深部开采煤岩截割及采场顶底板中某些问题的力学效应分析

发布时间：2020-04-26 12:57

【摘要】：随着煤炭资源开采水平的加深,地质条件愈来愈复杂,井下生产状况愈来愈严峻,需对机械化开采及工作面稳定性状况进行深入细致的了解。首先,采用理论分析、实验室试验相结合的方法,在前人积累的宝贵理论及试验基础上,提出围压下煤岩截割峰值力计算方法,设计并进行在围压下的煤岩截割力学试验,综合理论及试验结果对不同工况下煤岩崩落前裂隙发育、变形破碎及耗能特征进行深入研究;其次,考虑煤炭资源开采过程中顶板增压荷载的多样化,对开采过程中坚硬顶板变形、内力及断裂步距变化特征进行系统研究;最后,依据沿空煤巷底板全场非对称受力状况,阐述底鼓机理,并对巷道底板变形及内力变化规律进行研究。成果如下:(1)结合工作面煤岩承压破碎条件及采掘过程中岩齿相互作用状况,提出基于Evans理论在围压下镐形截齿煤岩截割峰值破坏力等参数的计算方法,并进一步结合截割试验结果对截割峰值力计算方法进行修正。理论研究结果表明:基于曲线型强度准则的理论计算与试验结果具有较强的吻合程度。随着截割围压的增加,截割峰值荷载呈现先增后减的变化规律,崩落角表现出呈对数增加特性,其上限为180°;而当考虑截割围压且保持不变时,随着煤岩抗拉强度的提高,崩落角呈负指数减小,其下限为120°。随着截割厚度及截齿半锥角的增加,截割峰值荷载持续增加。(2)通过相似模拟实验,针对镐形截齿煤岩截割进行了围压、侵入体半锥角、截割厚度、侵入速率、侵入角度、材料普氏系数及截割间距变化对截割力学效应及能耗特征的研究。结果表明:截割要素对于截割峰值荷载、侵入系数、崩落体重量及比能耗等具有重要影响,易造成煤岩侵入难度、块煤率及截齿磨损等的改变。围压的存在虽然增加侵入系数及峰值荷载,但会造成崩落体重量的显著增加,进而降低比能耗。由于截割围压的增加,对于镐形截齿煤岩连续截割,最佳截距比发生增长:当围压为4MPa时,最佳截距比为3;而在无围压时,最佳截距比为2。(3)基于弹性地基梁原理,提出适应于任意增压荷载形式的坚硬顶板变形及内力计算方法,获得了断裂步距变化规律。结果表明:地基刚度由大变小时,顶板跨中挠度明显增大,增压荷载作用下煤壁内顶板弯矩极值增加;支护阻力作用下,煤壁内弯矩极值明显减小,其位置向煤壁靠拢;地基刚度对断裂步距影响较小,峰值荷载位置越靠近煤壁初次断裂步距越小,且地基刚度较小时,采空区跨中易产生初次断裂。(4)采用依据弹性地基梁原理进行坚硬顶板变形及内力研究的方法,结合沿空巷道底板全场受力特征,得到了非对称沿空煤巷底板变形及内力的变化规律。即,随着沿空煤巷埋深的增加,巷内底鼓量及底板弯矩均相应增加,并且煤巷埋深与底鼓极值之间具有明显的线性关系;结合煤炭资源开采率及沿空煤巷底鼓维护因素,宜采用窄煤柱护巷;底板抗弯刚度的增加,引起巷内底鼓量减小,但过大的底板抗弯刚度会提升巷内底板弯矩,造成巷内底板的向巷内断裂。
【图文】：

示意图,截割机构,掘进机,采煤机

图 2-1 采煤机、掘进机截割机构示意图Figure 2-1 Map of cutting mechanism of Coal miner and Diggers对于深部地下开采过程中采区及井巷的煤岩状态，有很多国内外相关学者进行了研究，并分别提出了塑性破坏[67,68]及极限平衡区[69~71]等相关概念。采区工作面及井巷掘进工作面的待开采围岩应处于塑性破坏状态，然而由于工作面采空区一侧的无约束行为及深部煤岩的变形破坏来释放压力等行为，使得待截割围岩并非处于完全破碎状态，而是组成以完整块状岩石为主体的裂隙承压破坏区。该区域岩体不仅受到来自于上覆岩层的一部分重力，而且受到来自于工作面周边顶底板的夹持及摩擦作用，成为极限破坏区。本处对采区开采及井巷掘进的围岩承受镐形截齿的截割模型进行一定的简化，认为：在围岩截割过程中，待截割煤岩是需要承受一定围压的，而不同的围岩压力对煤岩截割会产生不同的影响，即深部工作面开采为围压下的煤岩截割，如图 2-2 所示。其中 p 为截割围压，h 为截割厚度，β 为侵入角度。

实验系统,千斤顶

图 2-6 实验系统Figure 2-6 Testing system(3) 横向围压约束系统为了使模型受力满足图 2-2 所示的煤岩受力特征，本次试验加工了一个约束装置（见图 2-7），该约束系统由岩样夹持钢板及千斤顶构成，其中千斤顶包括两个，均为 RSM-200型 20T 薄型千斤顶；岩样的实验围压通过千斤顶液压管外接的 MIK-P300 型压力变送器及 MIK-R200D 型四通道无纸记录仪进行监控与维持。该系统对煤岩试样的两个侧面进行法向恒压约束，前方为自由面，在试样上表面临近自由面边界处进行截齿的近边界侵入实验。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD32

【参考文献】