“刀把式”采场顶板破断机理及力学演化特征的面长效应研究

摘要

随着煤炭开采强度的增加，地质条件不断恶化，“刀把式”不规则采场的煤层开采现象增多。“刀把式”采场的普遍存在导致了煤层开采的复杂性和多变性，引起采动含瓦斯煤岩体非线性破裂的剧烈程度增强，增加了低渗透度强吸附性高瓦斯煤层群的开采难度。同时“刀把式”采场的覆岩空间结构更加多样化，围岩破坏形态较不规则，应力演化过程更加复杂多变，与正规采场相比表现出独特的发展规律和时效特征。论文聚焦“刀把式”采场的安全开采问题，采用理论分析、岩石力学试验、数值模拟、相似模型试验和现场监测的综合研究方法，对“刀把式”采场覆岩空间的结构特征与破断机理以及采动应力场、覆岩位移场和项板裂隙场的时空演化规律进行系统研究，取得了如下研究成果:
　　结合“刀把式”采场不同开采阶段的岩层叠赋特点和运动规律，采用理论分析建立了“刀把式”工作面“三场三区三结构”的覆岩结构模型，揭示了变面长采场顶板分段延伸、瞬时突变和分区迁移的时空演化特征。对于工作面斜长由小变大的“刀把式”采场，沿工作面推进方向经历了小面采场、变面采场和大面采场三个发展阶段，各阶段覆岩经历了缓压静采区、异压变采区和增压动采区三个转变过程，相应阶段的覆岩空间结构划分为缓压型结构、突变型结构和增压型结构三种类型。
　　借助室内岩石力学试验，得到了煤层顶板单轴及三轴试验条件下的全程应力-应变曲线以及围岩强度、弹性模量、变形模量、泊松比等力学参数，完成了对工作面开采过程中围岩力学环境的综合评估和性态评价。
　　以工作面斜长由小变大和由大变小的“刀把式”采场为研究载体，运用弹性薄板理论构建了5种不同支承边界条件下的顶板力学模型，运用理论计算得出了大小采面基本顶断裂前后的挠度、弯矩和应力解析表达式。通过理论分析发现了变面长采场顶板破断的力学机理，揭示了顶板断裂破坏的演化规律。小面采场顶板首先在板边四周形成空间的“O”型破断，而后在中部形成平面的“X”型破断，两者贯通后构成顶板的“O-X”型破断;而大面采场顶板先在顶板中部形成空间“X”型破断，而后与后期形成的“O”型破断交合贯通共同构成顶板的“X-O”型破坏模式。
　　采用数值模拟手段研究了等长工作面、“正、反刀把式”工作面三种面长条件下的采场力学演化行为与岩层活动存在的规律，得出了变面长采场顶板塑性区的衍生趋势和扩展空间、采动应力场的演化特征和覆岩位移场的变形规律，揭示了变长工作面与等长工作面应力分布与覆岩运移的同步特征和异形机制。
　　运用三维相拟模型试验研究了“正、反刀把式”工作面不同开采阶段的覆岩破断特征、裂隙发育状态、覆岩运移规律和应力演化过程，得出了“刀把式”采场回采期间顶板破断具有瞬时突变、分段延伸和分区迁移的时空特点，覆岩裂隙场经历了卸压失稳、张裂破坏、萎缩变小、拟合封闭的动态演变过程，覆岩运移非线性下沉的时空效应以及覆岩走向应力与倾向应力动态演变的分布规律。
　　通过现场实测得出了潘三矿1622(3)“刀把式”工作面煤层开采期间液压支架的运行状况、工作阻力的荷载分布状态、顶板来压特征及巷道围岩的移动变形量，揭示了“刀把式”采场大、小采面及工作面对接区间矿压显现的一般规律和内在联系，为论文研究的主体内容和相关结论提供了可靠的工程验证。针对“刀把式”采场具体的分区特点和阶段效应，根据工作面不同开采时期制定了切实可行的顶板防控措施，建立起“刀把式”采场顶板控制的长效机制，形成了“刀把式”采场“预防-控制-维护-监控”多位一体时空协同模式的顶板防控体系。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及研究意义

