本文關(guān)鍵詞：晉華宮礦多煤層采動影響煤巷圍巖破壞機理與控制

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【摘要】：論文針對晉華宮礦多煤層開采特征,通過現(xiàn)場地質(zhì)資料調(diào)研、煤巖樣實驗室實驗、理論分析以及數(shù)值模擬等研究手段,對多煤層采動影響煤巷圍巖變形機制進(jìn)行研究,提出了相應(yīng)桁架錨索控制新技術(shù)。主要得出以下結(jié)論：(1)11#煤5709巷圍巖處于多煤層采動影響環(huán)境,主要受到上部7-4#煤8709工作面、相鄰11#煤8707工作面以及本工作面的采動影響,出現(xiàn)圍巖變形、支護(hù)系統(tǒng)損壞等強烈礦壓顯現(xiàn)。通過煤巖樣實驗室實驗測得5709巷圍巖力學(xué)參數(shù)：單軸抗壓強度、劈裂拉伸強度、內(nèi)摩擦角等。(2)計算得上煤層工作面底板最大破壞深度hmax=1.57γ23H2L/(4R2rmc),以及最大屈服破壞深度與采空區(qū)端部的水平距離Lp=0.42γ23H2L/(4R2rmc)。將晉華宮礦7-4#煤各項參數(shù)代入得：hmax=0.55m,Lp=0.15m.基于此可知7-4#煤開采未對11#煤頂板關(guān)鍵層造成破壞,故能夠形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)。(3)建立了5709巷頂板關(guān)鍵層超靜定懸臂巖梁力學(xué)模型,并將煤柱視為介于牛頓流體和純彈性體之間的中間材料,對關(guān)鍵層超靜定巖梁產(chǎn)生約束,其本構(gòu)關(guān)系可以認(rèn)為滿足σ(t)-dβε(t)/dtβ。(4)對5709巷煤柱側(cè)端頭弧形三角塊B進(jìn)行了力學(xué)分析,并計算出其結(jié)構(gòu)參數(shù)：走向長度Lz、傾向?qū)挾萀i、斷裂位置xo,以及關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)：采空區(qū)垮落矸石的支撐力FG、煤柱對關(guān)鍵塊B的支撐力FM、關(guān)鍵塊A、B間的垂直作用力FAB、關(guān)鍵塊A、C對弧形三角塊B的水平作用力TAB、TCB。(5)弧形三角塊B的回轉(zhuǎn)運動會對巷道直接頂產(chǎn)生一個傾斜作用力σB,該作用力將會加劇5709巷直接頂?shù)淖冃纹茐�。基于此�?709巷直接頂簡支梁進(jìn)行力學(xué)分析,并求解出其彎矩方程。得最大彎矩值約位于x=2.5m位置,該位置淺部直接頂最易被拉斷而發(fā)生破壞,是巷道控制的重點區(qū)域。其中,彎矩方程為：(6)梯形載荷下偏應(yīng)力分布形態(tài)及其影響深度①在距離煤柱底板0-7m較近區(qū)域內(nèi),偏應(yīng)力不變量呈明顯的非對稱(倒)“馬鞍形”分布,8709工作面?zhèn)绕珣?yīng)力不變量值明顯大于8707工作面?zhèn)�；在距離煤柱底板7-10m范圍內(nèi),其不對稱程度逐漸減弱,在距煤柱底板12m深度之下,偏應(yīng)力值趨于對稱的中間高兩端低的(倒)“鐘”形分布。②在煤柱底板深度方向上,偏應(yīng)力不變量均呈現(xiàn)由0迅速增加,再逐漸降低的變化趨勢,且在不同的坐標(biāo)位置變化的幅度亦不同：在煤柱下方附近區(qū)域(-5x25),不變量值近似“正指數(shù)”形式上升到最大值,然后以“負(fù)指數(shù)”形式下降到零值左右,整體趨于“懸崖”狀態(tài)；在采空區(qū)下方(x25或x-25),不變量極大值與極小值數(shù)值相差不大,偏應(yīng)力不變量上升和下降的趨勢不十分明顯,整體趨于“平原”狀態(tài)。