坚硬顶板弯曲破断特征与能量积聚演化规律研究

摘要

由于岩层结构特点，坚硬顶板采场通常来压步距大，来压突然、强烈，并释放大量弹性能，坚硬顶板岩层的剪断破坏运动常常诱导工作面切顶、冲击地压等动力灾害的发生。为此，本文运用力学分析、相似模拟、数值计算及现场监测等方法，研究了采场坚硬顶板岩层运动破坏特征及其弯曲破断过程伴随应变能积聚释放规律，取得如下主要成果:
　　考虑煤壁边缘出现塑性破坏及前方增量载荷作用，建立了采场坚硬顶板岩梁的挠曲变形力学模型，在已有研究成果基础上分析模型，得出了坚硬顶板岩梁的拉应力分布函数σt（x）以及岩梁最大剪应力点处的剪应力值τlmax，基于矿压理论，还得出了坚硬顶板岩梁出现不同运动破坏形式的力学判据。
　　以煤矿实际坚硬顶板工作面为背景，分别建立采场数值计算及相似材料模型，记录随模型推进顶板断裂运动过程发现工作面顶板初次来压运动强烈，顶板初次运动破坏为剪断破坏，部分周期运动也出现剪断破坏，坚硬顶板破断形态为“OX”型，破断迹线为半椭圆形，工作面中部最先破断且破断位置距煤壁最远;根据模拟数据进行回归分析，还得到了坚硬顶板工作面覆岩破坏运动高度与工作面推进距离大致呈S曲线规律发展。
　　基于能量原理和FLAC3D模拟计算结果，得到了坚硬顶板岩层弹性应变能分布与其支承压力分布规律相似;煤层采动后，工作面中部顶板应变能峰值较两端大，峰值位置比两端距离煤壁远，且随推进距离的增加，应变能积聚速率、峰值大小及能量梯度均逐渐增大，但煤壁上方一定范围内坚硬顶板应变能积聚程度始终较低;工作面坚硬顶板断裂时，顶板应变能释放量及参与能量释放的顶板岩层范围随推进步距的增大显著增加，煤壁至前方12-16m范围坚硬顶板为应变能释放的集中区;现场监测还发现，坚硬顶板的应变能具有“积聚-释放-积聚”间隔活动规律。

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、方法和技术路线

2 周期来压阶段坚硬顶板弯曲挠度及破坏形式分析

2．1 采场坚硬顶板支承压力分布规律

2．2 周期来压阶段坚硬顶板挠曲变形模型分析

2．3 采场坚硬顶板运动破坏形式及判据

2．4 本章小结

3 采场坚硬顶板运动破坏相似材料模拟

3．1 3302工作面工程地质概况

3．2 相似材料模拟方法概述

3．3 相似材料模型设计与制作

3．4 采场坚硬顶板运动破坏规律分析

3．5 工作面顶板支承压力分布规律

3．6 本章小结

4 坚硬顶板运动破坏特征及应变能积聚释放数值模拟

4．1 FLAC3D模拟研究概述

4．2 采场坚硬顶板破断运动特征模拟

4．3 采场坚硬顶板支承压力分布规律

4．4 采场坚硬顶板应变能积聚规律分析

4．5 顶板岩梁断裂应变能释放规律分析

4．6 本章小结

5 坚硬顶板运动及能量释放规律现场监测

5．1 坚硬顶板运动规律监测

5．2 坚硬顶板应变能释放规律的微震监测

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 研究展望

致谢

攻读硕士期间的主要研究成果

参考文献