浅埋煤层采动覆岩复合压力拱演化特征及失稳机制研究

发布时间：2020-03-21 02:08

【摘要】：我国西部煤炭资源储量巨大且开发优势明显,煤层具有浅埋深、基岩薄、厚风(冲)积沙覆盖的典型特点,但脆弱的生态环境和采动诱发灾害问题也严重制约着西部矿区发展。浅埋煤层开采易造成基岩层全厚破断失稳,工作面来压存在强弱周期性,顶板切落致灾及工作面压架问题突出,覆岩冒落带滑落失稳严重威胁着采场安全。本文分别以神东矿区典型浅埋薄基岩和厚基岩煤层开采为工程背景,基于岩层控制关键层理论和压力拱理论,根据各采动阶段岩层破断运移规律,构建了近场覆岩关键块对称压力拱、台阶压力拱、回转压力拱及远场覆岩压力拱结构力学模型,解析推导了压力拱结构稳定性力学判据及承载能力表征指标。利用相似模拟试验和数值模拟验证分析了近场及远场覆岩复合压力拱演化特征,揭示了浅埋煤层采场覆岩运移及来压机理,结合含水砂岩试样分级加卸载及不同围压三轴压缩试验,建立了覆岩压力拱演化与能量场迁移及耗散耦合响应机制,主要研究成果如下:(1)以神东矿区大柳塔矿和上湾矿典型浅埋煤层开采为工程背景,构建了近场覆岩关键块对称压力拱、台阶压力拱及回转压力结构力学模型,解析推导了关键块压力拱结构稳定性判据,并分析了边界水平应力分布特征对压力拱结构稳定性的影响;利用UDEC软件对不同基岩厚度及初始水平应力条件下浅埋煤层开采进行了数值模拟计算,验证分析了近场及远场覆岩复合压力拱演化特征及水平主应力分布规律。(2)基于弹性系统稳定性理论和突变理论,通过建立采场悬露岩层欧拉结构力学模型,解析推导了裂隙岩层弯曲破断失稳方程,分析了近场断裂覆岩压力拱结构的不同失稳模式及岩层挠度、厚跨比和初始回转角因素的影响性;应用数值模拟计算,分析了薄基岩基本顶关键块压力拱结构滑落失稳、回转变形失稳特征及相应来压规律,利用多层位近场覆岩交替失稳特征及运移规律揭示了浅埋煤层工作面顶板台阶切落及强弱周期来压的诱发机制。(3)考虑薄基岩厚松散层和厚基岩薄松散层两种典型浅埋煤层开采工况,利用相似材料模拟试验对浅埋煤层开采过程中覆岩结构演化特征和覆岩应力分布规律进行了分析,得出了不同采动阶段采场各层位覆岩结构形式及组合关系,分析了薄基岩采场与厚基岩采场覆岩结构承载能力差异性,阐释了近场覆岩压力拱与远场覆岩压力拱复合承载机制。(4)根据采场覆岩载荷传递规律及覆岩压力成拱特性,提出了远场覆岩压力成拱指标k、压力拱核区判定指标k_c及核区率指标R_c,并利用上述指标对采动岩层各区域进行了合理划分;利用FLAC~(3D)软件对于浅埋厚基岩煤层开采过程中远场覆岩压力拱演化特征进行了数值模拟分析,结合fish语言编程分析了不同采动阶段远场覆岩压力拱范围及承载情况,并分析了工作面长度、采高、覆岩质量级别及岩性组合效应不同工况因素对岩层压力拱各区域尺寸及承载情况的影响。(5)根据压力拱影响下采场覆岩受载特性,设计了含水砂岩试样分级加卸载及不同围压下三轴压缩试验,揭示了不同加载路径条件下岩样能量演化特征,阐释了围压效应和含水率效应对岩样能量演化特征的影响;基于试验中岩样弹性能拟合方程,建立了岩样能量积聚与释放的突变模型;利用FLAC~(3D)软件内置应变能计算功能和fish语言编程,对浅埋煤层采动过程中覆岩能量积聚、释放及耗散特征进行了模拟分析,揭示了不同采动阶段压力拱各区域岩层能量演化特征。
【图文】：

.2 研究方法及技术路线本文以国家自然科学基金面上项目“采掘扰动围岩三维压力拱演化特征控机制”（51474188）为依托，以神东矿区典型浅埋煤层开采为工程背景学模型理论分析、相似材料模拟、岩石力学试验和数值模拟相结合的综法。基于岩层控制关键层理论和压力拱理论，考虑岩层水平应力分布影了近场覆岩压力拱结构力学模型，解析推导了各类压力拱结构稳定性力探讨可能出现的失稳情况；考虑薄基岩厚松散层和厚基岩薄松散层两种工组合式多功能相似模拟试验台，对浅埋煤层采动覆岩结构演化特征进行拟分析；利用 UDEC 软件 6.0 版本和 FLAC3D软件 5.0 版本数值模拟软件覆岩压力拱和能量场耦合演化特征进行综合分析。采用的技术路线如下：

图 2-3 采场围岩支承压力分布特征g.2-3 Distribution of the supporting pressure of mined-out a断被采出，原来作用于煤层上的覆岩重力失去载体场上部悬露缓沉岩层及地表松散层重力作用于空区受载荷部分转移至远场围岩，远场围岩承担载荷增重新分布。根据以往研究结果，如图 2-3 所示，在采降低区，沿工作面走向冒落带岩层内存在支撑压力存在增压区，沿工作面倾向采空区左右两侧围岩同来源于近场断裂覆岩、远场缓沉岩层及地表松散层压力拱作用区域。
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD32

【参考文献】

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3 周海丰;;神东矿区建设世界一流矿井探索与实践[J];煤炭科学技术;2015年S2期

4 薛东杰;周宏伟;任伟光;张博夫;刘亚群;赵宇峰;;浅埋深薄基岩煤层组开采采动裂隙演化及台阶式切落形成机制[J];煤炭学报;2015年08期

5 严鹏;谢良涛;范勇;卢文波;陈明;周创兵;;不同开挖方式下深部岩体应变能的释放机制[J];煤炭学报;2015年S1期

6 殷有泉;励争;;弹性结构的分岔点失稳和极值点失稳[J];力学与实践;2015年03期

7 史小萌;刘保国;肖杰;;水泥和石膏胶结相似材料配比的确定方法[J];岩土力学;2015年05期

8 杨振国;李铁;;高位关键层对压力拱演化规律影响的研究[J];煤矿安全;2015年04期

9 王兆会;杨胜利;孔德中;;浅埋深薄基岩高强度开采工作面压架机理分析[J];煤炭科学技术;2015年03期

10 王家臣;王兆会;;浅埋薄基岩高强度开采工作面初次来压基本顶结构稳定性研究[J];采矿与安全工程学报;2015年02期

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4 伊茂森;神东矿区浅埋煤层关键层理论及其应用研究[D];中国矿业大学;2008年

5 李凤仪;浅埋煤层长壁开采矿压特点及其安全开采界限研究[D];辽宁工程技术大学;2007年

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本文编号：2592566