基于地應力-沉積巖層結(jié)構(gòu)控制的采場底板巷道圍巖變形機理研究.pdf

1、巷道變形破壞是制約礦井安全高效開采的主要因素之一，巷道變形破壞機理復雜，受多種因素控制。為揭示采場底板巷道變形破壞機理，本文以淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦主采煤層8煤底板為研究對象，分析了煤層底板沉積巖層結(jié)構(gòu)及礦井地應力場特征，綜合運用理論分析、數(shù)值模擬、相似材料模擬和現(xiàn)場實測等方法，對采場底板巷道變形機理進行了研究，揭示了底板巷道變形破壞的地應力-沉積巖層結(jié)構(gòu)控制機理。取得的主要研究成果和結(jié)論有:
　　(1)通過對研究區(qū)沉積環(huán)境、巖性組合特

2、征分析，將8煤底板巖層分為分流間灣一決口扇型和泛濫盆地一分流河道型兩種沉積模式，提出了8煤底板由全泥巖型（Ⅰ型）及砂泥巖互層型（Ⅱ型）兩種沉積巖層結(jié)構(gòu)類型組成。
　　(2)采用應力解除法與AE法對礦井地應力進行了測試分析，得出最大主應力在19.94～33.65MPa之間，最大主應力方向73.2°～105.6°，呈近東西向，礦井地應力場以構(gòu)造應力場為主;采用FLAC3D軟件對礦井地應力分布特征進行了反演，結(jié)果表明，蘆嶺礦井地應力分布

3、具有明顯的分區(qū)性。
　　(3)將采場底板巷道簡化為半無限空間彈性體內(nèi)部含圓形孔洞的應力求解模型，運用復變函數(shù)方法，推導出在原巖應力和支承壓力影響下的采場底板巷道應力的彈性力學解。分析得出高地應力條件下，采場底板巷道巷幫易發(fā)生拉破壞，巷頂壁易發(fā)生剪切破壞，且隨著側(cè)壓系數(shù)的增大而明顯。
　　(4)建立了兩種底板沉積巖層結(jié)構(gòu)工程地質(zhì)模型，采用數(shù)值模擬與相似材料模擬相結(jié)合的方法，對不同地應力場條件下，采場底板應力演化規(guī)律及巷道變形特

4、征進行了分析，結(jié)果表明:
　?、僮灾貞l件下，兩類沉積巖層結(jié)構(gòu)底板采動應力演化及巷道變形特征存在一定的差異，主要表現(xiàn)為Ⅱ型結(jié)構(gòu)底板增壓及卸壓程度均大于Ⅰ型結(jié)構(gòu)，但差異較小，主要因為Ⅱ型結(jié)構(gòu)底板中含力學強度較高的砂巖;
　　②構(gòu)造應力條件下，兩類沉積巖層結(jié)構(gòu)底板采動應力演化差異顯著，主要表現(xiàn)為，Ⅰ型結(jié)構(gòu)底板采動應力在底板垂向范圍內(nèi)分為兩個區(qū)間，分別為應力集中區(qū)和應力恢復區(qū)，而Ⅱ型結(jié)構(gòu)底板分為三個區(qū)間，在巖性分界面處出現(xiàn)了應力

5、拐點，說明底板沉積巖層結(jié)構(gòu)的差異在構(gòu)造應力條件下達到了放大;
　?、蹣?gòu)造應力條件下，采空區(qū)底板應力總體以壓應力為主，而自重應力條件下，以拉應力為主，導致底板巷道破壞形式明顯不同，自重應力條件下多為拉張性破壞，而構(gòu)造應力條件下巷道多為壓剪性破壞，揭示出地應力場對巷道變形的控制機理。
　?、軜?gòu)造應力場條件下，Ⅰ型結(jié)構(gòu)底板巷道變形破壞較Ⅱ型結(jié)構(gòu)底板巷道變形破壞程度更大。
　　(5)建立了Ⅱ型沉積巖層結(jié)構(gòu)邊界斷層模型，采用數(shù)值

6、模擬與相似材料模擬相結(jié)合方法，對工作面逆、順斷層傾向回采條件下采場底板應力演化及巷道變形進行了分析，得出斷層帶對采場底板應力演化有明顯的控制作用。主要表現(xiàn)有:
　?、倌鏀鄬觾A向開采時，采動應力受斷層帶阻隔，在上盤產(chǎn)生應力集中，而順斷層傾向開采時，采動應力穿過斷層帶傳遞到對盤，揭示出逆斷層傾向開采，斷層帶對采動應力起“屏蔽”作用;
　?、跀鄬硬煌恢玫装逑锏雷冃尾煌?，主要表現(xiàn)為:近斷層帶巷道變形大，而遠離斷層帶巷道變形小，揭示

7、出邊界斷層對巷道變形破壞的控制機理。
　　(6)利用自行研制的巖體采動應力監(jiān)測裝置，對工作面回采期間，底板巷道采動應力進行了同步監(jiān)測，結(jié)果表明:底板巷道垂向應力狀態(tài)經(jīng)歷增壓-卸壓-應力恢復過程，增壓幅度明顯小于卸壓幅度，即底板巷道受采空區(qū)卸壓影響程度明顯高于工作面超前集中應力影響程度，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。
　　(7)對工作面回采期間底板巷道變形進行了同步測試，結(jié)果表明:
　?、俨煽諈^(qū)下方巷道變形大于工作面迎頭前方巷道變