③不同深度出現(xiàn)的偏應(yīng)力峰值區(qū)域也不同：在0-8m內(nèi),同一水平深度偏應(yīng)力不變量峰值出現(xiàn)在煤柱右側(cè)邊緣,同時隨著深度的增加,峰值逐漸增加,峰值點有向煤柱中心線偏移的趨勢；9-20m內(nèi),偏應(yīng)力不變量峰值點十分明顯地向煤柱中心轉(zhuǎn)移,峰值點基本處于煤柱中心線上；深度大于21m后,峰值點完全處于煤柱中心線上。綜合偏應(yīng)力第二、第三不變量的分布趨勢,理論計算梯形載荷下煤柱最大影響深度為50m。(7)7-4#煤煤柱下數(shù)值模擬的偏應(yīng)力分布形態(tài)及其影響深度①在距離7-4#煤煤柱底板0-7m較近區(qū)域內(nèi),偏應(yīng)力不變量呈明顯的非對稱(倒)“山峰”形分布；在深度8-20m范圍內(nèi),偏應(yīng)力不變量分布關(guān)于煤柱中心線呈兩側(cè)高中部低的非對稱(倒)“馬鞍”形分布；21-35m內(nèi)隨著深度增加,其不對稱程度逐漸減弱；在距煤柱底板40m深度之下,偏應(yīng)力不變量值總體偏�、谠诘装鍘r層不同深度的同一水平方向上,偏應(yīng)力不變量峰值出現(xiàn)在煤柱附近區(qū)域處,并隨著巖層深度的增加極值點逐漸由煤柱邊界內(nèi)側(cè)向煤柱外側(cè)轉(zhuǎn)移,如在深度0-7m內(nèi)水平方向上偏應(yīng)力不變量峰值出現(xiàn)在煤柱邊界內(nèi)側(cè)0-2m處,8-20m內(nèi)偏應(yīng)力不變量峰值出現(xiàn)在煤柱邊界外側(cè)0-l0m范圍內(nèi),深度大于20m峰值點坐標(biāo)逐漸向兩端采空區(qū)擴(kuò)散。綜合偏應(yīng)力第二、第三不變量的分布趨勢,數(shù)值模擬載荷下煤柱最大影響深度為40m。(8)通過建立梯形偏應(yīng)力力學(xué)模型,采空區(qū)下煤柱載荷最大影響深度50m,運用數(shù)值模型模擬采空區(qū)煤柱下偏應(yīng)力場,得到煤柱下最大影響深度40m,可知理論計算與數(shù)值模擬結(jié)論基本一致,偏應(yīng)力分布趨勢基本吻合。(9)8709工作面與8707工作面采動疊加影響明顯大于8707工作面采動影響,8709工作面超前影響距離約為20m。5709回風(fēng)巷頂板上方1.0-7.0m內(nèi)發(fā)生拉伸變形,在頂板低層位(1.0-2.5m)與頂板高層位(5.0-7.0m)拉伸變形較小,頂板偏應(yīng)力第二與第三不變量峰值集中于頂板中位測線(3.0-4.5m)區(qū)域,中間層位(3.0-4.5m)產(chǎn)生最大拉伸變形,此區(qū)域受采動影響作用較劇烈,存儲的畸變能量大,在剪應(yīng)力作用下易發(fā)生拉剪破壞,故應(yīng)加強此層位的支護(hù)措施。(10)8707與8709工作面推進(jìn)過程中,5709回風(fēng)巷煤柱幫與實體煤幫采動影響作用下都發(fā)生壓縮變形,煤柱幫壓縮變形明顯大于實體煤幫,前者變形量約是后者的1.2-1.5倍。隨著采動影響的增加,兩幫最大受破壞區(qū)域向深度轉(zhuǎn)移：開采11#煤8707工作面時,煤柱幫偏應(yīng)力第二(三)不變量J2(J3)峰值點從煤幫內(nèi)2.0m逐漸轉(zhuǎn)移到2.5m,實體煤J2(J3)峰值點從2.5m轉(zhuǎn)移到了3.0m；8707工作面采空后,開采11#煤8709工作面時,J2(J3)峰值點從煤幫內(nèi)3.0m逐漸轉(zhuǎn)移到3.5m,實體煤J2(J3)峰值點從3.0m轉(zhuǎn)移到了4.0m。