本文關鍵詞：淺埋煤層采場上覆巖層運動分析及支架阻力研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：依托導師國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2013CB227903),結合我國能源中長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃預測了中國煤炭產(chǎn)量的發(fā)展趨勢和科學產(chǎn)量,2025年前煤炭資源依然占據(jù)著能源生產(chǎn)結構中的主體地位,合理煤炭產(chǎn)量為33～50億噸,科學煤炭產(chǎn)量2020年控制在40億噸煤左右,2030年控制在45億噸,其中大部煤炭產(chǎn)量來自西部的淺埋煤層。同時高密度人口城市將面臨“立體”發(fā)展模式,對地下空間的開發(fā)和充分利用,逐步成為衡量城市現(xiàn)代化的重要標志。未來十年是淺埋煤層開采和地鐵建設的黃金時期。根據(jù)巖體的性能特征提出了地下巖層可能存在的結構形式和優(yōu)先級別,論述移動下沉場和移動應力場的形成過程和空間分布。擬合得到地表下沉盆地的發(fā)育過程和地表下沉計算公式,分析了采場開采過程中頂板巖層的不平衡力、位移、支承壓力、速率場和主應力場的形成變化過程。得到采場上覆巖層結構的空間分布特征,找到采場壓力的主要來源,推進過程中的危險時期和危險區(qū)域,以便科學合理計算采場壓力和利用礦山壓力為我們服務。對比不同材料承重結構的應力、撓度和彎矩變形特性發(fā)現(xiàn)不同結構形式所具備的性能特征不同,地下巖層結構自然環(huán)境下蛻變路徑為殼→拱、板→梁,由高級向低級蛻變。若要充分發(fā)揮材料自身的穩(wěn)定性能,我們需要對其做功(支護),使材料的結構逆向發(fā)展路徑為梁→拱、板→殼。地下巖層抗壓不抗拉,在工作面推進過程存在著殼→拱、板→梁結構或它們的組成形式,結構形式隨工作面的推進而不斷發(fā)展和變化。根據(jù)地表下沉盆地分布特征規(guī)律和采場壓力變化特征提出地表移動下沉場和移動應力場兩種結構模型。地表移動下沉盆地和移動應力場是一個逐漸形成的過程,在工作面推進π分之四倍埋深(4H/π)時形成。根據(jù)涼水井煤礦地質資料建立長×寬×高500m×400m× 120m三維大尺寸數(shù)值模型。模擬采場自開切眼到地表充分采動過程中的地表下沉,對采場上覆巖層作主視、側視、俯視剖面,再現(xiàn)開采過程中巖層位移場、速率場和應力場的形成和動態(tài)變化規(guī)律。地表下沉盆地俯視呈橢圓形分布,主視剖面(推進方向)下沉曲線形成過程可分為微變階段、加速階段、衰減階段和充分采動四個階段,分別得出不同推進距時的地表下沉量計算公式。移動下沉場在推進4H/π時形成,在開挖邊界前方實體煤一側的影響范圍H/π,采空區(qū)一側的影響范圍2H/π,形成的下沉盆地平底寬度為推進長度L-4H/π。地表下沉曲線的拐點起始位置均在實體煤一側十倍采高(10M)以外,隨工作面推進拐點向采空區(qū)一側轉移。采空區(qū)側向地表下沉拐點迅速向采空區(qū)一側轉移,在推進距H/π時偏移到采空區(qū)一側最大值8M,隨后拐點偏移距逐漸回移最終穩(wěn)定在采空區(qū)一側3M。采空區(qū)前方和后方地表下沉曲線拐點偏移距在采場初次來壓之前呈線性向采空區(qū)一側轉移,推進距為4H/π時后側拐點徘徊在采空區(qū)一側,偏移距等于采高M。地表前側下沉曲線始終受到采動影響,拐點偏移距在采空區(qū)一側5M～12M之間波動。對工作面走向下沉曲線拐點位置變化分析得工作面不同推進距離的計算公式,采空區(qū)后方拐點位置與推進距表現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)關系,前側拐點與推進距離表現(xiàn)出乘冪函數(shù)關系。