厚层软岩顶板预裂充填沿空留巷围岩变形机理及应用

发布时间：2020-04-13 21:45

【摘要】：近些年,煤矿开采的发展更加趋向于高效、节约化,无煤柱沿空留巷技术作为科学高效开采的重要技术之一得到了广泛的应用。较厚软弱顶板煤层分布广泛,但由于软岩岩层松散、破碎、强度低、上覆岩层运移复杂等特性,致使沿空留巷难以实现。本文针对以上难题运用实验测试、理论分析、数值模拟、相似试验和现场工业性试验等研究方法,对厚层软岩顶板巷道物理力学特性、覆岩运移规律、沿空留巷围岩稳定性、厚层软岩预裂充填支承结构特征以及预制裂缝的扩展、贯通机理展开了系统的研究。论文的主要创新工作和研究成果包括以下几个方面:(1)对厚层软岩巷道围岩的物理力学特性开展试验研究,得到了煤(岩)样的单轴抗压强度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力等物理力学参数。通过巷道深部围岩结构观测厚层软岩巷道顶板破碎、裂隙发育及完整范围,得到巷道采空侧悬顶长度。(2)建立了预裂断顶角度分别为向巷道采空侧偏转、向巷道侧偏转和垂直巷道顶板三种断顶方式结构力学模型,通过分析软弱顶板弯曲变形规律可知:预制裂隙偏角对顶板下沉量影响明显。构建了不同垮落充填体弹性系数条件下上部稳定岩层平面力学模型,研究结果表明:随着弹性系数的增加,将降低岩体受到的拉应力,制约上位稳定岩层剪切应力集中程度,有利于保持岩体的完整性。分析了沿空留巷围岩结构在不同回转角度时应变能的变化趋势,结果显示:均布载荷对上位稳定岩层产生的应变能随弯曲下沉量的增加呈线性积聚,上位稳定岩层与厚层软弱岩层应变能呈指数增加,实体煤壁随着回转下沉量的增加应变能急剧速率降低。(3)根据厚层软岩的赋存特点,建立断顶角度分别为-5°、0°、5°、10°及15°条件下离散元三维计算模型。经分析巷道实体煤侧垂直应力分布特点及塑形损伤范围可知:断顶角度为5°时降低了巷道实体煤侧的应力集中,缓解了煤层开采对巷道顶板的扰动和承载能力的损失,垮落充填体有效的支撑巷道采空侧上覆岩层。当沿空留巷位于倾斜煤层时,垮落充填体位于留巷煤壁上帮时,留巷区域围岩变形和塑性损伤较垮落充填体位于下帮煤壁更明显,在开采过程中应力分布波动幅度更加明显,更容易导致沿空留巷围岩结构的失稳。(4)建立预制裂缝间隔分别为0m、0.5m、1m、1.5m及2m条件下三维计算模型,通过分析预制裂缝周围水平应力、塑性损伤演化规律及裂缝扩展能量耗散特征可知:预制裂隙间隔为1m时,较好地卸除了留巷初始段应力集中,预制裂缝及时扩展、贯通,有效的控制了周围岩体剪胀损伤及能量集聚耗散过程,有利于岩层的协调跨落。随着埋深的增加,沿空留巷周围岩体的垂直应力、水平应力以及剪切应力水平将不断增加。预制裂缝周围岩体在拉伸和剪切的作用下发生塑性损伤,预制裂缝周围岩体以剪切破坏为主,当预制裂缝相互贯通后,周围岩体以拉伸破坏为主。(5)用相似材料试验对断顶充填沿空留巷上覆岩层的运移特征和矿山压力变化规律进行研究,结果显示:预裂爆炸应力波的主频带主要集中在30HZ左右,预裂爆破产生的应力波在沿空留巷采空侧软岩中传播损耗较大,在上位较为坚硬岩层中传播损耗较小。因此,预裂爆破对沿空留巷上位岩层扰动较小,有利于上覆砌体结构的稳定性。预制裂缝不仅有效卸除超前支承应力形成的应力集中,隔离开采扰动和软弱岩层垮落对沿空留巷围岩的扰动影响,而且在沿空留巷采空侧形成的垮落碎胀充填支撑结构结构,缓解高位岩层旋转、破断形成的冲击载荷,减小沿空留巷围岩的变形。(6)在山西长兴煤业5203回风巷道成功地实施了厚层软弱顶板预裂充填沿空留巷,有效地解决了厚层软弱顶板条件下难以沿空留巷的难题,取得了良好的应用效果。留巷围岩来压和位移监测结果表明:工作面后方10～15m范围为围岩变形和来压剧烈区;工作面后方16～25m位移变化速率逐渐减小,留巷来压逐渐降低;工作面后方大于40m为稳定区,围岩变形较小,来压趋于稳定。现场工业性试验成功证明了预裂充填沿空留巷方法及本研究结论的合理性和可靠性。
【图文】：

注水、爆破弱化的机理，制定了顶煤注水、顶煤爆破、顶板预裂爆破等各项技术措施的具体参数，形成一套对提高两硬厚煤层综放工作面行之有效的顶煤弱化技术，，顶板预裂爆破孔布置图如图1-1和1-2所示[125]。

图1-2综放工作面切眼炮孔布置刨面示意图Figure 1-2 Sketch map of cutting hole layout in fully mechanized caving face殷鹏飞，杨圣奇等指出，不同力学性质岩层组合而成的厚层岩层中，裂隙力学特性和裂纹扩展、破坏模式等与单一岩层不尽相同，并通过对两种力学性质差异明显的软硬岩石材料组成的厚层岩石材料作为模拟模型进行单轴压缩试验，得到了不用厚层岩层夹角与加载力方向条件下单裂隙在厚层岩层中的扩展过程以及最后贯通破坏模式[126]。1.4研究内容、方法及技术路线（Main Research Contents）1.4.1 研究内容本文针对厚层软岩巷道收敛变形大，难以实现沿空留巷的难题，综合运用理论计算、物理试验、数值模拟、现场试验等研究手段，对厚层软岩顶板条件下沿空留巷关键预裂断顶参数、围岩位移规律、应力分布特征、塑性区扩展演化机理及能量耗散过程进行深入分析，具体研究内容包括：1、通过物理力学特性试验得的厚层软岩顶板条件下巷道围岩的密度、单轴
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD322

【参考文献】

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本文编号：2626481