近距离煤层条带上行开采煤岩层变形破坏机理及数值模拟研究

摘要

把条带开采具有一定厚度而强度较高的上覆岩层称为平衡层，其具有减缓岩层运动控制地表下沉的作用，并参与覆岩层的变形运动。煤柱稳定性是条带开采的关键，通过对岩石力学试验和数值模拟结果的分析，由煤岩柱边缘向中部依次出现煤岩柱围压效应下理想应变的“五区”分布：煤岩体受压破坏后的残余破碎区、承载软化区、局部破坏区、弹性区和原始应力区，组成完整的煤柱理想弹塑性“五区”区模型。
　　应用弹塑性理论对条带上行开采煤层层间条带平衡岩层进行了理论分析，通过提出的条带上行开采上位煤层条带工作面宽长比的概念（ξ=Ly2/Lx2），得出了岩层破断的力学判据：弹性理论判据Ly＜（π2hτ0（3ξ+2）/[6（ξ+μ）γ-3π2τ0h]）1/2和塑性理论判据Ly＜12ξhσt/[γ(（3ξ+1）1/2-1)2]（ξ为上部煤层条带工作面的宽长比），两式组合即为条带上行开采上下位煤层间岩层破断的综合判据。数值模拟结果表明，结合煤柱“五区”模型分析可知，由于上部煤柱位于采空区上方，随着围岩应力的调整，支承压力高峰向煤柱体内部扩展，承载塑性区逐渐向煤岩柱内部移动，局部破坏区逐渐扩展至整个煤柱，使上部煤柱处于承载软化区，屈服区范围逐渐加大,进而导致煤柱整体失稳破坏，条带开采效果大大降低。在条带上行开采过程中，一定的煤层间距、下位煤层的条带采宽、煤柱的位置关系和条带平衡岩层岩性是条带上行开采的四个关键因素。针对工程实例进行了安全性分析并提出安全对策。

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Contents

1 绪 论

1.1 课题研究的意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及技术路线

2 条带开采岩层变形破坏机理

2.1 条带开采上覆岩层变形破坏的基本模式

2.2 条带采场平衡层的作用机理

2.3 数值模型的建立

2.4 本章小结

3 条带开采煤柱稳定性理论分析

3.1 煤岩的变形破坏过程

3.2 煤柱的理想弹塑性“五区”模型

3.3 煤柱稳定性理论分析

3.4 本章小结

4 近距离煤层条带上行开采弹塑性力学模型

4.1 重复条带开采岩层运动的特点

4.2 弹塑性力学模型及综合判据

4.3 本章小结

5 近距离煤层条带上行开采煤岩层变形破坏数值模拟分析

5.1 下煤层覆岩层运动数值模拟

5.2 上煤层顶底板岩层运动数值模拟

5.3 煤柱位置关系数值模拟分析

5.4 工程实例的安全性分析

5.5 本章小结

6 主要结论

致谢

攻读硕士期间主要成果

参考文献