深埋煤层采动过程顶板聚压与煤柱受力的关联性及其断层结构影响 ——以山东赵楼煤矿为例

论文摘要

矿井冲击地压引发的动力灾害是矿井最严重的自然灾害之一,其形成受厚层坚硬顶板条件、坚硬而脆性的煤层条件、高自重应力或构造应力和因煤层采动造成的应力集中带的影响,在深井开采条件下尤为突出。论文以岩体工程地质力学和矿山压力理论为指导,结合菏泽煤田赵楼矿井实际地质条件,系统进行了煤岩力学性质及冲击倾向性试验研究和构造条件分析,建立了首采区工作面不同顶板条件的工程地质模型和力学模型,在此基础上重点就煤层开采顶板及煤柱受力、变形特征问题进行了离心模型试验、力学解析和数值模拟分析,以为后期安全生产提供科学依据。论文主要取得以下研究成果:根据区域构造资料,结合赵楼井田物探资料,分析赵楼井田构造作用特点,了解井田构造演化规律,系统研究井田构造分布、组合规律,分析不同级别、不同序次、不同性质构造的相互制约和分布特征,把握井田主要构造及其构成的网络。经过赵楼矿井煤岩体取样、煤岩体力学性质测试,反映出3煤直接顶板中细砂岩强度高,其弹性变形和脆性破坏特征非常明显;经过对煤样的冲击能量指数、弹性能量指数和动态破坏时间指标的测试,3煤具有强冲击倾向性,经过对3煤顶板砂岩弯曲能量指数的计算,顶板具有弱冲击倾向性,具备了矿井冲击地压的必要条件。进行了离心模型试验,利用三组模型分别研究完整连续顶板情况、工作面推进方向与结构面倾向一致和相反的情况下,由于煤岩层的采动对开切眼处煤柱、工作面前方煤体、直接顶和老顶岩层应力变化和变形情况。顶板被断层切割情况下,顶板岩层的完整性受到破坏,应力在构造部位重新分布,形成构造应力的集中,是引发冲击地压的危险部位,但采掘工艺也会导致顶板和煤柱受力与变形的差异。建立了首采区工作面揭露断层前后的力学模型,进行了解析:工作面揭露断层前后,顶板岩层最大剪应力和最大弯矩发生在固定端发生在固定端,但其大小均发生了变化,临近断层时,工作面直到断层处的煤层,随工作面向断层推进,煤层的支承压力升高,为煤的抗压强度控制,易发生片帮。利用FLAC2D软件,进行了数值模拟分析,获得了不同顶板结构条件模型采动过程中煤柱、直接顶板和老顶的应力分布及变形特征的综合对比结果,模拟反映出了采动过程煤柱及顶板聚压情况及断层结构对其产生的影响特点。无论是逆断层倾向开采,还是顺断层倾向开采,由于断层结构面的存在,使顶板稳定性较差,逆断层倾向开采条件下,临近断层处虽易形成结构,但易因顶板动态变化,开采及支护条件而破坏,顺断层倾向开采,由于结构面的弱化,易沿结构面发生岩层移动,引发断层“活化”,使矿压显现和岩层冒落严重。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• Abstract （detailed）
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出和选题的意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 选题的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 冲击地压发生机理的研究现状
• 1.2.2 冲击地压形成条件的研究现状
• 1.2.3 地质构造与冲击地压关系的研究现状
• 1.2.4 冲击地压防治的研究现状
• 1.3 本文主要研究内容和技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 论文技术路线
• 2 赵楼煤矿冲击地压的地质环境
• 2.1 位置、交通与自然地理
• 2.1.1 井田位置及范围
• 2.1.2 交通
• 2.1.3 自然地理
• 2.2 地层
• 2.2.1 区域地层
• 2.2.2 井田地层
• 2.2.3 含煤地层
• 2.3 3煤及其顶板工程地质特征
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 3 煤顶底板岩层的工程地质性质
• 2.3.3 3 煤及其顶板岩层的聚能特性
• 2.4 井田地应力环境
• 2.4.1 区域地应力场特征
• 2.4.2 构造演化特征
• 2.4.3 原岩应力测量结果
• 2.4 小结
• 3 采动过程煤柱及顶板受力特征离心模型实验研究
• 3.1 概述
• 3.2 离心模型模拟试验
• 3.2.1 离心模拟技术简介
• 3.2.2 离心模型设计
• 3.2.3 试验结果
• 3.2.4 试验结果分析
• 3.3 顶板受力变形机制分析
• 3.4 小结
• 4 采动过程顶板受力及煤柱聚压特征力学解析
• 4.1 采场上覆岩层结构理论及其发展
• 4.1.1 “砌体梁结构”理论
• 4.1.2 “传递岩梁”理论
• 4.1.3 砌体梁结构的“S—R”稳定理论
• 4.1.4 关键层理论
• 4.2 完整顶板情况
• 4.3 发育有断层顶板情况
• 4.3.1 工作面临近断层时的力学模型与分析
• 4.3.2 工作面开挖过断层的力学模型及分析
• 4.3.3 煤柱受力和顶板弹性能量分析
• 4.4 小结
• 5 采动过程顶板及煤柱受力特点数值模拟分析
• 5.1 模拟软件简介
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 数值模拟采用的力学模型
• 5.2 分析模型
• 5.2.1 工程地质模型
• 5.2.2 计算模型
• 5.3 模拟分析结果
• 5.3.1 模型Ⅰ分析结果
• 5.3.2 模型Ⅱ分析结果
• 5.3.3 模型Ⅲ分析结果
• 5.3.4 不同条件模型的分析结果对比(
• 5.4 小结（Summary）
• 6 结论及建议
• 6.1 主要结论和研究成果
• 6.2 论文创新点
• 6.3 今后工作的建议
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集