多年冻土层下大倾角煤层开采覆岩结构及其运动规律研究

摘要

青海木里煤田已探明煤炭资源储量约36亿t，其中主要为优质焦煤资源。江仓矿区娘姆特煤矿作为木里煤田第一个高原高寒地区大型试验井工煤矿即将开始试生产。江仓矿区位于青藏高原北部的多年冻土层连续分布区。由于多年冻土层的厚度大、整体性好，煤层开采时上覆多年冻土层将会对采场安全和地表损害产生重大影响。多年冻土层下大倾角煤层开采覆岩结构及其运动规律亟待深入研究。
　　采用MTS万能试验机测定了多年冻土的抗压、抗拉强度和弹性模量等力学参数。结合相关地质资料，确定出娘姆特煤矿第四系多年冻土层主要物理力学参数：单轴抗压强度为5.7MPa，密度2000kg/m3，弹性模量2.7GPa，泊松比0.3，内摩擦角30°，内聚力2MPa，抗拉强度1.63MPa。进一步测定分析了多年冻岩的抗压和抗拉强度等力学参数。为相似材料模拟实验、计算机数值模拟和力学理论分析提供了可靠基础。
　　实验室相似材料模拟实验发现：近距离煤层开采过程中，各煤层顶板从倾斜工作面上端回风平巷附近发生整体切落，形成以下部运输平巷顶板为固支点，整体倾斜倾倒的倾斜旋转复合顶板结构，继而在工作面上部回风巷顶部形成整体悬空的“厂”形上保护岩梁结构，并出现整体切落下沉破断特征。多年冻土层呈现整体悬空状态的“板盖”结构，其变形、破断、垮落等与下部煤岩体产生不同步运动现象，两者间出现离层结构。
　　计算机FLAC3D数值模拟研究显示：近距离煤层开采过程中，煤层间的顶、底板围岩发生塑性破坏，并相互贯通形成一个整体，结合顶板不同位置位移监测点的运动规律和位移等值阴影图特征，从微观塑性破坏过程解释了实验室相似材料模拟实验中形成倾斜旋转复合顶板结构和“厂”形上保护岩梁结构的内在原因；多年冻土层与其下部煤岩形成不连续塑性破坏分布状态。地表冻土层位移监测点下沉位移变化曲线和位移量等值阴影图显示，在多年冻土层“板盖”中部下沉值较大，但下沉变形量比下部煤岩小，其为产生离层结构的内在原因。进一步的分析发现，冻土层厚度的变化不影响上述塑性破坏特征和运动规律的发生，多年冻土层越厚，其整体性越强，地表下沉幅度越小。
　　采场顶板岩梁破断理论分析解释了倾斜旋转复合顶板结构和“厂”形上保护岩梁结构破坏、运动的力学机理。采场“薄板”破断矿压理论分析揭示了多年冻土层“板盖”变形、垮断的力学机理。开采过程中，倾斜旋转复合项板结构倾斜旋转和“厂”形上保护岩梁结构下沉运动，引起多年冻土层“板盖”倾斜方向和走向方向受力的不均衡，在倾向方向多年冻土层“板盖”两侧拉应力较大，容易产生拉破坏。进一步的弹性力学计算得出：多年冻土层走向初次垮落步距为180.98m、周期垮落步距为41.18m，其数值远比正常岩层大。
　　相似材料模拟实验、数值模拟和采场矿压理论分析结果说明：多年冻土层下大倾角煤层的开采形成的覆岩破坏结构非常复杂，除了部分煤层老顶中存在关键层结构的破断外，还有倾斜旋转复合顶板结构运动、“厂”形上保护岩梁结构的整体突发性失稳、多年冻土层“板盖”结构的特殊破断过程等矿压现象。多年冻土层下大倾角煤层开采覆岩结构及其运动规律研究结论了丰富煤矿开采理论，对娘姆特煤矿及木里煤田的其他煤矿煤碳安全、高效、绿色开采具有重要的科学价值和现实意义。

目录

声明

主要符号表

1绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容和研究目标

1.4研究方法和技术路线

2娘姆特煤矿多年冻土物理力学性质

2.1娘姆特煤矿多年冻土层分布特征

2.2娘姆特煤矿多年冻土物理特性

2.3娘姆特煤矿多年冻土力学参数测试

2.4多年冻岩力学参数测试分析

2.5本章小结

3多年冻土层及煤层顶板破断结构特征相似材料模拟实验

3.1相似材料模拟实验理论基础

3.2实验方案

3.3多年冻土层和煤层顶板破坏特征分析

3.4多年冻土层地表下沉规律分析

3.5相似材料模拟实验结论

3.6本章小结

4多年冻土层及煤层顶板变形破坏特征数值模拟

4.1 FLAC3D数值模拟模型建立

4.2煤层开采多年冻土层及顶板塑性破坏特征

4.3煤层开采多年冻土层及顶板运动规律

4.4不同冻土层厚度覆岩破坏与运动规律区别

4.5计算机数值模拟结论

4.6本章小结

5煤层顶板及多年冻土层破断力学机理分析

5.1力学分析模型建立

5.2煤层顶板破断结构特征及运动规律力学分析

5.3多年冻土层破断结构特征及运动规律力学分析

5.4多年冻土层走向垮落步距分析

5.5破断运动力学机理分析结论

5.6本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

致谢

附录