深部采场采空区基本顶来压规律研究

论文摘要

煤炭是我国主要能源之一。近年来，我国大部分煤矿已进入深部开采，对深部煤岩特性的研究日渐深入，但其特殊的力学性质对深部采场采动的影响一直悬而未决，而且，在煤矿五大自然灾害中，顶板灾害事故频发，严重制约着煤炭资源的开采，影响着国民经济的有序发展。然而，目前大多数基本顶来压步距都采用梁的平面问题计算，与实际步距相差甚远，因此，继续深入开展深部采场采空区基本顶来压规律研究势在必行。本论文以河南平顶山十矿戊9-10-20180工作面为工程背景，采用室内实验、理论分析和数值模拟相结合的手段，针对煤矿深部采场采空区基本顶来压规律，开展深部采场相似材料模拟实验、深部采场基本顶垮落的数值模型和深部采场采空区基本顶力学简化模型的研究，主要研究内容和成果如下：（1）针对河南平顶山矿区深部采场，采用相似材料模拟实验的基本原理，选用模型上部均布加载方式，完成深部煤层采动中上覆岩层时空演化的室内模型实验。实验结果表明，深部采场采空区基本顶垮落规律显著，初次来压步距25m，初次来压、周期来压步距较浅部采场短；深部采场空区基本顶初次来压时，采空区上方岩层可分为三个带：垮落带、裂隙带和弯曲下沉带；基本顶岩层的压力随着煤层开采而发生动态变化，可将其划分为三个区域：应力降低区、应力升高区和原始应力区；采动对于煤层上方的上覆岩层支承压力的影响，随着远离煤层，其影响逐渐减小。研究结果可为建立深部采场采空区基本顶来压的数值仿真提供必要的实验数据并为深部开采提供可靠理论依据。（2）针对河南平顶山戊9-10-20180实际开采工作面，基于扩展有限元法，建立深部采场变形数值分析模型，特别考虑深部岩体非线性损伤变形特性，塑性变形服从扩展D-P模型。通过室内实验以及理论简化模型结果对比分析，验证了所建立的数值分析模型的正确性，得出深部采场采空区基本顶初次来压规律；初次来压步距25m，周期来压步距10m，与实验值基本吻合；随着采深的增加来压步距减小，强度增大；随着采深增加，采场采空区基本顶初次来压和周期来压步距小于相应的浅层采场采空区基本顶初始来压和周期来压步距；针对深部采场（采深为900m和1400m），采场采空区基本顶初次来压随着采深得增大而有所变小，周期来压步距几乎未发生改变。（3）针对深部采场实际开采工作面，基于薄板的小挠度理论，建立了深部采场基本顶的平衡方程，给出了四边固支时平衡方程的解，引入高应力状态下岩石非线性统一强度判别准则。建立了深部采场采空区基本顶初次破断的数学模型；得到了基本顶初次来压极限荷载及步距的表达式。并将所得表达式代入平顶山十矿戊9-10-20180工作面，验证了结果的正确性。上述研究成果对加深深部采场采动机理的理解，为建立深部采场采空区基本顶来压规律分析理论与数值模型提供参考和技术支撑，为指导深部采场顶板矿压灾害无疑具有重要理论与实际意义。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 采场基本顶来压步距计算的力学模型
• 1.2.2 高应力状态下岩石强度准则
• 1.3 深部采场模拟基本顶垮落数值方法
• 1.3.1 有限单元法
• 1.3.2 扩展有限元法
• 1.4 研究内容与研究思路
• 2 深部采场采空区基本顶来压规律相似材料模拟实验
• 2.1 引言
• 2.2 物理相似模拟实验原理
• 2.2.1 几何相似
• 2.2.2 运动相似
• 2.2.3 动力相似
• 2.3 深部采场室内实验研究的可行性
• 2.4 实验概况
• 2.4.1 试件来源
• 2.4.2 模型设计
• 2.4.3 模型制作
• 2.4.4 模型加载
• 2.4.5 实验设备与监测系统
• 2.4.6 测点的布置
• 2.5 实验过程与现象描述
• 2.5.1 覆岩垮落及三带特征
• 2.5.2 采动覆岩来压规律分析
• 2.6 小结
• 3 深部采场采空区基本顶来压规律扩展有限元法模拟
• 3.1 引言
• 3.2 扩展有限元法基本原理
• 3.2.1 单位分解方法
• 3.2.2 节点扩展函数
• 3.2.3 裂缝产生及分离
• 3.3 岩石和煤层的本构模型
• 3.3.1 线弹性模型
• 3.3.2 扩展的 Drucker-Prager 塑性模型
• 3.3.3 岩石和煤层的计算参数
• 3.4 深部煤层采动场扩展有限元数值模型
• 3.4.1 有限元数值模型
• 3.4.2 煤层开采步序力学效应有限元模拟原理
• 3.4.3 非线性有限元求解方法
• 3.4.4 模型分析步设置
• 3.5 基于室内实验模型的可靠性检验与误差评价
• 3.6 数值模拟结果及分析
• 3.6.1 地应力平衡
• 3.6.2 初次来压和周期来压步距
• 3.6.3 开切眼
• 3.6.4 深部煤层采空区基本顶初次来压期间应力分布规律
• 3.7 采深对采场采空区基本顶来压规律的影响
• 3.8 小结
• 4 深部采场采空区基本顶初次来压简化力学公式
• 4.1 引言
• 4.2 深部岩体变形特性
• 4.3 深部开采基本顶来压数学模型及求解方法
• 4.3.1 计算模型与基本假定
• 4.3.2 基本顶弯曲的基本方程
• 4.3.3 边界条件
• 4.3.4 基本顶的极限荷载
• 4.3.5 深部采场采空区基本顶初次来压步距
• 4.4 实例验证
• 4.5 小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集