综采面高强度采动影响下浸水煤柱的稳定性研究

摘要

小纪汗煤矿是一个水文地质比较复杂的矿井，正在开采的2#主采煤层是主要含水层，在工作面采掘过程中地下水涌出量非常大。地下水对煤柱的稳定性影响很大，在水的长期浸泡下煤柱的力学性质弱化、强度降低，因而使煤柱的稳定性也随之降低。且小纪汗煤矿是一个以大采高综采技术为主的现代化高产矿井，工作面推进速度较快，矿压显现相当剧烈，对煤柱稳定性的影响相当大。本文在此背景下，研究了推进速度和煤层含水率对区段煤柱稳定性的影响，其相应研究成果可以为矿井水影响下的区段煤柱稳定性控制提供必要的理论基础。 （1）由实验可知，煤体峰值强度、弹性模量随含水率和加载速率的增大呈现先增大后减小的变化趋势，存在临界含水率和临界加载速率；加载速率和含水率较小时，煤体在峰值强度附近发生脆性破坏，加载速率和含水率较大时，发生延性破坏，含水率越大，这种现象越明显，但当含水率较大时，煤体随加载速率变化的破坏都属于延性破坏。 （2）由模拟结果可知，随着煤层含水率和工作面推进速度的增加，煤柱水平位移量先减小后增大，垂直应力先减小后增大，塑性区面积先减小后增大，因此，存在临界含水率和临界推进速度，使得区段保护煤柱稳定性达到最高。 （3）由理论分析可知，煤层含水直接影响区段煤柱的极限强度，当煤层含水率为临界含水率时，区段煤柱的极限强度最高，煤柱稳定性最高；工作面推进速度影响工作面老顶破断步距，当推进速度处于临界推进速度时，工作面老顶破断步距最小，来压时工作面的支架阻力最小，煤柱承受压力最小，因此，区段煤柱的稳定性最高。引入含水率对煤体强度的弱化因子α和推进速度对煤体所受应力集中系数的影响因子β，将二者影响下的区段煤柱应力集中系数重新定义为(1+α)(1+β)K，从而利用现有煤柱留设宽度模型推导出含水和工作面推进速度影响下区段煤柱的合理留设宽度。该公式能大体估算出不同含水率和工作面推进速度下区段煤柱的合理留设宽度。 （4）提出了疏放煤层含水至临界含水率状态和改变工作面推进速度至临界推进速度这两种针对性的方法，通过现场测试得到，工作面推进速度处于临界推进速度时，工作面老顶破断步距最小，保护煤柱的损伤最小，煤柱稳定性最高；煤层含水率处于临界含水率时，区段保护煤柱的强度最高，抗压能力最强，煤柱两帮鼓出量最小。 本文以实验、理论及现场相结合的方法研究了区段保护煤柱在不同含水率和工作面推进速度下的应力、变形特征，推导了含水煤体在不同加载速率下的损伤本构方程、分析了煤柱的失稳机理、推出了区段保护煤柱的失稳判据、提出了相应的煤柱稳定性控制措施，研究结果可以为西部煤矿工作面开采设计提供一定的理论支撑。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2.1区段煤柱稳定性

1.2.2矿井水对煤柱稳定性的影响

1.2.3推进速度（加载速率）对煤柱稳定性的影响

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

2 不同加载速率下浸水煤体的力学特性

2.1.1煤样的选取与制备

2.1.2 含水煤样的制备

2.1.3含水煤样的单轴压缩试验

2.2.1 不同含水率煤体全应力应变曲线变化

2.2.2 不同含水率煤体峰值强度变化特征

2.2.3 不同含水率煤体峰值应变变化特征

2.2.4 不同含水率煤体弹性模量变化特征

2.2.5 不同含水率煤体泊松比变化特征

2.3不同加载速率对浸水煤体力学特性的影响

2.3.1 不同加载速率对煤体全应力变曲线的影响

2.3.2 不同加载速率对煤体强度的影响

2.3.3 不同加载速率对煤体峰值应变的影响

2.3.4 不同加载速率对煤体弹性模量的影响

2.3.5 不同加载速率对煤体泊松比的影响

2.4 不同加载速率下浸水煤体的本构关系

2.5 本章小结

3 采动影响下浸水煤柱稳定性数值模拟

3.1数值计算模型建立

3.1.1 FLAC3D软件简介

3.1.2 小纪汗煤矿2号煤层11215工作面概况

3.1.3 数值模型的建立

3.1.4 数值模拟方案

3.2不同含水率下煤柱的变形破坏规律

3.2.1 区段保护煤柱变形特征

3.2.2 区段保护煤柱应力特征

3.2.3 区段保护煤柱稳定性分析

3.3不同推进速度下煤柱的变形破坏规律

3.3.1 区段保护煤柱变形特征

3.3.2 区段保护煤柱应力特征

3.3.3 区段保护煤柱稳定性分析

3.4 本章小结

4 高强度采动影响下浸水区段煤柱的失稳机制分析

4.1煤柱稳定性的影响因素

4.2高强度采动影响下浸水煤柱失稳机理

4.3高强度采动影响下浸水煤柱合理留设宽度

4.3.1 煤柱塑性区宽度计算

4.3.2 弹性核区宽度计算

4.4高强度采动影响下浸水煤柱失稳判据

4.5失稳判据实例计算

4.6 本章小结

5 工程实例

5.111215工作面概况

5.1.1 11213工作面涌水情况

5.1.2 11215工作面布置情况

5.211215工作面矿压显现情况

5.3煤柱稳定性控制措施

5.4 高强度采动影响下浸水煤柱变形监测

5.4.1不同工作面推进速度下煤柱帮鼓出量量监测

5.4.2 不同煤层含水率下煤柱帮鼓出量监测

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参考文献

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