错层位沿空巷道卸压机理及空间适应性研究

论文摘要

厚煤层沿空留巷充填体及沿空掘巷煤柱直接支撑顶板的特性易导致区段巷道底鼓、维护困难及成本高昂,易诱发矿震,加之留巷充填时工艺复杂,影响了煤矿科学开采。鉴于错层位沿空巷道特殊位置关系,改变了沿空巷道的受力状态,巷道与围岩形成一种新的力学系统。该技术的应用关键是：(1)错层位沿空巷道位置的围岩力学环境；(2)错层位沿空巷道在低应力空间中位置合理变化的适应性。据此,本研究基于三剪能量屈服准则,对巷道围岩进行弹塑性分析；运用能量理论,从巷道完全沿空和不完全沿空两个角度入手,在推导得出巷道围岩耗散理论方程的基础上,揭示了错层位沿空巷道的卸压机理,即巷道围岩是一个吸收与耗散能量的系统,从而完善了回采巷道矿压理论;根据采空区实体煤侧应力分布特征,应用塑性力学的应力滑移线场理论,在分析煤层底板极限平衡区力学特性并进行应力分区的基础上,推导得出了底板最大破坏深度公式；通过理论计算并对比各分区的应力值大小,确定了沿空巷道在水平及竖直方向变化的理论依据,提出了多种仍满足卸压条件的错层位巷道布置系统。研究过程中,同时辅以相似及数值模拟实验、现场观测,并证实了相关结论。本研究工作对揭示错层位沿空巷道围岩应力、位移分布规律及卸压机理有重要意义,可为我国储量巨大的厚煤层实现错层位无煤柱开采提供重要的理论指导及技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 详细摘要
• Detailed Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 相关领域研究现状
• 1.2.1 留煤柱护巷研究现状
• 1.2.2 充填体护巷研究现状
• 1.2.3 卸压开采研究现状
• 1.3 传统巷道布置存在的问题
• 1.4 错层位开采研究现状
• 1.4.1 工程技术应用
• 1.4.2 理论研究方面
• 1.5 研究内容
• 1.6 研究方法与技术路线
• 1.6.1 技术路线
• 1.6.2 研究方法及实验手段
• 2 错层位沿空巷道围岩力学分析
• 2.1 错层位沿空巷道的特点
• 2.2 错层位沿空巷道的分类
• 2.3 错层位沿空巷道围岩力学属性
• 2.4 巷道围岩弹塑性力学分析
• 2.4.1 三剪能量理论
• 2.4.2 弹塑性分析
• 2.4.3 实例分析
• 2.5 本章小结
• 3 巷道侧向围岩能量耗散研究
• 3.1 概述
• 3.2 能量耗散基本理论
• 3.3 巷道围岩能量表征
• 3.3.1 弹性应变能
• 3.3.2 表面耗散能
• 3.3.3 塑性耗散能
• 3.3.4 塑性流变耗散能
• 3.4 巷道侧向围岩能量耗散分析
• 3.4.1 巷道侧向支承压力特点
• 3.4.2 巷道侧向围岩能量分析
• 3.4.3 巷道侧向围岩能量耗散分析
• 3.5 巷道侧向围岩能量损伤特性
• 3.6 本章小结
• 4 错层位沿空巷道顶板吸能及耗能机理
• 4.1 概述
• 4.2 老顶失稳机理分析
• 4.2.1 按“砌体梁”理论分析
• 4.2.2 按“传递岩梁”理论分析
• 4.2.3 按“短砌体梁”理论分析
• 4.2.4 按“台阶岩梁”理论分析
• 4.3 沿空巷道矸石层顶板变形与吸能机理分析
• 4.3.1 巷道矸石层不承受载荷
• 4.3.2 巷道矸石层承受静载荷
• 4.3.3 巷道矸石层承受动载荷
• 4.4 本章小结
• 5 错层位沿空巷道空间效应
• 5.1 概述
• 5.2 应力滑移线场基本理论
• 5.2.1 应力滑移线
• 5.2.2 极限平衡方程
• 5.2.3 应力特征线方程及解答
• 5.3 底板极限平衡区应力特征
• 5.3.1 主动区Ⅰ
• 5.3.2 被动区Ⅲ
• 5.3.3 过渡区Ⅱ
• 5.4 底板最大破坏深度
• 5.5 算例分析
• 5.6 本章小结
• 6 错层位沿空巷道矿压实测及经济效益分析
• 6.1 观测内容、方法及开采条件
• 6.1.1 观测内容与方法
• 6.1.2 开采条件
• 6.2 沿空巷道超前压力实测分析
• 6.2.1 镇城底矿18111-1工作面两巷超前压力实测分析
• 6.2.2 白家庄矿39713工作面两巷超前压力实测分析
• 6.3 沿空巷道围岩变形实测分析
• 6.3.1 镇城底矿18111-1工作面两巷围岩变形实测分析
• 6.3.2 白家庄矿39713工作面两巷围岩变形实测分析
• 6.4 沿空巷道经济效益分析
• 6.4.1 镇城底矿沿空巷道经济效益分析
• 6.4.2 白家庄矿沿空巷道经济效益分析
• 6.5 本章小结
• 7 错层位沿空巷道实验室模拟
• 7.1 实验室相似模拟
• 7.1.1 镇城底矿8#煤层相似模拟
• 7.1.2 白家庄矿采9#放8#煤层相似模拟
• 7.1.3 斜沟矿13#煤层相似模拟
• 7.2 实验室数值模拟
• 7.2.1 数值模拟程序及模拟内容
• 7.2.2 计算模型
• 7.2.3 计算参数
• 7.2.4 数值模拟结果及分析
• 7.3 本章小结
• 8 结论及展望
• 8.1 结论
• 8.2 创新点
• 8.3 展望及下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表论文
• 攻读博士学位期间参加科研项目