深部采场采空区基本顶来压规律研究

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煤炭是我国主要能源之一。近年来,我国大部分煤矿已进入深部开采,对深部煤岩特性的研究日渐深入,但其特殊的力学性质对深部采场采动的影响一直悬而未决,而且,在煤矿五大自然灾害中,顶板灾害事故频发,严重制约着煤炭资源的开采,影响着国民经济的有序发展。然而,目前大多数基本顶来压步距都采用梁的平面问题计算,与实际步距相差甚远,因此,继续深入开展深部采场采空区基本顶来压规律研究势在必行。本论文以河南平顶山十矿戊9-10-20180工作面为工程背景,采用室内实验、理论分析和数值模拟相结合的手段,针对煤矿深部采场采空区基本顶来压规律,开展深部采场相似材料模拟实验、深部采场基本顶垮落的数值模型和深部采场采空区基本顶力学简化模型的研究,主要研究内容和成果如下:(1)针对河南平顶山矿区深部采场,采用相似材料模拟实验的基本原理,选用模型上部均布加载方式,完成深部煤层采动中上覆岩层时空演化的室内模型实验。实验结果表明,深部采场采空区基本顶垮落规律显著,初次来压步距25m,初次来压、周期来压步距较浅部采场短;深部采场空区基本顶初次来压时,采空区上方岩层可分为三个带:垮落带、裂隙带和弯曲下沉带;基本顶岩层的压力随着煤层开采而发生动态变化,可将其划分为三个区域:应力降低区、应力升高区和原始应力区;采动对于煤层上方的上覆岩层支承压力的影响,随着远离煤层,其影响逐渐减小。研究结果可为建立深部采场采空区基本顶来压的数值仿真提供必要的实验数据并为深部开采提供可靠理论依据。(2)针对河南平顶山戊9-10-20180实际开采工作面,基于扩展有限元法,建立深部采场变形数值分析模型,特别考虑深部岩体非线性损伤变形特性,塑性变形服从扩展D-P模型。通过室内实验以及理论简化模型结果对比分析,验证了所建立的数值分析模型的正确性,得出深部采场采空区基本顶初次来压规律;初次来压步距25m,周期来压步距10m,与实验值基本吻合;随着采深的增加来压步距减小,强度增大;随着采深增加,采场采空区基本顶初次来压和周期来压步距小于相应的浅层采场采空区基本顶初始来压和周期来压步距;针对深部采场(采深为900m和1400m),采场采空区基本顶初次来压随着采深得增大而有所变小,周期来压步距几乎未发生改变。(3)针对深部采场实际开采工作面,基于薄板的小挠度理论,建立了深部采场基本顶的平衡方程,给出了四边固支时平衡方程的解,引入高应力状态下岩石非线性统一强度判别准则。建立了深部采场采空区基本顶初次破断的数学模型;得到了基本顶初次来压极限荷载及步距的表达式。并将所得表达式代入平顶山十矿戊9-10-20180工作面,验证了结果的正确性。上述研究成果对加深深部采场采动机理的理解,为建立深部采场采空区基本顶来压规律分析理论与数值模型提供参考和技术支撑,为指导深部采场顶板矿压灾害无疑具有重要理论与实际意义。
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