基于统一强度理论的巷道侧煤层失稳研究

发布时间：2020-09-16 13:38

　　 煤炭开采过程中,巷道侧煤层稳定性研究一直是煤炭工程中的重要课题。巷道侧煤层失稳可分为三个方面:煤层开采前的巷道侧煤层平动冲击失稳和巷道侧含瓦斯煤层平动突出,以及煤层开采后的保护巷道条带煤柱支护失稳。目前,针对这些问题的理论研究大多将Mohr-Coulomb强度准则和Hoek-Brown强度准则作为煤层塑性屈服判据,没有考虑中间主应力对煤层强度的提高作用,对巷道侧煤层应力和稳定性的正确计算存在一定局限性,且未能充分发挥煤层的强度潜能。统一强度理论合理考虑中间主应力效应,包含现有的主要强度准则,可以适用于各种特性不同的工程材料。因此,本文基于统一强度理论,从这三个方面入手,对巷道侧煤层失稳进行深入而系统的研究。主要研究内容及结论如下:(1)针对巷道侧煤层平动冲击失稳问题,基于Lippmann理论推导了煤层冲击失稳前塑性区和弹性区的应力统一表达式,进而根据竖向应力扰动增量平衡以及水平应力边界条件,得出巷道侧煤层的扰动深度解析式和塑性区宽度统一解,并对比相关文献验证了所得解答的正确性。结果表明,深埋煤层发生冲击失稳的倾向性较高、破坏范围较大,而薄煤层更易发生小范围的冲击失稳。(2)针对巷道侧含瓦斯煤层平动突出问题,建立含瓦斯煤层的平动突出模型,结合线性、正弦和指数三种瓦斯分布形式,分别推导了某一瓦斯分布下煤层突出前的应力统一解、扰动深度解析式以及塑性区宽度统一解,并得到相关文献的正确性验证。研究表明,侧压力系数取值较高时煤层突出的倾向性降低;瓦斯压力及其分布形式对煤层平动突出的影响较大,实际工程中需全面考虑瓦斯的不利作用,以保护巷道安全。(3)针对保护巷道条带煤柱支护失稳问题,将倾斜煤层类比成水平煤层,提出合理考虑中间主应力效应的倾斜条带煤柱极限强度公式,继而结合威尔逊煤柱设计理论,建立考虑矸石支撑作用和煤层倾角影响的倾斜条带煤柱留设宽度统一解,并对比基于Mohr-Coulomb强度准则的经验公式进行结果验证。结果表明,对于埋深较浅或开采宽度较大的煤层,垮落矸石对上覆岩层的支撑作用更为明显;煤层倾角大于10°时影响较大,需考虑倾斜煤层赋存条件下自身的特殊性。(4)综合对这三个方面的参数分析研究得出,中间主应力对巷道侧煤层稳定性的影响显著,合理考虑中间主应力对煤层强度的提高作用,有利于巷道侧煤层应力和稳定性的正确计算,且能够充分发挥煤层的承载潜力。(5)黏聚力和内摩擦角作为巷道侧煤层的重要强度参数,其变异性应得到充分考虑,特别是内摩擦角;界面强度参数反映煤层与岩层交界面的滑移效应,对巷道侧煤层稳定性的影响十分显著,设计研究时需特别重视。
【学位单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD821
【部分图文】：

开采前煤层示意图

开采后煤层示意图

煤层平动冲击失稳的力学模型巷道侧煤层平动冲击失稳的基本假定有[44-45]：

【参考文献】

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本文编号：2819916