沿空留巷充填区域直接顶稳定机理及控制技术研究

发布时间：2017-10-29 12:24

  本文关键词：沿空留巷充填区域直接顶稳定机理及控制技术研究

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【摘要】：沿空留巷充填区域直接顶向下传递老顶对巷旁充填体的载荷和旋转变形、向上传递充填体对老顶的支撑作用,在工作面超前支承应力作用、工作面支架反复支撑作用下(反复受载),充填区域直接顶稳定性差,该区域直接顶稳定状况是综采放顶煤、复合顶板等松软破碎顶板沿空留巷能否成功的关键之一。本文综合采用现场实测、实验室试验、理论分析、数值模拟、工业性试验等方法,系统研究沿空留巷充填区域直接顶变形、载荷传递、承载机制及稳定控制技术,主要研究成果为:(1)基于对沿空留巷充填区域直接顶力学介质的评估,设计了直接顶岩样三轴卸荷试验的应力路径,采用多级轴压多次屈服三轴卸围压试验的方法测定了充填区域直接顶峰后损伤岩样的卸荷力学参数(强度衰减和剪胀变形规律),建立了考虑岩石峰后剪胀效应的沿空留巷充填区域反复受载直接顶卸荷力学应变软化模型,在FLAC3D中实现了考虑沿空留巷充填区域直接顶强度衰减和剪胀变形的数值计算。(2)采用弹性损伤力学和能量变分理论,推导了不同时期沿空留巷充填区域直接顶垂直应力和水平应力表达式,研究得到了工作面液压支架支撑护顶阶段、无巷旁充填体支撑阶段、巷旁充填体增阻支撑阶段、巷旁充填体稳定支撑阶段充填区域直接顶垂直应力和水平应力分布特征,同时给出了不同时期充填区域直接顶拉应力作用范围和水平错动范围的计算式,结果表明:随着顶板回转下沉角的增加,充填区域直接顶拉应力作用范围逐渐减小,水平错动范围逐渐增大。(3)采用数值计算的方法,研究得到了巷旁充填体宽度、直接顶岩性、直接顶厚度与煤层厚度比值等因素对沿空留巷充填区域直接顶变形特征影响规律;基于沿空留巷直接顶的不均匀受力特征和两帮的不均衡承载特征,建立了沿空留巷巷旁支撑系统载荷传递作用力学模型和沿空留巷充填区域直接顶承载力学模型,推导给出了沿空留巷充填区域直接顶载荷传递能力计算式、沿空留巷直接顶不均匀受力系数计算式和沿空留巷充填区域直接顶承载能力计算式,得到了充填区域直接顶载荷传递能力、直接顶不均匀受力系数和直接顶承载能力影响因素和影响规律。(4)采用理论分析和数值计算的方法,研究了锚杆支护对直接顶岩体剪胀变形的控制作用,并分析了沿空留巷充填区域直接顶和老顶离层变形的控制原理,开发了沿空留巷充填区域反复受载直接顶分区域动态加固稳定控制技术:工作面超前采动影响区域以外提前采用锚杆锚索支护提高实煤体帮支护强度;工作面液压支架支撑阶段,提前采用高预应力锚索支护技术将充填区域直接顶和老顶锚固为整体、液压支架带压移架、提前采用高预应力高强度高延伸率锚杆支护技术加固充填区域直接顶;无巷旁充填体支护(临时支护)阶段,充填区域采用高阻力单体液压支护补充充填区域直接顶支护强度,确定合适的充填区域宽度,在充填区域外侧临时支护区域采用充填液压支架适当提高对顶板的支护强度和临时支护宽度;巷旁充填体增阻支撑阶段和稳定支撑阶段,采用增阻速度快的巷旁充填材料及时支撑充填区域直接顶,提供垂直方向上的支撑荷载。根据沿空留巷充填区域直接顶稳定控制技术,针对新元煤矿500m埋深、采高2.8m、沿空留巷宽度5.2m的生产地质条件下,在新元煤矿3107工作面辅助进风巷实施了沿空留巷工程,现场应用表明,沿空留巷充填区域直接顶分区域动态加固稳定控制技术有效控制了充填区域顶板稳定性,留巷围岩整体效果良好。
【关键词】：沿空留巷 充填区域直接顶 反复受载 剪胀变形 离层 稳定控制
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD353
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-31
• 1 绪论31-43
• 1.1 研究背景与意义31-32
• 1.2 国内外研究现状和发展动态32-39
• 1.3 存在的问题39-40
• 1.4 研究内容、方法及技术路线40-42
• 1.5 主要创新点42-43
• 2 沿空留巷充填区域直接顶强度衰减和剪胀变形规律43-78
• 2.1 沿空留巷充填区域直接顶力学介质评估43-45
• 2.2 沿空留巷充填区域直接顶室内卸荷试验方案45-47
• 2.3 充填区域直接顶峰后损伤岩样卸荷力学参数测试的室内卸荷试验47-58
• 2.4 沿空留巷充填区域直接顶岩样卸荷力学参数变化规律58-65
• 2.5 基于卸荷试验的沿空留巷充填区域直接顶应变软化模型的建立65-69
• 2.6 基于卸荷试验的沿空留巷充填区域直接顶应变软化模型的合理性评估69-77
• 2.7 本章小结77-78
• 3 沿空留巷充填区域直接顶不同时期受力状态分析78-99
• 3.1 沿空留巷顶板活动规律及结构特征78-80
• 3.2 沿空留巷充填区域直接顶不同时期应力解析80-85
• 3.3 沿空留巷充填区域直接顶不同时期受力状态分析85-97
• 3.4 本章小结97-99
• 4 沿空留巷充填区域直接顶变形、传递载荷、承载机制99-118
• 4.1 沿空留巷充填区域直接顶变形机制99-105
• 4.2 沿空留巷充填区域直接顶传递载荷作用机制105-112
• 4.3 沿空留巷充填区域直接顶承载作用机制112-116
• 4.4 本章小结116-118
• 5 沿空留巷充填区域直接顶稳定控制技术118-138
• 5.1 沿空留巷充填区域直接顶控制原理与基本思路118-119
• 5.2 锚杆支护对充填区域直接顶滑移剪胀变形的抑制作用119-127
• 5.3 沿空留巷充填区域直接顶与老顶的离层变形控制机理127-135
• 5.4 沿空留巷充填区域直接顶稳定控制技术135-136
• 5.5 本章小结136-138
• 6 工程实践138-146
• 6.1 试验巷道生产地质条件138-139
• 6.2 3107 辅助进风巷沿空留巷围岩控制技术139-142
• 6.3 充填区域直接顶稳定控制效果分析142-144
• 6.4 本章小结144-146
• 7 主要结论与展望146-150
• 7.1 主要结论146-149
• 7.2 研究展望149-150
• 参考文献150-158
• 作者简历158-161
• 学位论文数据集161

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