多煤層煤柱底板應(yīng)力分布規(guī)律及其應(yīng)用.pdf

1、多煤層開(kāi)采礦井，隨著上部煤層的逐漸采空，遺留下了各種各樣的殘留煤柱，在原巖應(yīng)力場(chǎng)和采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的相互影響下，對(duì)底板巖層產(chǎn)生損傷破壞，下部煤層尤其是極近距離和近距離煤層開(kāi)采面臨難題。為此，本論文選取反映巖石材料拉伸破壞和剪破壞的最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并輔以底板巖層中垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的分布狀態(tài)描述，考慮圍巖巖性狀況（圍巖巖性、煤層傾角和間距）、圍巖應(yīng)力狀況（巖層側(cè)壓系數(shù)和煤層深度）和人為影響因素（煤柱寬度和煤層采高）的影響，采用

2、無(wú)量綱化應(yīng)力的研究手段，通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、數(shù)值模擬和工程驗(yàn)證的方法，結(jié)合提出的“應(yīng)力臨界線”和“間深比”概念，研究了多煤層開(kāi)采煤柱下底板巖層的應(yīng)力分布規(guī)律。研究成果不僅具有重要的理論意義，而且具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研了Integra Underground Mine煤礦多煤層開(kāi)采的地質(zhì)力學(xué)狀況，提取了研究底板巖層應(yīng)力分布特征的相關(guān)地質(zhì)力學(xué)資料；取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室力學(xué)性能測(cè)試，得到了該礦巖石力

3、學(xué)參數(shù)。⑵視煤巖體為彈性介質(zhì)，建立了是否考慮采空區(qū)垮落頂板對(duì)底板巖層損傷破壞的兩種模型，推導(dǎo)了兩模型中底板分別為單一巖層和多層巖層時(shí)任一點(diǎn)的應(yīng)力公式；輔以數(shù)值模擬對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)不考慮采空區(qū)垮落頂板的模型中，頂板覆巖重量完全由煤柱承擔(dān)，導(dǎo)致底板應(yīng)力集中區(qū)影響過(guò)大，不符合工程實(shí)踐，因此，采空區(qū)垮落頂板對(duì)底板巖層的損傷破壞是研究煤柱下底板巖層應(yīng)力分布不可或缺的影響因素，但采空區(qū)垮落頂板對(duì)底板巖層的應(yīng)力集中梯度影響遠(yuǎn)小于荷載煤柱的影響，因此，煤

4、柱底板應(yīng)力分布規(guī)律研究應(yīng)以煤柱對(duì)底板巖層的損傷破壞為主，以采空區(qū)垮落頂板的影響為輔。⑶基于無(wú)量綱化的應(yīng)力集中系數(shù)，提出“應(yīng)力臨界線”概念，得到煤柱下垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力、最大主應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的應(yīng)力臨界線分布分別呈“紡錘形”、“共軛犄角形”、“雙耳鼎形”和“葫蘆形”。⑷數(shù)值模擬詳細(xì)研究了煤柱下底板巖層巖性，煤層傾角和巖層側(cè)壓系數(shù)三個(gè)因素對(duì)底板應(yīng)力分布演化的影響，得到了層狀巖體的界面效應(yīng)，用于解釋煤層巷道頂?shù)装鍛?yīng)力集中現(xiàn)象，指導(dǎo)巖石巷道層位

5、優(yōu)化選擇；發(fā)現(xiàn)45°巖層傾角具有特殊性，垂直應(yīng)力、最大主/剪應(yīng)力的最大應(yīng)力集中系數(shù)值以45°為界，當(dāng)傾角增大或者減小時(shí)，最大應(yīng)力集中系數(shù)都會(huì)增大；側(cè)壓系數(shù)的變化對(duì)巖性較強(qiáng)的巖層產(chǎn)生的影響大于巖性較弱的巖層，高側(cè)壓系數(shù)會(huì)對(duì)采動(dòng)影響產(chǎn)生抑制作用。⑸通過(guò)疊加煤柱下底板巖層垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力、最大主/剪應(yīng)力的應(yīng)力集中區(qū)，得到底板應(yīng)力分區(qū)模型，分析了各分區(qū)的應(yīng)力集中情況和破壞形式，給出了多煤層開(kāi)采分類(lèi)中極近距離煤層開(kāi)采、近距離煤層開(kāi)采、單一煤層開(kāi)

6、采的判據(jù)。⑹提出煤層“間深比”概念，以最大主/剪應(yīng)力臨界線為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出以-ln(間深比)為判據(jù)的多煤層開(kāi)采分類(lèi)，與底板巖層分區(qū)模型的判據(jù)基本吻合；考慮底板巖層為不同巖性，擬合出煤層間深比和煤柱寬高比與下部煤層回采巷道最佳布置位置的函數(shù)方程，同時(shí)給出函數(shù)方程優(yōu)化巷道位置的步驟，采用數(shù)值模擬驗(yàn)證了函數(shù)方程準(zhǔn)確有效。⑺研究成果成功應(yīng)用于Integra Underground Mine煤礦多煤層開(kāi)的Middle Liddell煤層、Lowe