采动应力场演变规律及覆岩破坏形态试验研究

摘要

采场覆岩受开采影响，原岩应力场及覆岩结构均发生破坏或变形。为较为立体地探索煤矿受采动影响覆岩垮落分布及形态规律，以及采空区覆岩深部瓦斯积聚运所及运移通道分布状况，判断瓦斯密集积聚场所及可能的运移通道分布区域，以及采场不同位置其覆岩应力变化趋势及程度对顶板安全支护工作的影响问题，需要对采动覆岩应力场演变分布规律以及覆岩破坏形态结构及构成裂隙区演化规律进行研究分析。通过利用煤层覆岩沿走向、倾向剖面的相似模拟材料对比实验，较为立体的研究覆岩破坏空间形态及裂隙场分布规律在时空上的关联问题。利用有限差分数值模拟软件FLAC3D模拟计算采动覆岩应力场演变分布规律，并以此相结合展开研究，主要内容如下:
　　(1)通过沿走向、倾向剖面相似模拟对比实验研究分析，得出采动覆岩不同剖面失稳至破坏垮落均遵循一定规律，即首次出现横向离层裂隙—伪顶垮落—直接顶依次垮落—老顶初次垮落（初呈梯形裂隙带）—老顶来压显现—关键层下部现明显离层。根据采动覆岩监测点下沉曲线及周期来压显现规律分析，得出采动覆岩破坏基本步骤即“失稳弯曲—破断铰接—逐步压实”的大致规律;分析梯形裂隙带得出覆岩破坏导致内部裂隙大体按照“生成（伴随离层）—发育—迁移（裂隙区）—压合（微裂隙带）”规律循环，采煤机割煤及工作面推进一段时间后采动覆岩破坏及裂隙场发育产生一定的时空关联。
　　(2)通过FLAC3D数值模拟对采动覆岩应力场演化分布分析，得出应力场演变大致分为“开挖初期（顶板未触底）—开挖中期（顶板触底）—开挖后期（触底覆岩压实）”三个阶段。应力卸压与应力集中大体分为“范围扩张（集中峰值渐增）—卸压范围增幅趋缓/应力集中态势趋缓（顶板触矸）—卸压区应力恢复（应力集中逐步平缓）”大致几个阶段。开挖初期顶板垮落出现应力场卸压，受两端煤壁支承作用，开切眼与工作面端应力产生集中，且随开挖距离加大，卸压区向顶、底板深部扩张。垮落顶板接触底板后，受到底板一定的支承作用，卸压态势趋缓，开切眼与工作面端上覆载荷相应降低致应力集中峰值增幅减小。卸压区底板位置开始出现应力恢复区呈线性点状分布并且范围不断扩大。底板对垮落覆岩的支承力向上部传递以至于开切眼及工作面处煤壁应力集中逐渐趋于稳定，至此采动应力场演变动态规律大体基本稳定。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．1．1 选题依据

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究的主要内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 主要研究方法

1．3．3 技术路线

1．4 已有研究的不足

1．5 本章小结

第2章 采动覆岩应力场分布及覆岩破坏规律理论分析

2．1 采动覆岩应力场相关理论成果研究

2．2 采动覆岩裂隙场空间形态理论分析

2．3 采动覆岩裂隙场演化分布规律研究

2．4 本章小结

第3章 覆岩破坏形态及裂隙扩张演化规律相似模拟实验

3．1 实验参数确定及设备选择

3．1．1 相似材料模拟实验基本原理

3．1．2 相似模拟试验原型工程条件

3．1．3 模型相似配比及各层用量

3．1．4 实验设备的选择

3．1．5 核定计算相似模拟条件

3．1．6 模型铺设过程注意事项

3．1．7 铺设过程简述

3．1．8 监测点布置

3．2 模型模拟煤层开挖方案

3．3 采动覆岩垮落及来压现象研究分析

3．3．1 顶板裂隙生成发育及垮落现象研究分析

3．3．2 基本顶周期来压规律研究分析

3．4 采动覆岩位移现象研究

3．4．1 模型观测点位移规律分析

3．4．2 采动覆岩下沉量演变规律分析

3．4．3 CM250／18模型监测点位移矢量演变规律分析

3．5 覆岩破坏裂隙发育规律分析

3．6 本章小结

第4章 采动应力场演变分布规律数值模拟研究

4．1 FLAC3D软件介绍

4．2 软件建模及参数的确定

4．2．1 基本参数的确定

4．2．2 模型边界条件与施加载荷计算

4．2．3 设计开挖

4．3 模型模拟开挖应力场云图分析

4．4 模型模拟计算数据分析

4．4．1 9#煤层底板垂直应力演变规律研究

4．4．2 9#煤层顶板覆岩垂直应力演变规律研究

4．5 本章小结

5．1 主要结论

5．2 创新点

5．3 存在的不足

5．4 展望

致谢

参考文献

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