缓倾斜中厚煤层采动应力场时空演化及覆岩破裂规律

摘要

进入21世纪，随着我国新一轮经济结构的布局与发展，煤炭资源在国民经济中依旧占有较高的比重。其中煤矿开采中的地层应力变化及安全开采已越来越受到人们的关注。煤矿开采过程中，巷道的掘进及工作面的回采，都会使得煤层围岩应力场重新分布。采场围岩的应力受采动影响，原有应力平衡被破坏，巷道围岩的结构及承载能力受到一定的影响，某些应力集中区还会造成围岩的变形失稳、甚至出现煤岩体的破碎、岩爆及突出，直接影响煤炭的正常生产。因此，采动应力场的监测、控制及研究，逐渐成为与煤炭开采并存的问题之一，受到人们的普遍关注。本文以川煤集团白皎煤矿为背景，研究了该矿缓倾斜煤层开采过程中回采巷道围岩应力场的时空演化规律，并对覆岩破裂规律进行了分析，为工作面的安全高效开采提供了一定的理论依据和技术支持。
　　本文运用有限差分软件FLAC3D，对缓倾斜中厚煤层的开采过程进行模拟，分析了不同采距下采场围岩的应力位移变化，研究了采动应力场的时空演化规律深入探讨了覆岩破断移动变形规律。论文的主要工作和取得的研究成果如下：
　　①在前人研究成果的基础上，从理论上对缓倾斜中厚煤层开采后的煤岩体应力、垮落形态、破坏裂隙扩展等机理进行分析。并系统研究了采场覆岩“三带”的分布及影响高度、范围的确定；分析了覆岩破断的应力学模型；对裂隙场的空间形态进行理论描述。
　　②将现场钻取的岩石样本进行加工，制作成实验室标准试件，通过岩石力学性质试验得到试件的一般抗压强度为39.13MPa；通过Mohr极限应力圆理论及岩石破断角θ计算得出三组试件的参数黏聚力c，取平均值为7.95MPa。结合室内物理力学性质试验及白皎矿地质情况得出煤系地层的物理力学特性，为数值模拟提供材料参数支持。
　　③运用有限差分软件FLAC3D对缓斜中厚煤层开采进行数值模拟，结果表明：应力场受采动影响而变化，采面推进50m时，上山保护煤柱附近围岩最大垂向应力达到50.33MPa；回采150m时垂向应力增大为66.58MPa，与采面未开挖前初始应力18.24MPa比较，增大了48.34MPa，顶板最大下沉量达20.30cm。该处现场实测最大位移下沉量为24.80cm，模拟结果与现场测量值较吻合。
　　④对围岩应力现场监测数据和数值模拟结果进行对比分析，随着工作面的推进，对固定监测点的影响越来越明显，垂直应力逐渐变大、且应力变化速率随开挖距离的接近而逐渐加快；顶板覆岩及底板岩层的移动变形逐渐增大。

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1 绪 论

1.1 选题依据及研究意义

1.2 国内外研究历史及现状

1.3 已有研究的不足

1.4 论文研究的理论和实际意义

1.5 本文的研究内容及方法

2 缓倾斜中厚煤层开采采动应力场实验研究

2.1 实验矿井概况

2.2 试验场地选取、方案确定

2.3 数据的采集与处理

3 缓倾斜煤层开采围岩体基本力学特性试验

3.1 岩土体力学模型

3.2 试验仪器及试验方案

3.3 试验结果及分析

4 缓倾斜煤层采动应力场演化规律数值模拟

4.1 数值模拟方法及原理

4.2 数值模拟软件介绍

4.3 数值计算模型的建立

4.4 数值模拟结果分析

4.5 数值模拟与实测值比较

4.6 本章小结

5 缓倾斜煤层采动裂隙分布规律研究

5.1 煤层采动裂隙分布规律

5.2 采动裂隙演化数值模拟

5.3 采动变形曲线分析

6 采动覆岩应力场裂隙场耦合关系

6.1 引言

6.2 煤层采动应力场的分布及特点

6.3 覆岩移动及破坏的力学模式

6.4 采动裂隙场的空间形态

6.5 本章小结

7 结论及展望

7.1 结论

7.2 展望

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参加的科研项目情况：