本文關(guān)鍵詞：邊角煤采場煤巷巖梁流變特性及支護優(yōu)化研究

  更多相關(guān)文章： 煤巷 巖梁 彎曲蠕變 錨桿支護 數(shù)值模擬

【摘要】：邊角煤的回收是提高資源利用率,實現(xiàn)礦井可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容,但邊角煤賦存條件復雜,開采較為困難,應在礦區(qū)采掘規(guī)劃中預先開采。本文通過對干河煤礦的地質(zhì)調(diào)研分分析,得到了一些支護設(shè)計及施工的經(jīng)驗,對采場圍巖進行了現(xiàn)場取樣,分析了圍巖整體性。通過電鏡掃描,X射線衍射全礦和粘土分析,單軸,點荷載,三軸試驗確定了采場煤巖體礦物成分,σc、C、φ、E等力學參數(shù)。為了更好的研究頂板巖梁的時間效應特性,根據(jù)獲得的參數(shù),配制了砂漿模型材料,搭建了實驗平臺,進行了無支護巖梁、多孔巖梁、預埋錨桿巖梁的單級和分級加載彎曲蠕變特性測試,得到了巖梁的彎曲蠕變規(guī)律。然后理論上分析了無支護和幫部支護條件下的頂板巖梁力學結(jié)構(gòu),得到了巖梁穩(wěn)定厚度與各個參數(shù)的關(guān)系。最后利用FLAC3D軟件分析了無支護、幫部支護、頂板支護和頂幫支護四種情況下的圍巖及錨桿的力學響應,并分析了錨桿長度、數(shù)量、排距和錨索對圍巖的影響,優(yōu)化了支護參數(shù),提出了合理的支護方案。1.圍巖取樣性及基礎(chǔ)實驗研究礦區(qū)圍巖地質(zhì)條件對巷道支護及采場穩(wěn)定性的研究起著重要作用,是進行設(shè)計及開采的前提。由于礦區(qū)地質(zhì)資料及圍巖力學參數(shù)相對較少,且試驗區(qū)的資料更少。故對采場圍巖進行基礎(chǔ)測試是必須的,所以要對圍巖進行原巖取樣,并統(tǒng)計頂板和底板的RQD值,對采場圍巖整體性進行評價。采樣使用內(nèi)徑75mm鉆頭,套筒長度為800mm,在一采區(qū)軌道巷和回風巷分別鉆取煤層頂板和底板巖石。主要獲得一下幾點結(jié)論及經(jīng)驗。(1)旺采試驗區(qū)頂?shù)装鍑鷰rRQD值低于30%,裂隙、節(jié)理充分發(fā)育,整體性較差。(2)鉆頭質(zhì)量、轉(zhuǎn)速以及工人操作水平對鉆孔取芯質(zhì)量影響較大。(3)對于節(jié)理發(fā)育底板巖石的二次加工非常困難,易碎。圍巖力學參數(shù)對于巷道穩(wěn)定性具有重要的影響,而圍巖微觀結(jié)構(gòu)及礦物成分又對圍巖力學特性有著決定性影響,因此對于圍巖特性的測試具有重要意義。本章選取現(xiàn)場獲得的五塊巖樣,在石油大學重點實驗室開展了電鏡掃描微觀結(jié)構(gòu)分析,礦物成分X衍射分析實驗,在礦大(北京)深部巖土重點實驗室,使用T-P耦合試驗機開展單軸壓縮試驗,點荷載試驗,三軸壓縮試驗,以便獲得原巖的基礎(chǔ)參數(shù),為巷道支護設(shè)計及穩(wěn)定、后續(xù)的模型試驗和數(shù)值模擬提供一定的參考。主要取得了以下結(jié)果：(1)電鏡掃描分析可以看出,圍巖樣品致密,微裂隙極少,但泥質(zhì)和炭質(zhì)成分較多,粘土礦物大量分布,且充填于孔隙中。