(11)巷道頂板中間層位(3.0-4.5m)產(chǎn)生最大拉伸變形,此區(qū)域受采動影響作用較劇烈,存儲的畸變能量大,在剪應(yīng)力作用下易發(fā)生拉剪破壞,頂板應(yīng)加強支護(hù),尤其是頂板上方3.0-4.5m區(qū)域；煤柱幫與實體幫發(fā)生壓縮變形,且峰值點相對較深,煤巖層是剛性物質(zhì),抗壓強度遠(yuǎn)大于抗拉強度,故采動影響下兩幫淺部位置破壞相對較小,所需支護(hù)強度不大。(12)分析了晉華宮礦11##煤5709煤巷在多煤層采動影響下圍巖應(yīng)力狀態(tài)惡化的原因,多煤層開采導(dǎo)致多場耦合,加劇了巷道圍巖的控制難度。基于此提出了高預(yù)應(yīng)力桁架錨索控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)不但具有控制塑性區(qū)范圍大、抗剪性能強的優(yōu)點,而且能對巷道圍巖變形的非對稱性做出積極的響應(yīng)并能對其進(jìn)行有效的控制,尤其適用于多重采動影響煤巷頂板圍巖的控制。(13)根據(jù)自然平衡拱理論和采動支承壓力分布規(guī)律,得出了5709巷頂板載荷分布情況,據(jù)此建立了5709巷頂板桁架錨索結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,計算得出了桁架錨索錨固力F和預(yù)緊力F’,并利用數(shù)值計算軟件得出了預(yù)緊力F’與傾斜角度α、桁架跨度α的變化關(guān)系。其中,桁架錨索錨固力F和預(yù)緊力F’表達(dá)式如下：(14)建立了5709巷數(shù)值計算模型,對桁架錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,研究錨索長度、預(yù)緊力和孔口幫距對支護(hù)效果的影響,基于此確定了桁架錨索的關(guān)鍵參數(shù)：桁架錨索伸入鉆孔深度為5.0m；孔口幫距為1.2m；預(yù)緊力為120KN。(15)結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果最終確定了11#煤5709巷的支護(hù)方案：頂板采用桁架錨索和單體錨索聯(lián)合支護(hù),且采用“2-1-2”布置方式,即在每兩排桁架錨索之間打一根單體錨索,桁架錨索的排距為4000mm,每排布置4根錨桿,排距1000mm；幫錨桿呈三花布置,間排距為1.2mx1.5m,其中,頂角錨桿距頂板0.1m,中部錨桿距頂板1.3m。(16)5709巷采用桁架錨索支護(hù)后,在上部7-4#煤8709工作面、11#煤8707工作面和本工作面(11#煤8709工作面)三重采動影響下對圍巖變形量進(jìn)行了現(xiàn)場實測,根據(jù)實測結(jié)果得知,7-4#煤8709工作面開采對11#煤5709巷圍巖變形影響較小,11#煤8707工作面和8709工作面開采對11#煤5709巷影響較大。
【關(guān)鍵詞】：多煤層采動影響 弧形三角塊 分?jǐn)?shù)階超靜定梁 偏應(yīng)力不變量 桁架錨索
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD353
【目錄】：

• 摘要4-8
• Abstract8-16
• 第一章 緒論16-28
• 1.1 研究背景及意義16-17
• 1.2 巷道圍巖變形機制與控制技術(shù)研究現(xiàn)狀17-20
• 1.2.1 巷道圍巖變形機制研究17-19
• 1.2.2 巷道圍巖變形控制技術(shù)研究19-20
• 1.3 多煤層采動影響巷道圍巖變形機制與控制技術(shù)研究現(xiàn)狀20-25
• 1.3.1 多煤層采動影響巷道圍巖變形機制研究20-22
• 1.3.2 多煤層采動影響巷道圍巖變形控制技術(shù)研究22-25
• 1.4 研究內(nèi)容、研究方法、技術(shù)路線25-28
