深部采場(chǎng)采空區(qū)基本頂來壓規(guī)律研究.pdf

1、煤炭是我國主要能源之一。近年來,我國大部分煤礦已進(jìn)入深部開采,對(duì)深部煤巖特性的研究日漸深入,但其特殊的力學(xué)性質(zhì)對(duì)深部采場(chǎng)采動(dòng)的影響一直懸而未決,而且,在煤礦五大自然災(zāi)害中,頂板災(zāi)害事故頻發(fā),嚴(yán)重制約著煤炭資源的開采,影響著國民經(jīng)濟(jì)的有序發(fā)展。然而,目前大多數(shù)基本頂來壓步距都采用梁的平面問題計(jì)算,與實(shí)際步距相差甚遠(yuǎn),因此,繼續(xù)深入開展深部采場(chǎng)采空區(qū)基本頂來壓規(guī)律研究勢(shì)在必行。本論文以河南平頂山十礦戊9-10-20180工作面為工程背景,采

2、用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,針對(duì)煤礦深部采場(chǎng)采空區(qū)基本頂來壓規(guī)律,開展深部采場(chǎng)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、深部采場(chǎng)基本頂垮落的數(shù)值模型和深部采場(chǎng)采空區(qū)基本頂力學(xué)簡化模型的研究,主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)針對(duì)河南平頂山礦區(qū)深部采場(chǎng),采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理,選用模型上部均布加載方式,完成深部煤層采動(dòng)中上覆巖層時(shí)空演化的室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,深部采場(chǎng)采空區(qū)基本頂垮落規(guī)律顯著,初次來壓步距25m,初次來壓、周期來壓步距較

3、淺部采場(chǎng)短;深部采場(chǎng)空區(qū)基本頂初次來壓時(shí),采空區(qū)上方巖層可分為三個(gè)帶:垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶;基本頂巖層的壓力隨著煤層開采而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,可將其劃分為三個(gè)區(qū)域:應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原始應(yīng)力區(qū);采動(dòng)對(duì)于煤層上方的上覆巖層支承壓力的影響,隨著遠(yuǎn)離煤層,其影響逐漸減小。研究結(jié)果可為建立深部采場(chǎng)采空區(qū)基本頂來壓的數(shù)值仿真提供必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并為深部開采提供可靠理論依據(jù)。(2)針對(duì)河南平頂山戊9-10-20180實(shí)際開采工作面,基于擴(kuò)展有限

4、元法,建立深部采場(chǎng)變形數(shù)值分析模型,特別考慮深部巖體非線性損傷變形特性,塑性變形服從擴(kuò)展D-P模型。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及理論簡化模型結(jié)果對(duì)比分析,驗(yàn)證了所建立的數(shù)值分析模型的正確性,得出深部采場(chǎng)采空區(qū)基本頂初次來壓規(guī)律;初次來壓步距25m,周期來壓步距10m,與實(shí)驗(yàn)值基本吻合;隨著采深的增加來壓步距減小,強(qiáng)度增大;隨著采深增加,采場(chǎng)采空區(qū)基本頂初次來壓和周期來壓步距小于相應(yīng)的淺層采場(chǎng)采空區(qū)基本頂初始來壓和周期來壓步距;針對(duì)深部采場(chǎng)(采深為9

5、00m和1400m),采場(chǎng)采空區(qū)基本頂初次來壓隨著采深得增大而有所變小,周期來壓步距幾乎未發(fā)生改變。(3)針對(duì)深部采場(chǎng)實(shí)際開采工作面,基于薄板的小撓度理論,建立了深部采場(chǎng)基本頂?shù)钠胶夥匠?給出了四邊固支時(shí)平衡方程的解,引入高應(yīng)力狀態(tài)下巖石非線性統(tǒng)一強(qiáng)度判別準(zhǔn)則。建立了深部采場(chǎng)采空區(qū)基本頂初次破斷的數(shù)學(xué)模型;得到了基本頂初次來壓極限荷載及步距的表達(dá)式。并將所得表達(dá)式代入平頂山十礦戊9-10-20180工作面,驗(yàn)證了結(jié)果的正確性。上述研究成