不同条件口孜东矿采区行人上山顶板离层的数值模拟

摘要

目前，煤炭资源已经进入深部开采阶段，不同于浅部开采的境况，深部煤炭开采由于地应力剧烈增加，地质条件复杂等原因，造成顶板事故频繁发生。口孜东矿11-2煤采区行人上山埋深950米，巷道上方岩层由于地质沉积的原因，存在着许多层状软岩，属于典型的复合顶板巷道。该深井矿压显现剧烈，为有效控制11煤巷道围岩稳定，提高支护效果。需要对11煤顶板岩体结构及岩性进行分析及研究，确定11煤层巷道顶板破坏分布与发展的规律、可能发生离层的位置以及离层值。　　本文通过对巷道顶板不同位置钻孔取芯得到不同岩石的实验室力学参数，将巷道置于不同顶板位置如煤、泥岩、砂岩中，分别建立 ANSYS有限元数值模型进行计算分析。通过结构面之间相邻点位移差确定离层值以及结构面法向拉应力数值，来确定顶板离层的变化以及巷道结构面拉应力分布范围。通过改变不同条件，如支护反力、顶板岩性、两帮岩性、巷道形状等对巷道顶板离层规律以及关键层位置进行了模拟分析，得出了顶板离层规律及分离的原因。最后利用钻孔摄像法对巷道不同位置钻孔得到的视频观测图像，对岩层结构面的破碎情况进行分析，验证了数值模拟方法的可行性。　　根据数值模拟结果本文得到了以下结论：　　(1)巷道不论置于煤层中还是煤层顶板，结构面关键层均出现不同程度的离层，结构面法向拉应力在数值变化上以应力拱形式出现，在锚杆索支护情况下，拉应力范围都比较宽，顶板有进一步分离的趋势；　　(2)不同条件数值计算结果表明,法向拉应力分布规律基本相同,结构面最大拉应力范围是与巷道宽度的0.55~0.8倍；　　(3)巷道锚杆索支护参数影响关键层位置及关键层层间离层稳定性，锚杆索预紧力对层间离层影响最为显著；　　(4)顶板岩层组成影响关键层位置及不稳定发展趋势，顶板关键层主要由岩层距巷道顶板高度、岩层厚度及岩层力学性质确定；　　(5)复合顶板中软弱夹层虽然距离巷道较远，但是稳定性差，易产生分离，是顶板中最薄弱的部位，要加强支护；　　(6)顶板结构面层间离层不稳定产生、发展主要是从关键层开始的，合理支护（主要锚杆索支护）应重点加强对关键层支护，保持关键层稳定；　　(7)深部巷道顶板关键层结构面分离主要由结构面中部法向拉应力引起的，应重点加强关键层结构面和软弱夹层中部支护，保持层间离层稳定。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 复合顶板离层研究现状

1.3 目前离层研究存在的问题

1.4 复合顶板离层的研究意义

1.5 研究的主要内容和方法

1.6 研究的技术路线

第二章 复合顶板层间离层研究及工程概况

2.1 复合顶板概述

2.2 离层概述及工程应用

2.3 复合顶板离层机理

2.4 复合顶板离层研究方法

2.5 本论文在顶板离层数值模拟中的特色

2.6 口孜东矿11-2采区工程概况

2.7 本章小结

第三章 口孜东矿11-2煤顶板物理力学参数测定

3.1 现场取芯及测试内容

3.2 标准试件加工

3.3 岩石物理力学参数测定

3.4 顶板岩石力学参数测定

3.5 本章小结

第四章 口孜东矿复合顶板层间离层数值模拟

4.1 数值模拟软件ANSYS10.0简介

4.2 建立ANSYS有限元模型

4.3 网格划分及单元类型选择

4.4 层间结构面模拟方法以及网格划分

4.5 岩石本构模型及力学参数选择

4.6 锚杆索单元的添加

4.7 边界条件选取及外荷载施加

4.8 收敛准则选取

4.9 数值计算结果提取

4.10 本章小结

第五章 不同开采条件下数值模拟计算结果及分析

5.1 巷道布置于煤层中

5.2 巷道布置于煤层顶板

5.3 巷道布置于煤层顶板有软弱夹层

5.4 巷道处于三种不同位置离层综合分析

5.5 主要结论

5.6 本章小结

第六章 数值模拟结果现场验证

6.1 钻孔摄像仪观测

6.2 现场实验测点布置

6.3 YTJ20型岩层探测记录仪实测结果

6.4 钻孔摄像法观测对分析结果验证

6.5 本章小结

第七章 研究结论与展望

7.1 研究结论

7.2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果