發(fā)布時間：2017-09-16 08:50

  本文關鍵詞：“刀把式”采場頂板破斷機理及力學演化特征的面長效應研究

  更多相關文章： “刀把式”采場 頂板破斷機理 力學演化特征 運移規(guī)律 面長效應

【摘要】：隨著煤炭開采強度的增加,地質條件不斷惡化,“刀把式”不規(guī)則采場的煤層開采現(xiàn)象增多�！暗栋咽健辈蓤龅钠毡榇嬖趯е铝嗣簩娱_采的復雜性和多變性,引起采動含瓦斯煤巖體非線性破裂的劇烈程度增強,增加了低滲透度強吸附性高瓦斯煤層群的開采難度。同時“刀把式”采場的覆巖空間結構更加多樣化,圍巖破壞形態(tài)較不規(guī)則,應力演化過程更加復雜多變,與正規(guī)采場相比表現(xiàn)出獨特的發(fā)展規(guī)律和時效特征。論文聚焦“刀把式”采場的安全開采問題,采用理論分析、巖石力學試驗、數(shù)值模擬、相似模型試驗和現(xiàn)場監(jiān)測的綜合研究方法,對“刀把式”采場覆巖空間的結構特征與破斷機理以及采動應力場、覆巖位移場和頂板裂隙場的時空演化規(guī)律進行系統(tǒng)研究,取得了如下研究成果：結合“刀把式”采場不同開采階段的巖層疊賦特點和運動規(guī)律,采用理論分析建立了“刀把式”工作面“三場三區(qū)三結構”的覆巖結構模型,揭示了變面長采場頂板分段延伸、瞬時突變和分區(qū)遷移的時空演化特征。對于工作面斜長由小變大的“刀把式”采場,沿工作面推進方向經歷了小面采場、變面采場和大面采場三個發(fā)展階段,各階段覆巖經歷了緩壓靜采區(qū)、異壓變采區(qū)和增壓動采區(qū)三個轉變過程,相應階段的覆巖空間結構劃分為緩壓型結構、突變型結構和增壓型結構三種類型。借助室內巖石力學試驗,得到了煤層頂板單軸及三軸試驗條件下的全程應力-應變曲線以及圍巖強度、彈性模量、變形模量、泊松比等力學參數(shù),完成了對工作面開采過程中圍巖力學環(huán)境的綜合評估和性態(tài)評價。以工作面斜長由小變大和由大變小的“刀把式”采場為研究載體,運用彈性薄板理論構建了5種不同支承邊界條件下的頂板力學模型,運用理論計算得出了大小采面基本頂斷裂前后的撓度、彎矩和應力解析表達式。通過理論分析發(fā)現(xiàn)了變面長采場頂板破斷的力學機理,揭示了頂板斷裂破壞的演化規(guī)律。小面采場頂板首先在板邊四周形成空間的“O”型破斷,而后在中部形成平面的“X”型破斷,兩者貫通后構成頂板的“O-X”型破斷；而大面采場頂板先在頂板中部形成空間“X”型破斷,而后與后期形成的“O”型破斷交合貫通共同構成頂板的“X-O”型破壞模式。采用數(shù)值模擬手段研究了等長工作面、“正、反刀把式”工作面三種面長條件下的采場力學演化行為與巖層活動存在的規(guī)律,得出了變面長采場頂板塑性區(qū)的衍生趨勢和擴展空間、采動應力場的演化特征和覆巖位移場的變形規(guī)律,揭示了變長工作面與等長工作面應力分布與覆巖運移的同步特征和異形機制。運用三維相擬模型試驗研究了“正、反刀把式”工作面不同開采階段的覆巖破斷特征、裂隙發(fā)育狀態(tài)、覆巖運移規(guī)律和應力演化過程,得出了“刀把式”采場回采期間頂板破斷具有瞬時突變、分段延伸和分區(qū)遷移的時空特點,覆巖裂隙場經歷了卸壓失穩(wěn)、張裂破壞、萎縮變小、擬合封閉的動態(tài)演變過程,覆巖運移非線性下沉的時空效應以及覆巖走向應力與傾向應力動態(tài)演變的分布規(guī)律。通過現(xiàn)場實測得出了潘三礦1622(3)“刀把式”工作面煤層開采期間液壓支架的運行狀況、工作阻力的荷載分布狀態(tài)、頂板來壓特征及巷道圍巖的移動變形量,揭示了“刀把式”采場大、小采面及工作面對接區(qū)間礦壓顯現(xiàn)的一般規(guī)律和內在聯(lián)系,為論文研究的主體內容和相關結論提供了可靠的工程驗證。針對“刀把式”采場具體的分區(qū)特點和階段效應,根據(jù)工作面不同開采時期制定了切實可行的頂板防控措施,建立起“刀把式”采場頂板控制的長效機制,形成了“刀把式”采場“預防-控制-維護-監(jiān)控”多位一體時空協(xié)同模式的頂板防控體系。
【關鍵詞】：“刀把式”采場 頂板破斷機理 力學演化特征 運移規(guī)律 面長效應
【學位授予單位】：安徽理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TD323
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-17
• 1 緒論17-28
• 1.1 選題背景及研究意義17-18
• 1.2 國內外相關研究現(xiàn)狀18-25
• 1.2.1 正規(guī)采場覆巖結構及礦壓理論的研究現(xiàn)狀18-21
• 1.2.2 不規(guī)則采場覆巖結構及礦壓理論的研究現(xiàn)狀21-23
