深部采場采空區(qū)基本頂來壓規(guī)律研究.pdf

1、煤炭是我國主要能源之一。近年來,我國大部分煤礦已進入深部開采,對深部煤巖特性的研究日漸深入,但其特殊的力學性質對深部采場采動的影響一直懸而未決,而且,在煤礦五大自然災害中,頂板災害事故頻發(fā),嚴重制約著煤炭資源的開采,影響著國民經濟的有序發(fā)展。然而,目前大多數基本頂來壓步距都采用梁的平面問題計算,與實際步距相差甚遠,因此,繼續(xù)深入開展深部采場采空區(qū)基本頂來壓規(guī)律研究勢在必行。本論文以河南平頂山十礦戊9-10-20180工作面為工程背景,采

2、用室內實驗、理論分析和數值模擬相結合的手段,針對煤礦深部采場采空區(qū)基本頂來壓規(guī)律,開展深部采場相似材料模擬實驗、深部采場基本頂垮落的數值模型和深部采場采空區(qū)基本頂力學簡化模型的研究,主要研究內容和成果如下:(1)針對河南平頂山礦區(qū)深部采場,采用相似材料模擬實驗的基本原理,選用模型上部均布加載方式,完成深部煤層采動中上覆巖層時空演化的室內模型實驗。實驗結果表明,深部采場采空區(qū)基本頂垮落規(guī)律顯著,初次來壓步距25m,初次來壓、周期來壓步距較

3、淺部采場短;深部采場空區(qū)基本頂初次來壓時,采空區(qū)上方巖層可分為三個帶:垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶;基本頂巖層的壓力隨著煤層開采而發(fā)生動態(tài)變化,可將其劃分為三個區(qū)域:應力降低區(qū)、應力升高區(qū)和原始應力區(qū);采動對于煤層上方的上覆巖層支承壓力的影響,隨著遠離煤層,其影響逐漸減小。研究結果可為建立深部采場采空區(qū)基本頂來壓的數值仿真提供必要的實驗數據并為深部開采提供可靠理論依據。(2)針對河南平頂山戊9-10-20180實際開采工作面,基于擴展有限

4、元法,建立深部采場變形數值分析模型,特別考慮深部巖體非線性損傷變形特性,塑性變形服從擴展D-P模型。通過室內實驗以及理論簡化模型結果對比分析,驗證了所建立的數值分析模型的正確性,得出深部采場采空區(qū)基本頂初次來壓規(guī)律;初次來壓步距25m,周期來壓步距10m,與實驗值基本吻合;隨著采深的增加來壓步距減小,強度增大;隨著采深增加,采場采空區(qū)基本頂初次來壓和周期來壓步距小于相應的淺層采場采空區(qū)基本頂初始來壓和周期來壓步距;針對深部采場(采深為9

5、00m和1400m),采場采空區(qū)基本頂初次來壓隨著采深得增大而有所變小,周期來壓步距幾乎未發(fā)生改變。(3)針對深部采場實際開采工作面,基于薄板的小撓度理論,建立了深部采場基本頂的平衡方程,給出了四邊固支時平衡方程的解,引入高應力狀態(tài)下巖石非線性統一強度判別準則。建立了深部采場采空區(qū)基本頂初次破斷的數學模型;得到了基本頂初次來壓極限荷載及步距的表達式。并將所得表達式代入平頂山十礦戊9-10-20180工作面,驗證了結果的正確性。上述研究成