缓倾斜煤层承压水上开采底板破坏特征的研究

论文摘要

本文根据淮北矿业集团孙疃煤矿1028工作面实例,结合理论分析、数值模拟以及现场实测的综合研究方法研究了缓倾斜煤层承压水体上开采底板的应力场和变形破坏特征。运用弹性力学中的平面半无限体建立底板受三角形带状载荷下的力学模型,从工作面自开切眼至老顶初次来压前和工作面正常推进后两种情况,分别分析了底板中任意一点的受力状态,推导出了任意一点的水平应力,垂直应力和剪应力的求解公式。在工作面正常推进后,以工作面前方峰值支承压力下方的岩体为研究对象,分析了此部分岩体随工作面推进过程中的垂直应力的分布特征。根据弹性力学理论,求出了底板中的最大主应力和最小主应力,再根据摩尔库伦准则中最大主应力和最小主应力的关系,判断底板的弹性区和塑性区；根据塑性理论求解了煤层的屈服区长度、底板的最大破坏深度、最大破坏深度距工作面端部的水平距离以及采空区内底板破坏区沿水平方向的最大长度。根据弹性理论和塑性理论求解的底板破坏深度计算底板的极限突水压力。本文采用Flac3d数值模拟软件,结合1028工作面地质赋存条件建立几何模型,模拟了底板在受采动影响过程中的应力场、位移场以及塑性区。结合1028工作面现场条件,选择合理的观测地点,应用地震波法和直流电阻CT仪对底板受采动影响下的破坏特征进行研究。最后测试结果验证了理论分析和数值模拟的正确性。因此,本文的理论分析结果以及数值模拟结果对孙疃煤矿的现场管理具有一定的指导意义,对类似条件下的底板管理具有一定的参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出和研究的意义
• 1.2 底板破坏及突水理论的国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 存在的问题
• 1.4 研究的主要内容
• 1.5 研究方法及技术路线
• 2 底板内岩层应力的解析法及应用研究
• 2.1 底板岩体原岩应力状态
• 2.2 工作面前后方支承压力分布
• 2.3 底板中的应力分布
• 2.4 力学理论模型的建立
• 2.4.1 老顶初次来压前底板中的应力
• 2.4.2 煤层顶板周期来压后底板中的应力分布
• 2.5 根据弹性力学理论求解底板的破坏范围
• 2.6 塑性理论计算底板最大破坏深度
• 2.6.1 岩体最大破坏深度的塑性解
• 2.6.2 煤层屈服区长度的计算
• 2.6.3 塑性理论下底板的破坏情况
• 2.7 孙疃煤矿10煤开采底板突水预测
• 2.7.1 底板突水极限压力的弹性理论解
• 2.7.2 孙疃煤矿底板突水预测
• 2.8 本章小结
• 3 煤层底板岩体采动效应数值模拟
• 3.1 FLAC-3D简介
• 3.2 模型的建立
• 3.2.1 工作面概况
• 3.2.2 计算模型的建立
• 3.3 数值模拟步骤
• 3.4 岩体力学参数的选取
• 3.5 模拟计算结果分析
• 3.6 本章小结
• 4 底板破坏特征的现场实测
• 4.1 实测内容
• 4.1.1 测试原理
• 4.1.2 测试仪器
• 4.1.3 测试步骤
• 4.2 分析结果
• 4.3 本章小结
• 5 主要结论及努力方向
• 5.1 主要结论
• 5.2 存在的不足和努力方向
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果