根據(jù)采場上方各層位巖層下沉形態(tài)和下沉曲線特征,結合工作面推進距L和采場埋深H的比值關系將采場上方巖層運動過程分為微變(≤H/π)、突變(H/π～3H/4)、過渡(3H/4～4H/π)、穩(wěn)定(≥4H/π)四個變化區(qū)間。淺埋煤層頂板巖層表現(xiàn)出同步變形,微變階段頂板變形量小,少量離層發(fā)育,巖層的位移和應力主要局限在直接頂區(qū)域。突變階段頂板巖層位移開始表現(xiàn)出拱→梁→橢圓曲線的結構形式,空間分布為橢圓包裹的上拱下梁結構。過渡階段不同層位巖層中的位移拱不同,越靠近煤層下沉值越大,拱高越低,矢跨比越小,稱為扁拱或拋物線拱。層位越高巖層位移值越低,拱的矢跨比越大,稱為圓弧拱。巖層自下而上的拱結構形式為扁拱→拋物線拱→圓弧拱,當圓弧拱發(fā)育地表后,破斷成橢圓曲線。工作面前方煤體移動支承壓力在波動中上升,壓力系數(shù)在1.5～3.4之間,峰值在煤壁前方0-35m之間來回波動。工作面中部壓力普遍高于端部,與端部相比峰值壓力和位置時而同步變化,時而相背離運動,表現(xiàn)出工作面來壓顯現(xiàn)的多樣性。超前支承壓力的影響范圍約等于埋深H,影響明顯的區(qū)域為煤壁前方40m。工作面推進H/3-H/2時發(fā)生初次來壓,推進πH/2中部壓力達到最大值,推進距L∈(H,W)是工作面中部重點關注時期。端部位置工作面推進πH/4出現(xiàn)了局部最大值,即推進距πH/4和見方(L=W)時是工作面端部區(qū)域重點關注時期。移動速率場是由速率梁和速率拱組成,通常為下梁上拱結構。梁長30m-45m,梁體內(nèi)部的速率呈拱形分布,中部速率高于前后方。不同矢跨比的速率拱作用在速率梁的位置不同,離層的存在使得速率梁遠大于上方巖層的速率拱,速率拱-梁效應更加明顯,進而對采場壓力的作用程度不同。巖層速率自下而上不斷遞減,主視剖面呈橢圓分布,可近似看成倒梯形分布,底邊長度(H/3～2H/3),上邊界地表長度(2H/π～4H/π),隨工作面推進不斷前移。對采場壓力有速率影響的巖層范圍為采空區(qū)后方H/2,采空區(qū)后側3H/4以外的巖層速率已衰減為零。直接頂巖層形成移動速率梁,梁長在23m-38m之間變化,速率大小隨工作面推進發(fā)生周期性波動,波動進度區(qū)間10～25m,步距平均17.5m。工作面實際生產(chǎn)中周期來壓步距平均16m,周期來壓明顯,模擬結果和實際相符。移動主應力場和速率場的分布范圍和變化規(guī)律較為相似,影響范圍為煤壁前方35m,約等于H/π,在采空區(qū)一側影響范圍80m,約等于2H/π。主應力場和速率場在主視剖面呈橢圓、立體呈橢球狀分布在采場上方,隨工作面推進不斷前移。移動速率場拱口向上,而主應力場拱口向下,二者結合組成了移動應力場。根據(jù)10個淺埋煤層工作面的鉆孔柱狀圖和開采技術條件,采用巖層的強度和厚度與煤層的強度和采高比值大小,將淺埋采場上覆巖層劃分為軟薄巖層-Weak and Laminated Strata (WL)、軟厚巖層-Weak and Massive Strata (WM)、硬薄巖層-Strong and Laminated Strata(SL)、硬厚巖層-Strong and Massive Strata(SM)四類結構巖層。然后采用采高(M)、采場埋深(H)、工作面長度(W)、(WL)、(WM)、(SL)、 (SM)7個影響因子對采場壓力進行主成分分析和共線性分析,得知采場埋深H與(WL)、(WM)、(SL)、(SM)四種影響因子出現(xiàn)嚴重共線性重合,進而將7個影響因子分成采高、采場埋深、工作面長度模型1和采高、工作面長度、(WL)、(WM)、 (SL)、(SM)模型2兩組因子模型。以采場支架壓力為目標函數(shù),分別對模型1和模型2進行多元回歸分析得計算公式1和公式2,公式表明采場壓力與采高、工作面長度和埋深表現(xiàn)出正相關,采高的權重大于工作面長度大于采場埋深。應用分析表明公式1和2在淺埋深(H400m)時可以得到較好地應用,公式1計算精度高于公式2。但是公式1局限于淺埋煤層使用,公式2可廣泛應用于不同深度采場支架壓力的計算。對采場壓力計算公式采用VB程序編程得到液壓支架阻力計算軟件,繪出了支架壓力與埋深、工作面長度和采高的對應關系。