• 1.4.1 論文研究內(nèi)容25-26
• 1.4.2 論文研究方法和技術(shù)路線26-28
• 第二章 晉華宮礦多煤層采動影響煤巷圍巖破壞特點分析28-38
• 2.1 工程地質(zhì)概況28-32
• 2.1.1 礦井概況28
• 2.1.2 礦井主要賦存煤層28-29
• 2.1.3 11#煤 8709 工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件29-32
• 2.2 煤巖采集樣本物理力學(xué)性質(zhì)測試32-37
• 2.3 本章小結(jié)37-38
• 第三章 多煤層采動影響煤巷圍巖變形破壞機理力學(xué)分析38-64
• 3.1 上煤層開采對下煤層頂板關(guān)鍵層破壞分析38-42
• 3.1.1 11#煤頂板下位關(guān)鍵層的確定38-39
• 3.1.2 上部煤層開采對下位關(guān)鍵層損傷狀態(tài)分析39-42
• 3.2 5709 巷周圍工作面開采自然平衡拱分析42-44
• 3.2.1 5709巷周圍工作面開采自然平衡拱演化規(guī)律42-43
• 3.2.2 5709巷周圍工作面開采自然平衡拱高度計算43-44
• 3.3 5709巷頂板關(guān)鍵層分?jǐn)?shù)階約束超靜定梁力學(xué)分析44-53
• 3.3.1 5709巷頂板關(guān)鍵層超靜定梁力學(xué)模型44-47
• 3.3.2 5709巷煤柱幫分?jǐn)?shù)階蠕變模型的建立與應(yīng)變求解47-50
• 3.3.3 5709巷煤柱側(cè)弧形三角塊傾向長度求解50-53
• 3.4 5709巷煤柱側(cè)弧形三角塊結(jié)構(gòu)特征及回轉(zhuǎn)運動力學(xué)分析53-59
• 3.4.1 弧形三角塊B力學(xué)模型54-55
• 3.4.2 弧形三角塊B的結(jié)構(gòu)參數(shù)55
• 3.4.3 弧形三角塊B力學(xué)參數(shù)55-59
• 3.4.4 弧形三角塊B穩(wěn)定性分析59
• 3.5 5709巷直接頂力學(xué)分析及彎矩、撓度計算59-62
• 3.5.1 5709巷道直接頂力學(xué)分析59-61
• 3.5.2 5709巷直接頂彎矩計算分析61-62
• 3.6 本章小結(jié)62-64
• 第四章 采空區(qū)下煤柱底板偏應(yīng)力場及影響深度64-86
• 4.1 偏應(yīng)力不變量理論簡介64-67
• 4.1.1 偏應(yīng)力不變量的引入64-66
• 4.1.2 偏應(yīng)力第二不變量物理意義66-67
• 4.1.3 偏應(yīng)力第三不變量物理意義67
• 4.2 煤柱底板偏應(yīng)力場分布及影響深度67-79
• 4.2.1 FLAC3D簡介67-68
• 4.2.2 開挖數(shù)值模型建立68-69
• 4.2.3 7-4#煤區(qū)段煤柱頂?shù)装灞O(jiān)測方案69-70
• 4.2.4 線性擬合 7-4#煤區(qū)段煤柱頂板載荷70-73
• 4.2.5 梯形載荷煤柱底板偏應(yīng)力的力學(xué)模型73-75
• 4.2.6 7-4#煤煤柱下偏應(yīng)力第二不變量分布形態(tài)及影響深度75-77
• 4.2.7 7-4#煤煤柱下偏應(yīng)力第三不變量分布形態(tài)及影響深度77-79
• 4.3 7-4#區(qū)段煤柱底板偏應(yīng)力場及影響深度79-84
• 4.3.1 7-4#煤區(qū)段煤柱下應(yīng)力云圖79-81
• 4.3.2 模擬 7-4#煤煤柱下偏應(yīng)力第二不變量分布特征及破壞深度81-83
• 4.3.3 模擬 7-4#煤煤柱下偏應(yīng)力第三不變量分布特征及破壞深度83-84
