“刀把式”采場頂板破斷機理及力學(xué)演化特征的面長效應(yīng)研究.pdf

1、隨著煤炭開采強度的增加，地質(zhì)條件不斷惡化，“刀把式”不規(guī)則采場的煤層開采現(xiàn)象增多。“刀把式”采場的普遍存在導(dǎo)致了煤層開采的復(fù)雜性和多變性，引起采動含瓦斯煤巖體非線性破裂的劇烈程度增強，增加了低滲透度強吸附性高瓦斯煤層群的開采難度。同時“刀把式”采場的覆巖空間結(jié)構(gòu)更加多樣化，圍巖破壞形態(tài)較不規(guī)則，應(yīng)力演化過程更加復(fù)雜多變，與正規(guī)采場相比表現(xiàn)出獨特的發(fā)展規(guī)律和時效特征。論文聚焦“刀把式”采場的安全開采問題，采用理論分析、巖石力學(xué)試驗、數(shù)值模

2、擬、相似模型試驗和現(xiàn)場監(jiān)測的綜合研究方法，對“刀把式”采場覆巖空間的結(jié)構(gòu)特征與破斷機理以及采動應(yīng)力場、覆巖位移場和項板裂隙場的時空演化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，取得了如下研究成果:
　　結(jié)合“刀把式”采場不同開采階段的巖層疊賦特點和運動規(guī)律，采用理論分析建立了“刀把式”工作面“三場三區(qū)三結(jié)構(gòu)”的覆巖結(jié)構(gòu)模型，揭示了變面長采場頂板分段延伸、瞬時突變和分區(qū)遷移的時空演化特征。對于工作面斜長由小變大的“刀把式”采場，沿工作面推進(jìn)方向經(jīng)歷了小面采

3、場、變面采場和大面采場三個發(fā)展階段，各階段覆巖經(jīng)歷了緩壓靜采區(qū)、異壓變采區(qū)和增壓動采區(qū)三個轉(zhuǎn)變過程，相應(yīng)階段的覆巖空間結(jié)構(gòu)劃分為緩壓型結(jié)構(gòu)、突變型結(jié)構(gòu)和增壓型結(jié)構(gòu)三種類型。
　　借助室內(nèi)巖石力學(xué)試驗，得到了煤層頂板單軸及三軸試驗條件下的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及圍巖強度、彈性模量、變形模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，完成了對工作面開采過程中圍巖力學(xué)環(huán)境的綜合評估和性態(tài)評價。
　　以工作面斜長由小變大和由大變小的“刀把式”采場為研究載體，

4、運用彈性薄板理論構(gòu)建了5種不同支承邊界條件下的頂板力學(xué)模型，運用理論計算得出了大小采面基本頂斷裂前后的撓度、彎矩和應(yīng)力解析表達(dá)式。通過理論分析發(fā)現(xiàn)了變面長采場頂板破斷的力學(xué)機理，揭示了頂板斷裂破壞的演化規(guī)律。小面采場頂板首先在板邊四周形成空間的“O”型破斷，而后在中部形成平面的“X”型破斷，兩者貫通后構(gòu)成頂板的“O-X”型破斷;而大面采場頂板先在頂板中部形成空間“X”型破斷，而后與后期形成的“O”型破斷交合貫通共同構(gòu)成頂板的“X-O”型

5、破壞模式。
　　采用數(shù)值模擬手段研究了等長工作面、“正、反刀把式”工作面三種面長條件下的采場力學(xué)演化行為與巖層活動存在的規(guī)律，得出了變面長采場頂板塑性區(qū)的衍生趨勢和擴展空間、采動應(yīng)力場的演化特征和覆巖位移場的變形規(guī)律，揭示了變長工作面與等長工作面應(yīng)力分布與覆巖運移的同步特征和異形機制。
　　運用三維相擬模型試驗研究了“正、反刀把式”工作面不同開采階段的覆巖破斷特征、裂隙發(fā)育狀態(tài)、覆巖運移規(guī)律和應(yīng)力演化過程，得出了“刀把式”采

6、場回采期間頂板破斷具有瞬時突變、分段延伸和分區(qū)遷移的時空特點，覆巖裂隙場經(jīng)歷了卸壓失穩(wěn)、張裂破壞、萎縮變小、擬合封閉的動態(tài)演變過程，覆巖運移非線性下沉的時空效應(yīng)以及覆巖走向應(yīng)力與傾向應(yīng)力動態(tài)演變的分布規(guī)律。
　　通過現(xiàn)場實測得出了潘三礦1622(3)“刀把式”工作面煤層開采期間液壓支架的運行狀況、工作阻力的荷載分布狀態(tài)、頂板來壓特征及巷道圍巖的移動變形量，揭示了“刀把式”采場大、小采面及工作面對接區(qū)間礦壓顯現(xiàn)的一般規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系，