浅埋煤层覆岩变形破坏规律及数值仿真模拟研究

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上覆岩层破坏变形规律的研究,无论在合理确定开采边界还是对保证水体下安全生产都十分重要。关于这方面的研究既涉及到特殊开采理论的知识,而且对确定覆岩破坏高度的现场探测以及指导安全生产都具有重要意义。  本文首先对采场覆岩的应力分布以及覆岩的破断机理进行了理论分析,并运用数值模拟软件RFPA2D对采动覆岩体的变形破坏过程进行了数值模拟,得出了覆岩破坏的主要过程是离层—弯曲—断裂—垮落,上覆岩层呈台阶状下沉。并对其最大主应力、剪应力和弹性模量进行了分析,得出顶板岩层的破断机理。其次,对上三带的空间分布形态及覆岩破坏高度的影响因素进行了理论分析。在理论研究的基础上利用钻孔双端封堵测漏法对武所屯煤矿16105工作面顶板导水裂隙带高度进行了现场实测,得出覆岩破坏高度为18.93m。然后以武所屯煤矿16105工作面工况为基础,运用数值模拟软件FLAC3D对16105工作面煤层开采进行了数值模拟,并在此基础上设计了两种方案,分别是断层影响下,不同推进方向对覆岩破坏发育高度的影响,以及无断层时不同采宽对覆岩破坏发育高度的影响。  结果表明:无断层时,随工作面推进,顶板出现不同程度的破坏,当煤层开挖至160m时,覆岩破坏高度在靠近煤柱处发育达到最大值,为20.4m,与经验公式计算值与现场实测值接近。有断层时,工作面由断层上盘推向下盘时,当工作面推过断层以后,覆岩破坏高度发育到最大,断层带受力状态为先受压后受拉;工作面由断层下盘推向上盘时,在工作面推过断层以前,覆岩破坏高度发育到最大,断层带先受拉后受压。从断层下盘向上盘推进比从断层上盘向下盘推进时,由断层引起的导水裂隙带高度的增长率要大。当工作面采宽不同时,较小采宽开采后,覆岩破坏形态呈水平层状分布,覆岩破坏发育高度较小;当采宽为足够大时,覆岩破坏形态呈现“马鞍”型;当采宽达到170m时,覆岩破坏发育到最大,此后采宽增大,覆岩破坏高度将不再发育。
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