【關鍵詞】：地表下沉 位移場 速率場 應力場 支架阻力
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD325
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第一章 引言15-25
• 1.1 研究背景及研究意義16-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-20
• 1.2.1 淺埋煤層的概念17-18
• 1.2.2 采場頂板巖層結構假說18-20
• 1.3 淺埋地表下沉及中國液壓支架裝備現(xiàn)狀20-22
• 1.3.1 地表下沉現(xiàn)狀20
• 1.3.2 中國液壓支架裝備現(xiàn)狀20-22
• 1.4 存在的科學難題22
• 1.5 論文研究內(nèi)容與研究方法22-24
• 1.5.1 主要研究內(nèi)容22-23
• 1.5.2 研究思路與技術路線23-24
• 1.6 本章小結24-25
• 第二章 巖層運動結構形式的理論分析25-37
• 2.1 材料承重結構形式的比較25-29
• 2.1.1 桿與梁的比較25-26
• 2.1.2 梁與拱的比較26-27
• 2.1.3 梁與板的比較27-28
• 2.1.4 殼與板的比較28-29
• 2.2 地下采場的巖層結構29-33
• 2.2.1 拱梁蛻變形式29-30
• 2.2.2 地表移動下沉場結構模型30-32
• 2.2.3 移動應力場結構模型32-33
• 2.3 三維數(shù)值模擬建立與參數(shù)33-36
• 2.3.1 數(shù)值模擬及模型參數(shù)33-35
• 2.3.2 計算參數(shù)35-36
• 2.4 本章小結36-37
• 第三章 地表移動下沉場過程分析37-71
• 3.1 采場上方地表下沉過程37-39
• 3.2 微變階段地表下沉分析39-43
• 3.2.1 微變階段走向(工作面推進方向)地表下沉分析39-42
• 3.2.2 微變階段傾向(工作面布置方向)地表下沉分析42-43
• 3.2.3 微變階段地表下沉曲線公式及參數(shù)數(shù)據(jù)表43
• 3.3 加速階段地表下沉分析43-49
• 3.3.1 加速階段走向(工作面推進方向)地表下沉分析44-46
• 3.3.2 加速階段側向地表下沉曲線分析46-48
• 3.3.3 加速階段地表下沉曲線公式及參數(shù)匯總48-49
• 3.4 衰減階段地表下沉分析49-56
• 3.4.1 衰減動階段走向地表下沉曲線分析50-54
• 3.4.2 衰減階段側向地表下沉曲線分析54-55
• 3.4.3 衰減階段地表下沉曲線公式及參數(shù)匯總55-56
• 3.5 充分采動階段地表下沉分析56-64
• 3.5.1 充分采動階段走向地表下沉曲線分析57-61
• 3.5.2 充分采動階段傾向地表下沉曲線分析61-62
• 3.5.3 充分采動階段地表下沉曲線公式及參數(shù)匯總62-64
• 3.6 地表移動下沉場參數(shù)分析64-70
• 3.6.1 拐點位置變化分析64-66
• 3.6.2 充分采動角、邊界角分析66-68
• 3.6.3 邊界點、最大下沉量及下沉系數(shù)分析68-69
• 3.6.4 地表下沉曲線斜率變化分析69-70
• 3.7 本章小結70-71
