本文選題：多年凍土層　切入點：大傾角煤層　出處：《西安科技大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：青海木里煤田已探明煤炭資源儲量約36億t,其中主要為優(yōu)質(zhì)焦煤資源。江倉礦區(qū)娘姆特煤礦作為木里煤田第一個高原高寒地區(qū)大型試驗井工煤礦即將開始試生產(chǎn)。江倉礦區(qū)位于青藏高原北部的多年凍土層連續(xù)分布區(qū)。由于多年凍土層的厚度大、整體性好,煤層開采時上覆多年凍土層將會對采場安全和地表損害產(chǎn)生重大影響。多年凍土層下大傾角煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律亟待深入研究。采用MTS萬能試驗機測定了多年凍土的抗壓、抗拉強度和彈性模量等力學參數(shù)。結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料,確定出娘姆特煤礦第四系多年凍土層主要物理力學參數(shù):單軸抗壓強度為5.7MPa,密度2000kg/m3,彈性模量2.7GPa,泊松比0.3,內(nèi)摩擦角30°,內(nèi)聚力2MPa,抗拉強度1.63MPa。進一步測定分析了多年凍巖的抗壓和抗拉強度等力學參數(shù)。為相似材料模擬實驗、計算機數(shù)值模擬和力學理論分析提供了可靠基礎(chǔ)。實驗室相似材料模擬實驗發(fā)現(xiàn):近距離煤層開采過程中,各煤層頂板從傾斜工作面上端回風平巷附近發(fā)生整體切落,形成以下部運輸平巷頂板為固支點,整體傾斜傾倒的傾斜旋轉(zhuǎn)復合頂板結(jié)構(gòu),繼而在工作面上部回風巷頂部形成整體懸空的“廠”形上保護巖梁結(jié)構(gòu),并出現(xiàn)整體切落下沉破斷特征。多年凍土層呈現(xiàn)整體懸空狀態(tài)的“板蓋”結(jié)構(gòu),其變形、破斷、垮落等與下部煤巖體產(chǎn)生不同步運動現(xiàn)象,兩者間出現(xiàn)離層結(jié)構(gòu)。計算機FLAC3D數(shù)值模擬研究顯示:近距離煤層開采過程中,煤層間的頂、底板圍巖發(fā)生塑性破壞,并相互貫通形成一個整體,結(jié)合頂板不同位置位移監(jiān)測點的運動規(guī)律和位移等值陰影圖特征,從微觀塑性破壞過程解釋了實驗室相似材料模擬實驗中形成傾斜旋轉(zhuǎn)復合頂板結(jié)構(gòu)和“廠”形上保護巖梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)在原因;多年凍土層與其下部煤巖形成不連續(xù)塑性破壞分布狀態(tài)。地表凍土層位移監(jiān)測點下沉位移變化曲線和位移量等值陰影圖顯示,在多年凍土層“板蓋”中部下沉值較大,但下沉變形量比下部煤巖小,其為產(chǎn)生離層結(jié)構(gòu)的內(nèi)在原因。進一步的分析發(fā)現(xiàn),凍土層厚度的變化不影響上述塑性破壞特征和運動規(guī)律的發(fā)生,多年凍土層越厚,其整體性越強,地表下沉幅度越小。采場頂板巖梁破斷理論分析解釋了傾斜旋轉(zhuǎn)復合頂板結(jié)構(gòu)和“廠”形上保護巖梁結(jié)構(gòu)破壞、運動的力學機理。采場“薄板”破斷礦壓理論分析揭示了多年凍土層“板蓋”變形、垮斷的力學機理。開采過程中,傾斜旋轉(zhuǎn)復合頂板結(jié)構(gòu)傾斜旋轉(zhuǎn)和“廠”形上保護巖梁結(jié)構(gòu)下沉運動,引起多年凍土層“板蓋”傾斜方向和走向方向受力的不均衡,在傾向方向多年凍土層“板蓋”兩側(cè)拉應力較大,容易產(chǎn)生拉破壞。進一步的彈性力學計算得出:多年凍土層走向初次垮落步距為180.98m、周期垮落步距為41.18m,其數(shù)值遠比正常巖層大。相似材料模擬實驗、數(shù)值模擬和采場礦壓理論分析結(jié)果說明:多年凍土層下大傾角煤層的開采形成的覆巖破壞結(jié)構(gòu)非常復雜,除了部分煤層老頂中存在關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的破斷外,還有傾斜旋轉(zhuǎn)復合頂板結(jié)構(gòu)運動、“廠”形上保護巖梁結(jié)構(gòu)的整體突發(fā)性失穩(wěn)、多年凍土層“板蓋”結(jié)構(gòu)的特殊破斷過程等礦壓現(xiàn)象。多年凍土層下大傾角煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)及其運動規(guī)律研究結(jié)論了豐富煤礦開采理論,對娘姆特煤礦及木里煤田的其他煤礦煤碳安全、高效、綠色開采具有重要的科學價值和現(xiàn)實意義。
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【學位授予單位】：西安科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TD823.21

【參考文獻】

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本文編號：1623298