厚煤层开采煤柱力学响应与蠕变特征数值模拟研究

论文摘要

地下开采是目前我国获得矿产资源的重要途径。在深厚煤层开采中,随着工作面的开采完成,采区的工程环境在不断变化,采空区也越来越大,使得采场的稳定性问题更为突出,而煤柱是决定采场稳定性的重要结构单元,对采空区起支撑作用,不但维护着采场顶板及围岩的稳定性,而且稳定的煤柱对煤炭回采率的提高有极大的潜在作用。其中煤柱煤岩体的流变是确定煤柱长期强度的基础,也是评价采场长期稳定的重要依据。本文对厚煤层开采煤岩体的蠕变特征、长期强度、破坏特征,以及煤岩体结构和围压的变化及时间相依性进行了深入系统的研究。具体内容如下:（1）在煤柱力学响应方面,系统总结煤柱强度和变形规律的各种基础理论,结合煤柱破坏机理分析,得出煤柱载荷与强度是煤柱稳定性分析的基础。（2）通过煤体的流变理论研究,对深厚煤层确定采用改进的Burgers模型—cvisc模型作为煤岩的蠕变模型,初步探讨时间因素对煤柱稳定性的影响。（3）以兴隆庄煤矿主采厚煤层3煤为研究对象,采用FLAC3D实现开采过程的数值模拟,直观地揭示覆岩和煤柱的位移场、应力场和屈服区的分布情况,通过煤柱的应力应变规律总结和长期稳定性分析,再现采区覆岩、煤柱的变形破坏过程,同时对煤柱破坏特征进行初步探讨。（4）根据蠕变理论分析,建立相应的蠕变模型,结合实验结果确定煤岩体蠕变参数,利用数值模拟得到煤岩体的长期强度指标并进行评价。（5）通过对煤柱蠕变特征的分析,选取应力、应变和塑性区为评价指标,对煤柱稳定程度进行定量的分区判别,为煤矿开采和采后维护采场稳定防护重点提供指导和依据。事实上,采动岩体的变形、破裂、移动整个动态力学过程完全是一种独具特色的流变学现象,而且当前仍然只是从弹塑性方面分析采场的各种变形,本文通过将煤岩体视为粘塑性介质,利用数值分析得到煤柱保持稳定的必要条件和参数,为采煤塌陷区的长期稳定性分析提供理论性和实际性的指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题提出
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 煤岩强度实验研究
• 1.3.2 岩体流变规律研究
• 1.3.3 煤柱长期稳定性分析研究
• 1.4 主要研究内容及创新点
• 1.5 本文研究技术路线
• 第2章 煤柱强度与变形规律理论基础
• 2.1 煤岩强度基本特征
• 2.1.1 煤柱强度
• 2.1.2 煤柱“静态”、“动态”要求
• 2.1.3 煤柱强度确定
• 2.2 煤柱载荷理论研究与极限强度确定
• 2.2.1 煤柱载荷研究
• 2.2.2 煤体极限强度确定
• 2.3 煤柱稳定性分析基础
• 2.3.1 煤柱破坏机理
• 2.3.2 屈服区与煤柱强度关系
• 2.3.3 “围岩—煤柱”作用方式
• 2.4 本章小结
• 第3章 煤岩流变理论模型及时间效应分析
• 3.1 采空区煤岩流变机理分析
• 3.1.1 岩石流变特性分析
• 3.1.2 煤岩流变性质
• 3.1.3 煤岩长期强度
• 3.2 流变基本本构关系
• 3.2.1 流变基本元件
• 3.2.2 流变本构组合模型
• 3.3 煤岩蠕变模型确定
• 3.3.1 煤岩蠕变模型理论分析
• 3.3.2 蠕变模型选择
• 3.3.3 煤岩蠕变模型数值解法
• 3.4 煤柱稳定时间因素分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 厚煤层开采煤柱破坏特征数值模拟研究
• 4.1 煤柱应力分布规律
• 4.1.1 煤柱应力分布动态演化过程
• 4.1.2 煤柱应力分布影响因素
• 3D软件特点'>4.2 FLAC^3D软件特点
• 4.3 研究区工程背景
• 4.3.1 工程概况
• 4.3.2 地层岩性
• 4.3.3 岩体结构与地质构造
• 4.3.4 3煤及其顶底板特征
• 4.3.5 地下水与地应力特征
• 4.4 数值模型构建
• 4.4.1 三维计算模型
• 4.4.2 岩体力学参数选取
• 4.4.3 边界条件确定
• 4.5 计算结果分析
• 4.5.1 上覆岩层移动与煤柱变形特征
• 4.5.2 煤柱应力分布演化规律
• 4.5.3 煤柱塑性区（屈服区）分布规律及宽度确定
• 4.6 本章小结
• 第5章 煤柱长期稳定性数值分析
• 5.1 煤岩蠕变参数确定
• 5.2 煤柱蠕变特征数值模拟
• 5.2.1 应变与时间关系
• 5.2.2 应力随时间分布变化
• 5.2.3 蠕变引起的塑性区分布变化
• 5.3 煤柱长期强度评价
• 5.4 本章小结
• 第6章 煤柱稳定程度评判及煤矿开采指导
• 6.1 多指标综合评判煤柱稳定程度
• 6.1.1 煤柱分区
• 6.1.2 评判指标的选取
• 6.1.3 煤柱稳定程度分区评判
• 6.2 煤柱长期稳定性分析对煤矿开采指导作用
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 攻读硕士学位期间参加的课题项目
• 致谢