• 4.4 本章小結(jié)84-86
• 第五章 采空區(qū)下采動煤巷圍巖偏應(yīng)力場演化規(guī)律86-132
• 5.1 數(shù)值模擬方案設(shè)計86-88
• 5.1.1 數(shù)值模型建立86-87
• 5.1.2 采動巷道受力監(jiān)測方案87-88
• 5.2 煤8707工作面對5709巷的采動影響88-115
• 5.2.1 8707工作面不同推進(jìn)距離時5709巷圍巖偏應(yīng)力響應(yīng)特征88-113
• 5.2.2 8707工作面不同推進(jìn)距離時5709巷圍巖偏應(yīng)力演化規(guī)律113-115
• 5.3 11#煤 8709 工作面對 5709 巷的采動影響115-130
• 5.3.1 8709工作面不同推進(jìn)距離時5709巷圍巖偏應(yīng)力響應(yīng)特征115-128
• 5.3.2 8709工作面不同推進(jìn)距離時5709巷圍巖偏應(yīng)力演化規(guī)律128-130
• 5.4 本章小結(jié)130-132
• 第六章 多煤層采動影響下煤巷桁架錨索控制技術(shù)132-142
• 6.1 高預(yù)應(yīng)力桁架錨索控制系統(tǒng)132-135
• 6.1.1 高預(yù)應(yīng)力桁架錨索結(jié)構(gòu)及其支護(hù)原理132-133
• 6.1.2 新型同軸式連接鎖緊器133-134
• 6.1.3 高預(yù)應(yīng)力桁架錨索控制系統(tǒng)的優(yōu)越性分析134-135
• 6.2 5709巷頂板桁架錨索控制系統(tǒng)力學(xué)分析135-140
• 6.2.1 5709巷頂板桁架錨索結(jié)構(gòu)受力分析136-137
• 6.2.2 5709巷桁架錨索結(jié)構(gòu)錨固力和預(yù)緊力的力學(xué)分析137-140
• 6.3 本章小結(jié)140-142
• 第七章 現(xiàn)場工程試驗142-154
• 7.1 5709巷高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計142-145
• 7.1.1 5709巷數(shù)值計算模型建立142
• 7.1.2 5709巷桁架錨索參數(shù)優(yōu)化數(shù)值模擬分析142-145
• 7.2 5709巷支護(hù)方案與參數(shù)確定145-147
• 7.2.1 5709巷高預(yù)應(yīng)力桁架錨索支護(hù)方案145-146
• 7.2.2 5709巷頂板和兩幫支護(hù)參數(shù)146-147
• 7.3 5709巷桁架錨索控制效果實測與分析147-153
• 7.3.1 5709巷煤柱幫相對垂直壓力現(xiàn)場實測與分析147-148
• 7.3.2 5709巷支護(hù)效果現(xiàn)場實測內(nèi)容與測站布置148-149
• 7.3.3 5709巷支護(hù)效果現(xiàn)場實測方法149
• 7.3.4 5709巷桁架錨索控制效果分析149-153
• 7.4 本章小結(jié)153-154
• 第八章 結(jié)論及展望154-160
• 8.1 論文研究成果154-157
• 8.2 論文創(chuàng)新點157
• 8.3 展望157-160
• 參考文獻(xiàn)160-170
• 致謝170-172
• 作者簡介172
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文172
• 在學(xué)期間參加科研項目172

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：890408