特厚煤层综放开采坚硬顶板破断失稳规律

摘要

以往在研究坚硬顶板破断失稳规律时采用的是“梁理论”，该理论对于薄层坚硬顶板破断步距的计算精度较高，但是对于厚层坚硬顶板破断步距的计算存在较大误差；且坚硬顶板的变形将导致上覆岩层裂隙场与应力场的改变，但以往也并未对顶板的变形与采动裂隙场、应力场之间的关系展开系统研究。
　　因此本论文对同煤集团塔山矿8212工作面不同厚度坚硬顶板进行研究，采用相关理论，得到厚度差异显著的坚硬顶板的破断步距，解释岩体垮落大小来压现象。通过相似模拟实验得到煤壁支承压力峰值、覆岩裂隙随坚硬直接顶变形挠度的变化规律。通过数值模拟实验得到坚硬顶板在周期破断时应力场、塑性区的演化规律。从而为类似坚硬顶板下强矿压显现与采场失稳规律提供理论支撑。主要研究成果如下：
　　①运用关键层理论、Vlasov厚板理论及薄板理论推导出厚、薄坚硬顶板发生破断的判别式。通过判别式计算出该工作面直接顶破断步距为35.8m，基本顶破断步距为69.4m。直接顶首次破断时，形成小来压；当直接顶再次破断时将与基本顶同步破断，影响范围及强度均较大，形成大来压。理论计算结果与现场数据一致。
　　②通过相似模拟实验得到坚硬顶板破断结构特征。即在20m厚的坚硬基本顶破断前，整体上采场顶板结构保持稳定，在20m厚的坚硬基本顶破断后，采场顶板结构开始发生大范围的失稳。采动裂隙大致形成“O”形圈，采动裂隙发育高度在91m左右。前后垮落角均在60°~70°之间。
　　③通过相似模拟实验得到支承压力峰值、采动裂隙分形维数与坚硬顶板变形挠度之间的关系。即坚硬直接顶变形所对应的支承压力峰值变化与裂隙分形维数变化具有阶段性，前者呈现出“前快，中慢，后稳”趋势；后者呈现出“前慢，后快，再慢”趋势，并且在坚硬直接顶每次破断时，裂隙分形维数的增加具有突变性。
　　④通过数值模拟实验得到坚硬顶板周期破断时采动应力场与塑性区的演化规律。即布置在不同层位的支承压力测线形状逐渐由直线变为开口向上的抛物线，且随着工作面推进距离的增大，抛物线的开口形状变大。当抛物线开口变化趋于平缓时，采场达到充分采动。采场在坚硬直接顶周期破断时，塑性区向上扩展的角度大致相同，以剪切破坏为主，屈服区域不断增大，整个采场的塑性区形成类似梯形的分布形态。

目录

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1研究意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容和技术路线

2 不同层厚坚硬顶板破断步距

2.1工作面概况

2.2薄、厚板理论的适用性

2.3厚层坚硬顶板破断步距计算

2.4薄层坚硬顶板断裂步距计算

2.5坚硬顶板破断步距数值模拟

2.6本章小结

3 特厚煤层综放开采坚硬顶板失稳规律相似模拟实验

3.1相似模拟实验方案

3.2特厚煤层综放开采坚硬顶板破断结构特征

3.3采动裂隙分形维数与直接顶变形挠度关系研究

3.4煤壁支承压力峰值与直接顶的变形挠度关系

3.5本章小结

4 特厚煤层综放开采坚硬顶板失稳规律数值模拟实验

4.1 FLAC3D简介

4.2数值模型的建立

4.3采动应力场数值模拟结果分析

4.4采场塑性区数值模拟结果分析

4.5本章小结

5 结论与建议

5.1主要结论

5.2建议

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录