(2)砂質(zhì)泥巖中礦物種類有石英、鉀長石、菱鐵礦和粘土礦物等,其中粘土礦物總量約為19%,石英含量超過63%,鉀長石和菱鐵礦含量超過9%。(3)粘土礦物主要成分為I/S混層和高嶺土,兩者相對總含量為粘土礦物的85%-93%。(4)根據(jù)單軸壓縮和點荷載試驗結(jié)果,頂板砂質(zhì)泥巖平均單軸抗壓強度分別為58.74MPa和55.5MPa,且數(shù)據(jù)離散性較大,頂板巖性不均,給支護設(shè)計造成一定困難。平均彈性模量26.5GPa,泊松比為0.16。(5)直接底為細粒砂巖,垂直層理方向,其平均抗壓強度89.3MPa,底板在連采機作用下不會發(fā)生壓縮性破壞,但其抗剪強度偏低。(6)通過三軸試驗獲得頂板砂質(zhì)泥巖的內(nèi)聚力C=16.2MPa,內(nèi)摩擦角φ=42.6。。破壞應力61隨著圍壓σ3的增加而線性增大,線性相關(guān)系數(shù)R=0.97。2.巖梁及錨固體流變模型實驗由于未能采集到采場原巖制作的巖梁,故采用模型試驗對頂板巖梁彎曲蠕變破壞特性進行一定的研究。物理模型實驗方便實施且可以對現(xiàn)場情況進行反演,可以對現(xiàn)場圍巖變形提供一定的參考。根據(jù)砂漿材料規(guī)范及相似比,進行了多組配合比的試配,得到合適的配比值,制作了支護模擬材料,并利用白行制作的實驗系統(tǒng)對無支護巖梁,預埋錨桿巖梁和多孔巖梁的破斷試驗、單級荷載彎曲蠕變試驗和多級加載彎曲蠕變試驗開展了相關(guān)研究。其研究成果如下：(1)比選獲得了砂漿模型材料的配合比,即水泥、中砂和水的質(zhì)量比為1：8：1.5,且選用人工級配砂的試驗效果較好。(2)彎曲蠕變存在閾值,三種情況下的閡值分別為0.745,0.813和0.791,平均0.783,當荷載低于該閾值時巖梁處于彈性狀態(tài)。隨著支護的施加,蠕變閾值略有提高。(3)荷載水平達到0.878,0.875和0.948時,平均約0.900,此階段裂隙產(chǎn)生,大于該值時蠕變處于加速階段。(4)巖梁上表面和下表面均存在蠕變現(xiàn)象,都有蠕變的三個階段特性。壓縮區(qū)蠕變持續(xù)時間較長,規(guī)律性較好。(5)隨著應力水平的提高,巖梁趨于穩(wěn)定的時間越長,曲線由衰減型變?yōu)榉撬p型。(6)無支護巖梁分級彎曲蠕變的破壞荷載平均值為1.39kN,低于巖梁瞬時破斷荷載1.65kN,為瞬時荷載的84.2%。(7)當微裂隙產(chǎn)生時,巖梁拉應力轉(zhuǎn)向深部,原先的受壓區(qū)域變?yōu)槭芾?在支護系統(tǒng)的作用下,可較長時間穩(wěn)定增長,直到應力水平增加。(8)巖梁等脆性材料的加速蠕變時間較短,在無支護情況下,裂隙迅速發(fā)育貫通巖梁。(9)巖梁的完整性對其承載力影響較大,空隙率較大的巖梁,支護結(jié)構(gòu)很難提供相應的支護反力,或消耗更多的支護材料。(10)增加巖梁的約束可以大幅度提高巖梁的承載力,但在現(xiàn)場實施比較困難。3.巖梁流變特性分析巖石室內(nèi)蠕變試驗是了解巖體流變特性的重要手段,測試數(shù)據(jù)是深入分析流變屬性不可或缺的基礎(chǔ)資料。為了揭示巖石在不同受力條件下表現(xiàn)出的流變屬性分析其流變性態(tài)及發(fā)生條件,需要系統(tǒng)科學地分組、設(shè)計并對比分析不同的應力水平和不同約束條件下的結(jié)果,以求較全面地概括其流變規(guī)律,根據(jù)流變規(guī)律可以提出相應的控制機制。