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

1、隨著煤炭開(kāi)采強(qiáng)度的增加，地質(zhì)條件不斷惡化，“刀把式”不規(guī)則采場(chǎng)的煤層開(kāi)采現(xiàn)象增多?！暗栋咽健辈蓤?chǎng)的普遍存在導(dǎo)致了煤層開(kāi)采的復(fù)雜性和多變性，引起采動(dòng)含瓦斯煤巖體非線性破裂的劇烈程度增強(qiáng)，增加了低滲透度強(qiáng)吸附性高瓦斯煤層群的開(kāi)采難度。同時(shí)“刀把式”采場(chǎng)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(guò)程更加復(fù)雜多變，與正規(guī)采場(chǎng)相比表現(xiàn)出獨(dú)特的發(fā)展規(guī)律和時(shí)效特征。論文聚焦“刀把式”采場(chǎng)的安全開(kāi)采問(wèn)題，采用理論分析、巖石力學(xué)試驗(yàn)、數(shù)值模

2、擬、相似模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的綜合研究方法，對(duì)“刀把式”采場(chǎng)覆巖空間的結(jié)構(gòu)特征與破斷機(jī)理以及采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)、覆巖位移場(chǎng)和項(xiàng)板裂隙場(chǎng)的時(shí)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(chǎng)不同開(kāi)采階段的巖層疊賦特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用理論分析建立了“刀把式”工作面“三場(chǎng)三區(qū)三結(jié)構(gòu)”的覆巖結(jié)構(gòu)模型，揭示了變面長(zhǎng)采場(chǎng)頂板分段延伸、瞬時(shí)突變和分區(qū)遷移的時(shí)空演化特征。對(duì)于工作面斜長(zhǎng)由小變大的“刀把式”采場(chǎng)，沿工作面推進(jìn)方向經(jīng)歷了小面采

3、場(chǎng)、變面采場(chǎng)和大面采場(chǎng)三個(gè)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(dòng)采區(qū)三個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)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(yàn)，得到了煤層頂板單軸及三軸試驗(yàn)條件下的全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及圍巖強(qiáng)度、彈性模量、變形模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)，完成了對(duì)工作面開(kāi)采過(guò)程中圍巖力學(xué)環(huán)境的綜合評(píng)估和性態(tài)評(píng)價(jià)。
　　以工作面斜長(zhǎng)由小變大和由大變小的“刀把式”采場(chǎng)為研究載體，

4、運(yùn)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(yùn)用理論計(jì)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(guò)理論分析發(fā)現(xiàn)了變面長(zhǎng)采場(chǎng)頂板破斷的力學(xué)機(jī)理，揭示了頂板斷裂破壞的演化規(guī)律。小面采場(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)工作面、“正、反刀把式”工作面三種面長(zhǎng)條件下的采場(chǎng)力學(xué)演化行為與巖層活動(dòng)存在的規(guī)律，得出了變面長(zhǎng)采場(chǎng)頂板塑性區(qū)的衍生趨勢(shì)和擴(kuò)展空間、采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的演化特征和覆巖位移場(chǎng)的變形規(guī)律，揭示了變長(zhǎng)工作面與等長(zhǎng)工作面應(yīng)力分布與覆巖運(yùn)移的同步特征和異形機(jī)制。
　　運(yùn)用三維相擬模型試驗(yàn)研究了“正、反刀把式”工作面不同開(kāi)采階段的覆巖破斷特征、裂隙發(fā)育狀態(tài)、覆巖運(yùn)移規(guī)律和應(yīng)力演化過(guò)程，得出了“刀把式”采

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