• 第四章 工作面移動應力場變化規(guī)律研究71-107
• 4.1 采場頂板巖層位移過程分析71-72
• 4.2 A微變階段頂板巖層運動分析72-80
• 4.2.1 A微變階段不平衡力分析72-73
• 4.2.2 A微變階段位移云圖分析73-75
• 4.2.3 A微變段支承壓力變化分析75-77
• 4.2.4 A微變階段速率場分析77-78
• 4.2.5 A微變階段主應力分析78-80
• 4.3 B突變階段頂板巖層運動分析80-87
• 4.3.1 B突變階段圍巖不平衡力分析80
• 4.3.2 B突變階段頂板位移云圖分析80-82
• 4.3.3 B突變階段移動支承壓力變化分析82-84
• 4.3.4 B突變段頂板巖層移動速率場分析84-85
• 4.3.5 B突變階段主應力場分析85-87
• 4.4 C過渡階段頂板巖層運動分析87-94
• 4.4.1 C過渡階段不平衡力分析87
• 4.4.2 C過渡階段頂板位移云圖分析87-89
• 4.4.3 C過渡階段移動支承壓力變化分析89-90
• 4.4.4 C過渡階段頂板巖層速率場分析90-92
• 4.4.5 C過渡階段采場頂板主應力場分析92-94
• 4.5 D平穩(wěn)變化階段采場頂板巖層運動分析94-101
• 4.5.1 平穩(wěn)變化階段圍巖不平衡力分析94-95
• 4.5.2 平穩(wěn)變化階段頂板位移云圖分析95-96
• 4.5.3 平穩(wěn)變化階段移動支承壓力變化分析96-98
• 4.5.4 平穩(wěn)變化階段頂板速率場分析98-100
• 4.5.5 采場頂板主應力矢量場分析100-101
• 4.6 采場巖層運動參數(shù)變化分析101-105
• 4.6.1 移動支承壓力變化分析101-102
• 4.6.2 移動速率場分析102-104
• 4.6.3 移動主應力場分析104-105
• 4.7 本章小結105-107
• 第五章 淺埋煤層采場支架壓力的計算研究107-121
• 5.1 采場壓力的分析107
• 5.2 采場上覆巖層歸類分析107-109
• 5.2.1 采場頂板巖層的分類107-109
• 5.2.2 四種類別巖層性質分析109
• 5.3 采場支架壓力的主成分分析109-114
• 5.3.1 采場支架壓力變量選取109-112
• 5.3.2 自變量數(shù)據(jù)標準化及相關系數(shù)矩陣112
• 5.3.3 計算R的特征值及方差貢獻率112-113
• 5.3.4 選取變量113-114
• 5.4 支架多元回歸方程及殘差分析114-118
• 5.4.1 采場壓力影響因子共線性分析114-115
• 5.4.2 采場壓力多元線性回歸方程的建立115-116
• 5.4.3 回歸方程的殘差分析116-118
• 5.5 支架計算公式的應用分析118-119
• 5.6 本章小結119-121
• 第六章 結論與展望121-125
• 6.1 論文的主要結論121-123
• 6.2 論文的主要創(chuàng)新點123
• 6.3 存在的問題和研究展望123-125
• 參考文獻125-133
• 致謝133-135
• 作者簡介135
• 在學期間發(fā)表的學術論文135
• 在學期間參加科研項目135-136
• 主要獲獎136

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 于學馥;軸變論與圍巖變形破壞的基本規(guī)律[J];鈾礦冶;1982年01期

2 錢鳴高，繆協(xié)興;采場上覆巖層結構的形態(tài)與受力分析[J];巖石力學與工程學報;1995年02期

  本文關鍵詞：淺埋煤層采場上覆巖層運動分析及支架阻力研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：304644