1．2 国内外相关研究现状

1．2．1 正规采场覆岩结构及矿压理论的研究现状

1．2．2 不规则采场覆岩结构及矿压理论的研究现状

1．2．3 不规则采场应力演化特征与开采技术的研究现状

1．3 目前研究存在的问题

1．4 论文研究的主要内容

1．5 研究方法及技术路线

2 “刀把式”采场顶板的结构特点及岩性特征

2．1 “刀把式”采场顶板的结构特点

2．1．1 工程地质背景

2．1．2 顶板结构特点

2．2 “刀把式”采场顶板的岩性特征

2．2．1 试验内容及设备

2．2．2 岩石的物理力学试验

2．3 本章小结

3 “刀把式”采场顶板破断的力学机理

3．1 薄板理论概述

3．1．1 薄板概念及基本假设

3．1．2 薄板理论的基本力学方程

3．2 “刀把式”采场顶板的力学模型分析

3．2．1 小面采场顶板破断前的力学模型分析

3．2．2 小面采场顶板破断期间的力学模型分析

3．2．3 小面采场顶板破断后的力学模型分析

3．2．4 大面采场顶板破断前的力学模型分析

3．2．5 大面采场顶板破断后的力学模型分析

3．3 “刀把式”采场顶板的破断机理

3．4 “刀把式”采场顶板破断的算例分析

3．4．1 算例分析软件简介

3．4．2 不同薄板结构的内力分布特征

3．5 本章小结

4 “刀把式”采场力学演化特征的面长效应

4．1 数值模拟软件

4．2 “刀把式”采场力学效应的数值模拟

4．2．1 模型建立及参数设计

4．2．2 顶板塑性区的破坏范围

4．2．3 采动应力场的演化特征

4．2．4 覆岩位移场的变形规律

4．3 本章小结

5 “刀把式”采场应力演化特征及岩移规律的三维模型试验

5．1 试验目的及对象

5．1．1 试验目的及研究内容

5．1．2 试验对象及工程概况

5．2 试验的理论基础

5．3 试验的模型设计

5．4 试验监测方法

5．4．1 应力监测方法

5．4．2 位移监测方法

5．4．3 覆岩破坏及裂隙分布监测方法

5．5 覆岩外部破坏及裂隙分布特征

5．6 覆岩内部破坏及裂隙发育状况

5．6．1 “正刀把式”采场覆岩内部破坏及裂隙发育状态

5．6．2 “反刀把式”采场覆岩内部破坏及裂隙发育状态

5．6．3 “刀把式”采场覆岩内部破坏及裂隙发育特征小结

5．7 覆岩运移规律

5．8 应力演化特征

5．8．1 “刀把式”采场覆岩走向剖面的应力演化特征

5．8．2 “刀把式”采场覆岩倾向剖面的应力演化特征

5．9 本章小结

6 “刀把式”采场矿压显现特征及顶板防控体系

6．1 矿压观测方案

6．1．1 观测目的及内容

6．1．2 测点布置方案

6．2 矿压显现特征

6．2．1 小面采场矿压显现特征

6．2．2 大面采场矿压显现特征

6．2．3 工作面全程矿压显现特征

6．3 工作面支架的阻力分析及荷载分布

6．3．1 工作面全程支架阻力分析

6．3．2 工作面对接区的支架荷载分布

6．4 巷道围岩的变形特征

6．4．1 小面巷道围岩的变形特征

6．4．2 工作面对接前后巷道围岩的变形特征

6．4．3 大面巷道围岩的变形特征

6．5 “刀把式”采场顶板防控体系

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

作者简介及读博期间主要科研成果