多煤层煤柱底板应力分布规律及其应用

摘要

多煤层开采矿井，随着上部煤层的逐渐采空，遗留下了各种各样的残留煤柱，在原岩应力场和采动应力场的相互影响下，对底板岩层产生损伤破坏，下部煤层尤其是极近距离和近距离煤层开采面临难题。为此，本论文选取反映岩石材料拉伸破坏和剪破坏的最大主应力和最大剪应力为评价指标，并辅以底板岩层中垂直应力和水平应力的分布状态描述，考虑围岩岩性状况（围岩岩性、煤层倾角和间距）、围岩应力状况（岩层侧压系数和煤层深度）和人为影响因素（煤柱宽度和煤层采高）的影响，采用无量纲化应力的研究手段，通过理论分析、实验室测试、数值模拟和工程验证的方法，结合提出的“应力临界线”和“间深比”概念，研究了多煤层开采煤柱下底板岩层的应力分布规律。研究成果不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的工程应用价值。
　　本研究主要内容包括：⑴现场调研了Integra Underground Mine煤矿多煤层开采的地质力学状况，提取了研究底板岩层应力分布特征的相关地质力学资料；取样进行实验室力学性能测试，得到了该矿岩石力学参数。⑵视煤岩体为弹性介质，建立了是否考虑采空区垮落顶板对底板岩层损伤破坏的两种模型，推导了两模型中底板分别为单一岩层和多层岩层时任一点的应力公式；辅以数值模拟对比分析，发现不考虑采空区垮落顶板的模型中，顶板覆岩重量完全由煤柱承担，导致底板应力集中区影响过大，不符合工程实践，因此，采空区垮落顶板对底板岩层的损伤破坏是研究煤柱下底板岩层应力分布不可或缺的影响因素，但采空区垮落顶板对底板岩层的应力集中梯度影响远小于荷载煤柱的影响，因此，煤柱底板应力分布规律研究应以煤柱对底板岩层的损伤破坏为主，以采空区垮落顶板的影响为辅。⑶基于无量纲化的应力集中系数，提出“应力临界线”概念，得到煤柱下垂直应力、水平应力、最大主应力和最大剪应力的应力临界线分布分别呈“纺锤形”、“共轭犄角形”、“双耳鼎形”和“葫芦形”。⑷数值模拟详细研究了煤柱下底板岩层岩性，煤层倾角和岩层侧压系数三个因素对底板应力分布演化的影响，得到了层状岩体的界面效应，用于解释煤层巷道顶底板应力集中现象，指导岩石巷道层位优化选择；发现45°岩层倾角具有特殊性，垂直应力、最大主/剪应力的最大应力集中系数值以45°为界，当倾角增大或者减小时，最大应力集中系数都会增大；侧压系数的变化对岩性较强的岩层产生的影响大于岩性较弱的岩层，高侧压系数会对采动影响产生抑制作用。⑸通过叠加煤柱下底板岩层垂直应力、水平应力、最大主/剪应力的应力集中区，得到底板应力分区模型，分析了各分区的应力集中情况和破坏形式，给出了多煤层开采分类中极近距离煤层开采、近距离煤层开采、单一煤层开采的判据。⑹提出煤层“间深比”概念，以最大主/剪应力临界线为评价指标，得出以-ln(间深比)为判据的多煤层开采分类，与底板岩层分区模型的判据基本吻合；考虑底板岩层为不同岩性，拟合出煤层间深比和煤柱宽高比与下部煤层回采巷道最佳布置位置的函数方程，同时给出函数方程优化巷道位置的步骤，采用数值模拟验证了函数方程准确有效。⑺研究成果成功应用于Integra Underground Mine煤矿多煤层开的Middle Liddell煤层、Lower Liddell煤层和Hebden煤层。

目录

致谢

变量注释表

1. 绪论

1.1 研究背景及意义（Research background and significance）

1.2 国内外研究现状（Research status at home and abroad）

1.3 存在的主要问题（Main problems）

1.4 研究方法及内容（Research methods and contents）

1.5 研究技术路线（Research roadmap）

2 多煤层开采地质条件分析

2.1 矿井地质概况（ Geological conditions of Integra Underground Coalmine）

2.2 煤系地层赋存状况（Geological conditions of coal measures）

2.3 岩石力学性能测试（Laboratory test of rock parameters）

2.4 本章小结（Brief summary）

3 煤柱底板岩层的理论模型和界面效应研究

3.1 研究评价指标概述（Introduction of the evaluation indicators）

3.2 底板岩层应力分布理论模型（ Mechanical model of the stress distribution of floor strata）

3.3 数值模拟验证理论模型（Numerical validation of the mechanical models）

3.4 层状岩体的界面效应（Interface effect of rock layers）

3.5 本章小结（Brief summary）

4 煤柱底板岩层应力分布及分区研究

4.1 数值模拟概述（Introduction of the numerical simulation）

4.2 底板岩层岩性变化应力场分布特征（ Stress redistribution characteristics of altering lithological pattern in floor strata）

4.3 底板岩层倾角变化应力场分布特征（ Stress redistribution characteristics of altering dip angle in floor strata）

4.4 底板岩层侧压系数变化应力场分布特征（ Stress redistribution characteristics of altering the lateral stress coefficient in floor strata）

4.5 煤柱底板岩层应力分区研究（ Stress zone division of floor strata under chain pillar）

4.6 本章小结（Brief summary）

5 下部煤层应力分布及巷道位置优化研究

5.1 下部煤层应力分布规律研究（Stress redistribution in the underlying seam）

5.2 下部煤层巷道合理位置研究（ Gateroad optimization in the underlying seam）

5.3 本章小结（Brief summary）

6 工业性应用

6.1 地质条件概况（Introduction of geological conditions）

6.2 工程案例1——Integra Underground Coalmine煤矿ML和LL煤层间距 10m（Case I—10m Interburden between ML and LL seam in Integra Underground Coalmine）

6.3 工程案例2——Integra Underground Coalmine煤矿LL和HD煤层间距45m（Case II—45m Interburden between LL and HD seam in Integra Underground Coalmine）

6.4 工程案例3——Integra Underground Coalmine煤矿ML和HD煤层间距58m（Case III—58m Interburden between ML and HD seam in Integra Underground Coalmine）

6.5 本章小结（Brief summary）

7 结论及展望

7.1 主要结论（Main conclusions）

7.2 创新点（Research innovations）

7.3 研究展望（Research prospects）

参考文献

作者简历

声明

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