基于HoeK-Brown准则的多煤层开采煤柱应力传递规律研究

摘要

本文以大同煤矿集团有限责任公司晋华宫煤矿307盘区7＃8705、8707工作面，8＃8707、8709工作面，以及11＃8707、8709工作面为工程研究背景，采用室内试验（岩石物理力学性质测试、相似材料模拟试验）、理论分析、数值模拟和现场监测相结合的研究方法，对基于Hoek-Brown准则的多煤层开采煤柱应力传递规律进行了研究，取得了如下研究成果:
　　分批次对不同损伤程度的坚硬顶板打钻取芯，通过室内单轴压缩及三轴压缩试验获得了不同损伤状态顶板典型岩石（细砂岩、粉砂岩）基本物理力学参数及Hoek-Brown准则参数m、s值（表3.4），结果表明:受采动次数及开采尺度影响，顶板力学参数均呈现不同程度的降低，试件强度与围压呈二次、三次函数关系，试验结果为下一步的相似材料模拟及数值模拟做准备。
　　运用相似材料模拟研究了7＃煤柱、8＃煤柱以及11＃煤柱的应力传递规律，分析了不同采动阶段煤柱承载能力的变化，结果表明:煤柱宽度为24 m时，两侧工作面开采之后煤柱应力呈对称“马鞍”型分布，煤柱破坏主要为剪切破坏，失去了传递力的作用，并运用数值模拟验证了其正确性。利用数值模拟研究了在错距一定情况下，随层间距增大，上部遗留煤柱对下煤层开采影响呈先增大后减小趋势，层间距为35 m时，上覆煤柱对工作面影响最大，层间距超过50 m时，上覆煤柱对工作面影响不再变化;随着错距的增大，上覆煤柱集中应力对下部工作面影响逐渐减小，当上下两工作面错距超过50m时，上覆煤柱对下部工作面开采不产生影响。
　　基于霍克布朗准则推导了煤柱塑性区内任意一点应力及塑性区宽度。应用弹性力学解答了煤柱在底板中的传递及分布规律，分析了煤柱集中应力对下部工作面的影响范围。
　　通过现场监测，工作面超前支承压力影响范围为40 m，峰值位置为工作面前方12～18m;针对区段煤柱引起的强矿压显现问题，采用深孔卸压爆破对区段煤柱进行爆破弱化处理，改善了煤岩体的物理力学性质。现场监测表明，爆破后煤柱下方垂直应力大幅度降低，为爆破前的42％，有效减小了煤柱应力集中，达到防治冲击地压的目的。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容、方法及技术路线

2 多次采动煤岩体Hoek-Brown参数m、s值测试

2．1 Hoek-Brown准则及参数m、s的求取方法

2．2 多次采动煤岩试件选取及力学性质测试

2．3 本章小结

3 多煤层开采煤柱应力传递模拟研究

3．1 地质及开采条件

3．2 多煤层开采煤柱应力传递物理模拟研究

3．3 多煤层开采煤柱应力传递数值模拟研究

3．4 本章小结

4 多煤层开采煤柱应力传递机理

4．1 不同宽度煤柱应力分布特征

4．2 基于Hoek-Brown准则的煤柱塑性区宽度求解

4．3 煤柱作用力在底板中分布特征

4．4 本章小结

5 多煤层开采矿压显现及煤柱应力控制技术

5．1 工程条件

5．2 工作面及巷道矿压显现规律

5．3 煤柱应力控制技术

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 存在不足及展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的主要研究成果