曲線擬合出的經(jīng)驗公式可較好的指導現(xiàn)場工作,具有一定的實用性。運用Origin擬合得到低應力水平、穩(wěn)定蠕變和加速蠕變所對應的不同函數(shù),低應力水平符合Boltzmann函數(shù),穩(wěn)定蠕變階段滿足BiDoseResp函數(shù),加速蠕變階段符合Logistic函數(shù),其決定系數(shù)較高,具有一定的可靠性。并對比了試驗曲線與經(jīng)典蠕變方程的相似之處,嘗試建立蠕變力學模型,但由于測試數(shù)據(jù)有限,未能進行理論上的參數(shù)辨識。4.煤巷支護理論分析在假設(shè)條件下,計算獲得巖梁頂板上覆荷載,并對無支護,幫部支護和頂幫支護三種情況下的煤巷圍巖破斷情況進行了力學結(jié)構(gòu)分析與計算,求解了巖梁剪力與彎矩,理論上對頂板巖梁穩(wěn)定厚度進行了推導分析,利用錨拉支架理論進行了主巷和支巷錨桿支護參數(shù)的初步設(shè)計。主要結(jié)論有以下幾點。(1)對于無支護頂板巖梁,其最大截面應力為3.OMPa,大于其直接巖層抗拉強度平均值2.45MPa,頂板發(fā)生拉伸破壞的概率極大。(2)對于幫部穩(wěn)定的巖梁,其最大截面應力為1.1MPa,小于抗拉強度平均值2.45MPa,頂板巖梁理論上不會發(fā)生拉伸破壞。(3)對于幫部不穩(wěn)定的情況,巷道頂板巖梁厚度與巷道跨度呈雙曲線關(guān)系,對于干河煤礦,頂板錨桿長度約2.3m。(4)對于幫部穩(wěn)定的情況,巖梁厚度也滿足雙曲關(guān)系,對于干河煤礦頂板錨桿可以取1.5-1.9m。5.煤巷支護數(shù)值模擬分析數(shù)值方法已廣泛應用于各個科研領(lǐng)域,它可以按照原型進行建模分析,很好的還原現(xiàn)場條件,并且可以提供不同的應力及邊界條件,進行各種不同設(shè)計的方案的對比分析,可以大量節(jié)省現(xiàn)場試驗的費用,并且有較高的準確率。本章介紹了FLAC3D的基本原理,并根據(jù)原巖地質(zhì)條件建立模型,分析了無支護,幫部支護,頂板支護和頂幫支護四種情況下的圍巖力學響應,為支護設(shè)計提供了參考。并分析了不同服務(wù)時間的巷道力學響應情況并進行了支護參數(shù)的優(yōu)化比選,提出合理的支護方案。主要研究成果有以下幾點：(1)開挖后圍巖應力首先集中在巷道的角部,巷道角部受力最大,應保證角錨桿的施工質(zhì)量；幫部煤巖體軟弱,變形較大,需要重點加強煤巷幫部支護。(2)單獨進行幫部支護的效果比單獨進行頂板支護對圍巖的控制效果要好。(3)玻璃鋼錨桿可以替代幫部螺紋鋼錨桿,雖然其對圍巖的控制效果略低于螺紋鋼錨桿,但滿足使用要求。(4)幫部錨桿數(shù)量和長度對煤巷圍巖變形影響顯著,幫錨桿長度存在最優(yōu)值,超過該長度對圍巖控制效果相對不再顯著。(5)預應力錨索可以改善煤巷四周圍巖的變形量,對幫部變形的控制效果更為顯著。但錨索數(shù)量不易過多,過多錨索降低掘進速率。
【關(guān)鍵詞】：煤巷 巖梁 彎曲蠕變 錨桿支護 數(shù)值模擬
【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】：TD353
【目錄】：

