火成岩侵入特厚煤层底煤巷顶板破坏规律及其控制研究

摘要

以大同矿区火成岩侵入特厚煤层后煤体力学性能劣化导致底煤巷时常发生坍塌冒顶灾害为工程背景,建立了煤矿常用矩形、半圆拱形2种断面形式,火成岩不同侵入位置及范围,不同应力状态,共计1700个FLAC3D模型,进行了顶板破坏规律的研究,得到以下主要结论:
　　(1)采用国际先进的RBST原位强度剪切仪对火成岩侵入不同位置煤体进行了原位强度测试,获得侵入后硅化煤体的强度参数,与侵入前相比,粘聚力、抗拉强度和内摩擦角分别降低了52.4％、30%和26.1%,室内煤样试验也获得类似结果。
　　(2)矩形巷道局部火成岩侵入时随水平和垂直应力的升高破坏面积主要发生在先前的完整煤体中,呈非对称分布;单层侵入时,随侵入层的上移破坏面积先增后降,距顶板表面2m时破坏最严重,超过4m后,影响较小,侵入层厚度的增加加剧了上述升降幅度的变化,高水平或垂直应力下,顶板破坏面积分别呈“正梯形”和“矩形”,最大破坏深度达3.5m。
　　(3)直墙半圆拱巷道局部火成岩侵入时水平应力作用下,硅化煤附近破坏严重,垂直应力作用下,规律与矩形巷道类似;单层侵入时,顶板破坏面积随侵入层的上移而呈四次函数降低,大于3m后,侵入层位置对破坏面积影响极小,高应力环境中,破坏范围分布较矩形巷道均匀,拱顶和拱脚破坏深度稍大,为1.87m。
　　(4)局部火成岩侵入影响的特厚煤层巷道顶板冒落破坏的根本原因是应力分布的非均匀性和常规支护设计的等强性,采用“均压非等强”原理进行支护设计能较好地解决该类顶板的稳定性控制问题。对于单层火成岩侵入影响的特厚煤层巷道,由于应力环境、侵入层厚度及位置等的复杂性,应根据环境的变化而进行“动态支护设计”。

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变量注释表

1 绪论

1.1研究背景与意义(Research objective and significance)

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

1.3主要研究内容与思路(Research contents and technical route)

2 火成岩侵入范围及影响的测试研究

2.1火成岩侵入煤层影响范围分析(Investigat sphere of influence to coal of magmatic intrusion)

2.2火成岩顶板煤巷破坏类型研究(Study on failure types of roof affected by magmatic intrusion)

2.3火成岩侵入范围内外煤岩体强度现场测试(Measurement study on the strength of rocks affected by magmatic intrusion or not)

2.4火成岩侵入范围内外煤岩体强度室内测试(Experimental study on the strength of rocks affected by magmatic intrusion or not)

2.5本章小结(Summary of this chapter)

3 火成岩侵入特厚煤层底煤巷顶板破坏规律数值模拟研究

3.1工程概况(Engineering situations)

3.2模型的建立(Establishment of numerical models)

3.3破坏模式的量化分析及实现(Quantitative analysis of failure mode and its implementation)

3.4局部火成岩侵入顶板破坏规律模拟研究(Study on the failure law of roof with local rocks affected by magmatic intrusion)

3.5单层火成岩侵入顶板破坏过程模拟研究(Numerical simulations on the failure law of roof with a parallel coalbed affected by magmatic intrusion)

3.6本章小结(Summary of this chapter)

4 火成岩侵入顶板稳定性控制技术研究

4.1支护模型的建立(Establishment of numerical supporting models)

4.2局部火成岩侵入顶板控制技术研究(Study on control technology of roof stability with local rocks affected by magmatic intrusion)

4.3单层火成岩侵入顶板稳定性控制技术研究(Study on the control technology of roof stability with a parallel coalbed affected by magmatic intrusion)

4.4本章小结(Summary of this chapter)

5 工程应用

5.1工程概况(Engineering situations)

5.2支护方案设计(Design of supporting schemes)

5.3支护效果分析(Analysis of supporting effects)

5.4本章小结(Summary of this chapter)

6 结论与展望

6.1主要研究成果(Main research findings)

6.2进一步的研究工作(Further researches)

参考文献

附录1

附录2

附录3

附录4

附录5

附录6

附录7

附录8

附录9

作者简历

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