• 1.2.3 不規(guī)則采場應力演化特征與開采技術的研究現(xiàn)狀23-25
• 1.3 目前研究存在的問題25
• 1.4 論文研究的主要內容25-26
• 1.5 研究方法及技術路線26-28
• 2 “刀把式”采場頂板的結構特點及巖性特征28-40
• 2.1 “刀把式”采場頂板的結構特點28-31
• 2.1.1 工程地質背景28-30
• 2.1.2 頂板結構特點30-31
• 2.2 “刀把式”采場頂板的巖性特征31-38
• 2.2.1 試驗內容及設備32-33
• 2.2.2 巖石的物理力學試驗33-38
• 2.3 本章小結38-40
• 3 “刀把式”采場頂板破斷的力學機理40-63
• 3.1 薄板理論概述40-44
• 3.1.1 薄板概念及基本假設40-41
• 3.1.2 薄板理論的基本力學方程41-44
• 3.2 “刀把式”采場頂板的力學模型分析44-55
• 3.2.1 小面采場頂板破斷前的力學模型分析46-48
• 3.2.2 小面采場頂板破斷期間的力學模型分析48-50
• 3.2.3 小面采場頂板破斷后的力學模型分析50-51
• 3.2.4 大面采場頂板破斷前的力學模型分析51-53
• 3.2.5 大面采場頂板破斷后的力學模型分析53-55
• 3.3 “刀把式”采場頂板的破斷機理55-56
• 3.4 “刀把式”采場頂板破斷的算例分析56-62
• 3.4.1 算例分析軟件簡介56
• 3.4.2 不同薄板結構的內力分布特征56-62
• 3.5 本章小結62-63
• 4 “刀把式”采場力學演化特征的面長效應63-86
• 4.1 數(shù)值模擬軟件63-64
• 4.2 “刀把式”采場力學效應的數(shù)值模擬64-84
• 4.2.1 模型建立及參數(shù)設計65-67
• 4.2.2 頂板塑性區(qū)的破壞范圍67-71
• 4.2.3 采動應力場的演化特征71-81
• 4.2.4 覆巖位移場的變形規(guī)律81-84
• 4.3 本章小結84-86
• 5 “刀把式”采場應力演化特征及巖移規(guī)律的三維模型試驗86-120
• 5.1 試驗目的及對象86-88
• 5.1.1 試驗目的及研究內容86-87
• 5.1.2 試驗對象及工程概況87-88
• 5.2 試驗的理論基礎88-89
• 5.3 試驗的模型設計89-93
• 5.4 試驗監(jiān)測方法93-97
• 5.4.1 應力監(jiān)測方法93-94
• 5.4.2 位移監(jiān)測方法94-95
• 5.4.3 覆巖破壞及裂隙分布監(jiān)測方法95-97
• 5.5 覆巖外部破壞及裂隙分布特征97-99
• 5.6 覆巖內部破壞及裂隙發(fā)育狀況99-112
• 5.6.1 “正刀把式”采場覆巖內部破壞及裂隙發(fā)育狀態(tài)99-105
• 5.6.2 “反刀把式”采場覆巖內部破壞及裂隙發(fā)育狀態(tài)105-111
• 5.6.3 “刀把式”采場覆巖內部破壞及裂隙發(fā)育特征小結111-112
• 5.7 覆巖運移規(guī)律112-114
• 5.8 應力演化特征114-118
• 5.8.1 “刀把式”采場覆巖走向剖面的應力演化特征114-116
• 5.8.2 “刀把式”采場覆巖傾向剖面的應力演化特征116-118
• 5.9 本章小結118-120
• 6 “刀把式”采場礦壓顯現(xiàn)特征及頂板防控體系120-140
• 6.1 礦壓觀測方案120-122
• 6.1.1 觀測目的及內容120-121
• 6.1.2 測點布置方案121-122
• 6.2 礦壓顯現(xiàn)特征122-128
• 6.2.1 小面采場礦壓顯現(xiàn)特征122-124
• 6.2.2 大面采場礦壓顯現(xiàn)特征124-127
• 6.2.3 工作面全程礦壓顯現(xiàn)特征127-128
• 6.3 工作面支架的阻力分析及荷載分布128-131
• 6.3.1 工作面全程支架阻力分析128-130
• 6.3.2 工作面對接區(qū)的支架荷載分布130-131
• 6.4 巷道圍巖的變形特征131-136
• 6.4.1 小面巷道圍巖的變形特征131-133
• 6.4.2 工作面對接前后巷道圍巖的變形特征133-134
• 6.4.3 大面巷道圍巖的變形特征134-136
• 6.5 “刀把式”采場頂板防控體系136-138
• 6.6 本章小結138-140
• 7 結論與展望140-143
• 7.1 主要結論140-142
• 7.2 主要創(chuàng)新點142
• 7.3 展望142-143
• 參考文獻143-151
• 致謝151-152
• 作者簡介及讀博期間主要科研成果152-154

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本文編號：862079