• 摘要4-8
• Abstract8-17
• 第一章 緒論17-31
• 1.1 課題背景及意義17-18
• 1.2 巖石流變特性國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-21
• 1.3 錨桿支護理論的研究現(xiàn)狀21-25
• 1.4 錨桿支護技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀25-28
• 1.5 論文的研究內(nèi)容及技術(shù)路線28-31
• 1.5.1 研究目標28
• 1.5.2 研究內(nèi)容28-29
• 1.5.3 研究方法與技術(shù)路線29-31
• 第二章 工程概況及圍巖取樣31-39
• 2.1 試驗區(qū)采礦地質(zhì)條件31-33
• 2.1.1 工程概況31
• 2.1.2 試驗區(qū)位置31-32
• 2.1.3 試驗區(qū)煤層地質(zhì)條件32-33
• 2.2 邊角煤區(qū)域圍巖取樣33-38
• 2.2.1 鉆孔參數(shù)及設(shè)備33-34
• 2.2.2 頂?shù)装錜QD分析34-38
• 2.3 本章小結(jié)38-39
• 第三章 采場圍巖基礎(chǔ)實驗研究39-61
• 3.1 圍巖微觀結(jié)構(gòu)分析39-46
• 3.1.1 試驗設(shè)備及原理39-40
• 3.1.2 試驗計劃40-41
• 3.1.3 試驗結(jié)果及分析41-46
• 3.2 圍巖礦物分析46-49
• 3.2.1 X衍射設(shè)備及工作原理46-47
• 3.2.2 X衍射全礦分析結(jié)果47-48
• 3.2.3 X衍射粘土分析結(jié)果48-49
• 3.3 單軸壓縮變形試驗49-53
• 3.3.1 試驗設(shè)備及原理49-50
• 3.3.2 試驗結(jié)果及分析50-53
• 3.4 點荷載試驗53-56
• 3.4.1 試驗儀器及原理53-55
• 3.4.2 試驗結(jié)果及分析55-56
• 3.5 三軸壓縮強度試驗56-60
• 3.5.1 試驗設(shè)備及原理56-58
• 3.5.2 試驗結(jié)果及分析58-60
• 3.6 本章小結(jié)60-61
• 第四章 巖梁及錨固體流變模型試驗61-105
• 4.1 相似準則及相似比61-64
• 4.1.1 相似準則61-62
• 4.1.2 相似比計算62-64
• 4.2 模型材料及試配64-71
• 4.2.1 模型材料選用64-67
• 4.2.2 圍巖模擬材料試配67-69
• 4.2.3 巖梁承載力試驗69-71
• 4.3 物理模型實驗系統(tǒng)71-80
• 4.3.1 支承裝置72-73
• 4.3.2 加載裝置73-75
• 4.3.3 監(jiān)測裝置75-80
• 4.4 無支護巖梁破斷及彎曲蠕變實驗80-91
• 4.4.1 無支護巖梁破斷實驗80-82
• 4.4.2 無支護巖梁單級荷載彎曲蠕變實驗82-85
• 4.4.3 無支護巖梁多級加載彎曲蠕變試驗85-91
• 4.5 預埋錨桿巖梁破斷及彎曲蠕變試驗91-98
• 4.5.1 預埋錨桿巖梁制作及破斷試驗91-92
• 4.5.2 預埋錨桿巖梁單級荷載彎曲蠕變試驗92-94
• 4.5.3 預埋錨桿巖梁分級加載彎曲蠕變試驗94-98
• 4.6 多孔巖梁的破斷及彎曲蠕變試驗98-103
• 4.6.1 多孔巖梁制作及破斷試驗98-100
• 4.6.2 多孔巖梁分級加載彎曲蠕變試驗100-103
• 4.7 本章小結(jié)103-105
• 第五章 巖梁流變特性分析105-119
• 5.1 引言105-106
• 5.2 巖石的流變模型106-109
• 5.3 彎曲蠕變試驗數(shù)據(jù)分析109-117
• 5.3.1 分級加載蠕變特性曲線109-111
• 5.3.2 彎曲蠕變特性參數(shù)分析111-116
• 5.3.3 幫部應力分析116-117
• 5.4 本章小結(jié)117-119
• 第六章 煤巷支護理論分析119-139
• 6.1 頂板荷載及基本假設(shè)119-121
• 6.1.1 巖梁荷載119-120
• 6.1.2 基本假設(shè)120-121
• 6.2 頂板力學結(jié)構(gòu)分析模型121-129
• 6.2.1 無支護煤巷頂板巖梁力學模型121-124
• 6.2.2 幫部支護煤巷頂板巖梁力學模型124-127
• 6.2.3 頂幫支護煤巷頂板巖梁力學模型127-129
• 6.3 采場主巷支護設(shè)計129-135
• 6.3.1 支護參數(shù)理論計算129-132
• 6.3.2 錨桿長度及直徑的驗算132-133
• 6.3.3 錨桿間排距的校對133
• 6.3.4 錨索間距的校對133-134
• 6.3.5 主巷支護設(shè)計示意圖134-135
• 6.4 支巷支護參數(shù)設(shè)計135-136
• 6.5 本章小結(jié)136-139
• 第七章 煤巷支護數(shù)值模擬分析139-169
• 7.1 常用數(shù)值方法簡介及FLAC原理139-141
• 7.2 摩爾庫倫模型下的圍巖力學分析141-159
• 7.2.1 無支護條件下巷道變形及應力分析141-146
• 7.2.2 幫部支護條件下巷道變形及應力分析146-151
• 7.2.3 頂板支護條件下巷道變形及應力分析151-155
• 7.2.4 頂板幫部支護下巷道變形及應力分析155-159
• 7.3 蠕變模型下煤巷支護參數(shù)優(yōu)化分析159-166
• 7.3.1 FLAC3D蠕變模型159-161
• 7.3.2 不同支護參數(shù)的圍巖變形分析161-166
• 7.4 最終支護設(shè)計166-167
• 7.4.1 主巷支護設(shè)計166-167
• 7.4.2 支巷支護設(shè)計167
• 7.5 本章小結(jié)167-169
• 第八章 結(jié)論與展望169-173
• 8.1 主要研究成果169-171
• 8.2 創(chuàng)新點171
• 8.3 不足與展望171-173
• 參考文獻173-181
• 致謝181-183
• 作者簡介183-184

