)行為。該是基于固定的加卸載路徑的前提下開(kāi)展的，雖不能精確反應(yīng)煤礦開(kāi)采過(guò)程采方煤體的破壞過(guò)程，但為研究采場(chǎng)前方煤體破壞過(guò)程提供了一種新的思路。堅(jiān)硬煤層放頂煤開(kāi)采時(shí)頂煤在支承壓力作用下難以破壞，在支架頂梁上方呈大塊懸頂結(jié)構(gòu)，如圖 1.4 所示。龐義輝等[69]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析了堅(jiān)硬特層頂煤的懸臂梁模型，得出了機(jī)采高度與頂煤極限懸頂長(zhǎng)度的關(guān)系，運(yùn)用數(shù)擬方法分析了支架頂梁對(duì)頂煤反復(fù)支撐次數(shù)、初撐力大小對(duì)頂煤破壞的影響為提高初撐力和改進(jìn)支架結(jié)構(gòu)參數(shù)能一定程度改善堅(jiān)硬頂煤的破碎效果。然研究忽略了采場(chǎng)支承壓力對(duì)頂煤的損傷作用，研究結(jié)果趨于保守。

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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碩士論文
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