浅埋煤层顶板结构灾害机理研究

论文摘要

煤炭地下开采是在复杂的地质空间中进行的工程活动,采场的围岩结构,尤其是顶板结构,因沉积环境及其后的地质演化而千差万别。神东矿区赋存状况为:煤层埋藏浅、基岩薄、松散覆盖层厚,是典型的薄基岩、厚积砂松散覆盖层条件下的浅埋煤层。长壁开采是我国和欧洲产煤国的主要开采方法。随着神东煤田的不断开发,浅埋煤层长壁开采的矿压问题日益突出。有人说:“19世纪是桥的世纪,20世纪是高层建筑的世纪,21世纪则是人类开发利用地下空间的世纪”。那么,21世纪的矿山压力研究与实践将拥有更广阔的舞台,为造福人类发挥更重要的作用。薄基岩浅埋煤层特殊的地层条件下,造成了采场工作面剧烈的矿压显现;基岩老顶关键层的赋存状况及载荷层厚度的变化,将对工作面顶板结构的稳定性有着重要的影响。传统的建立在材料力学“固支梁”和Winkler“弹性地基半无限长梁”上的采场顶板初次来压和周期来压理论,对基岩老顶破断机理的研究不涉及基岩老顶的断裂下沉过程,难以判断顶板破断后及其平衡状态的稳定性,工作面实测数据与理论计算结果往往不符。本文根据浅埋煤层顶板岩层的赋存特征,在总结、分析前人研究的基础上,结合物理相似模拟实验研究,应用初始后屈曲理论,分析了顶板关键层初次及周期破断的失稳机理和破断规律;探讨了顶板初次及周期性破断后的平衡路径及其稳定性,从而得到计算初次及周期来压时顶板关键层结构破断步距和极限下沉量的一种有效方法。这种方法得到的理论计算结果与现场实测数据比较接近,对进一步研究浅埋煤层采场顶板结构动态及矿压理论具有一定意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状和存在的问题
• 1.3.1 国外研究动态及发展趋势
• 1.3.2 国内研究动态及发展趋势
• 1.3.3 存在的问题及发展趋势
• 1.4 研究的内容、方法及技术路线
• 1.4.1 研究的内容
• 1.4.2 研究的方法
• 1.4.3 采取的技术路线
• 2 顶板结构特征与破断机理分析
• 2.1 引言
• 2.1.1 浅埋煤层的定义
• 2.1.2 顶板关键层理论
• 2.2 浅埋煤层工作面顶板破断一般规律
• 2.2.1 顶板的破断过程及特征
• 2.2.2 顶板的破断结构形态
• 2.2.3 基本规律
• 2.3 顶板结构的稳定性
• 2.3.1 采高对顶板结构稳定性的影响
• 2.3.2 基岩厚度对顶板破断及结构稳定性的影响
• 2.3.3 煤壁刚度对顶板结构稳定性的影响
• 2.4 顶板结构破断机理分析
• 2.4.1 顶板关键层破断空间结构分析
• 2.4.2 顶板关键层初次来压破断机理分析
• 2.4.3 顶板关键层周期来压破断机理分析
• 2.4.4 基本认识
• 2.5 本章小结
• 3 浅埋煤层长壁开采的物理相似模拟实验研究
• 3.1 模拟实验研究的目的
• 3.2 物理相似模拟实验原理
• 3.2.1 相似概念
• 3.2.2 相似理论
• 3.3 物理相似模拟实验设计
• 3.3.1 相似条件
• 3.3.2 相似材料及配比
• 3.3.3 平面模型的装填及观测点布置
• 3.4 实验过程及现象
• 3.5 实验结论
• 4 采场顶板来压的结构受力分析
• 4.1 概述
• 4.2 采场顶板结构初次来压的受力分析
• 4.2.1 采场顶板结构的三铰拱结构分析
• 4.2.2 采场顶板结构初次来压的后屈曲性态分析
• 4.2.3 小结
• 4.3 采场顶板结构周期性来压的受力分析
• 4.3.1 采场顶板结构“砌体梁”和“台阶岩梁”结构分析
• 4.3.2 采场顶板结构周期性来压的后屈曲性态分析
• 4.3.3 小结
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录