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 杜時貴,許四法,楊樹峰,程俊杰,王思敬;巖石質(zhì)量指標RQD與工程巖體分類[J];工程地質(zhì)學報;2000年03期

2 劉東燕;趙寶云;劉�？h;薛凱喜;;深部灰?guī)r單軸蠕變特性試驗研究[J];土木建筑與環(huán)境工程;2010年04期

3 陳鵬;回采邊角煤巷道布置及支護形式研究[J];礦山壓力與頂板管理;2005年02期

4 楊新華;王連國;陸銀龍;;新型高強讓壓螺紋鋼注漿錨桿研究[J];煤礦機械;2011年10期

5 勾攀峰;辛亞軍;;深井巷道圍巖錨固體流變控制力學解析[J];煤炭學報;2013年12期

6 李京劍;鄭百林;徐春雨;;邊坡預應力錨桿蠕變的數(shù)值分析[J];力學季刊;2007年01期

7 曹樹剛,鮮學福;煤巖蠕變損傷特性的實驗研究[J];巖石力學與工程學報;2001年06期

8 徐平,楊挺青;巖石流變試驗與本構(gòu)模型辨識[J];巖石力學與工程學報;2001年S1期

9 陳安敏,顧金才,沈俊,明治清;軟巖加固中錨索張拉噸位隨時間變化規(guī)律的模型試驗研究[J];巖石力學與工程學報;2002年02期

10 梁運培,孫東玲;巖層移動的組合巖梁理論及其應用研究[J];巖石力學與工程學報;2002年05期

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 李瑞群;旺格維利采煤法煤柱尺寸優(yōu)化研究[D];山東科技大學;2008年

，

本文編號：814924