煤层群开采围岩应力壳时空演化特征研究

发布时间：2020-01-25 09:51

【摘要】：本文基于矿山工程力学、岩石力学、煤矿开采学等相关理论成果,综合运用理论分析、实验室实验、数值模拟、相似模拟以及现场实测等研究方法,对煤层群开采围岩应力壳时空演化特征进行了系统深入的研究。开展了工作面初次采动后采场底板围岩应力场动态重分布规律研究,揭示了采场底板围岩应力壳产生的力学本质,并建立了主应力力学指标的采场空间划分方法;研究了初次采动、重复采动时,不同采场结构围岩的三维采动应力场空间分布形态、应力集中程度等变化规律,揭示了煤层群开采围岩三维应力场的时空演化特征;基于采场围岩应力壳力学形态和时空演化规律,以采场围岩三维应力场、位移场及破坏场等特征参数为对象,研究了煤层群开采围岩应力壳力学特征及其相互作用关系,揭示了深井煤层群开采围岩力系的演化机制;针对近距离煤层群开采容易诱发动力灾害的难题,提出了近距离煤层群“时间-空间-强度”协调统一的管理和维护措施,旨在为科学合理的预防和控制矿压灾害提供理论支撑。论文取得了以下主要研究成果:1.研究了工作面初次采动后采场底板围岩应力场动态重分布特征,揭示了采场底板围岩应力壳产生的力学本质基于应力壳理论,构建了煤系地层条件下的横观各向同性底板岩体力学模型,研究了工作面初次采动后采场底板围岩应力场动态重分布规律,并得出上部煤层工作面底板围岩应力场分布特征,最终建立了主应力力学指标的采场空间划分方法。主要结论如下:(1)采场底板岩层空间采动应力的分布规律为:采动水平应力和采动垂直应力具有区域性特点,且水平应力影响深度远小于垂直应力。(2)在壳基高应力作用下,煤壁或开切眼位置附近区域的底板岩层为最大主应力增高区,随着深度的增加最大主应力峰值不断减小,并逐渐远离煤壁斜向采空区侧转移,使得采空区底板岩层在一定深度范围会出现明显的应力集中现象,形成由高应力束组成的应力壳,进一步揭示了采场底板围岩应力壳产生的力学本质。(3)基于采场底板围岩采动应力分布和力学环境的差异性,结合应力壳理论成果提出了底板岩层的“四区三带”划分,即沿水平划分为原岩应力区、过渡区、应力增高区和卸压区,沿垂直划分为卸压带、应力增高带和原岩应力带。2.揭示了煤层群开采围岩三维应力场空间展布形态和时空演化规律采用数值模拟和相似模拟方法对比分析煤层群开采条件下,初次采动、重复采动时,不同采场结构围岩的三维采动应力场空间分布形态、应力集中程度等变化规律,揭示了煤层群开采围岩三维采动应力场的时空演化特征。主要结论如下:(1)煤层群重复开采条件下,采场围岩也存在由高应力束组成的应力壳,其特点是壳体中的主应力最大,壳体内、外岩体的主应力值相对较小,且应力壳内为被保护的低应力区。(2)下伏煤层初采阶段,采场围岩宏观应力场发生了较大的变化,即“下应力壳”和“上应力壳”同时存在,其中“下应力壳”壳体位于上、下伏煤层之间的岩层中,壳基位于下伏煤层工作面前、后未采煤岩体内。“下应力壳”是下伏煤层工作面初采阶段最主要的承载力系,其形态与采场结构参数有关。(3)煤层群重复采动过程中,下伏煤层工作面经历了“下应力壳”的产生、演化直至消失等过程,壳基处应力位置及大小不断地发生变化,另外,“上应力壳”壳体上的应力集中程度和集中范围也逐渐增加,开切眼后方未采煤岩体内的“上应力壳”壳基逐渐向斜下方转移,直至与“下应力壳”壳基融为一体,最终形成更大的宏观应力壳。(4)当“下应力壳”和“上应力壳”融为一体时,宏观应力壳高度得到进一步增大,使得工作面瞬间将承受较大的采动应力。3.研究了煤层群开采围岩应力壳力学特征及其相互作用关系基于采场围岩应力壳力学形态和时空演化规律,以采场围岩三维应力场、位移场及破坏场等特征参数为对象,对煤层群下行开采围岩应力壳力学特征及其相互作用关系进行了研究,揭示了深井煤层群开采围岩力系的演化机制。主要结论如下:(1)下伏煤层工作面初采阶段,上、下伏煤层层间岩层中的水平应力远大于垂直应力,水平应力在工作面前方顶板出现峰值,此时最大主应力矢量受控于水平应力的作用,应力产生集中且方向逐渐偏转,进而形成“下应力壳”。(2)下伏煤层工作面初采阶段,随着工作面的推进,采场围岩破坏场、位移场影响范围不断扩大,但其仅对层间岩层扰动剧烈,这是因为此时采场围岩“下应力壳”和“上应力壳”同时存在,而“下应力壳”作为下伏煤层工作面推进过程中最主要的承载力系,围岩破坏、位移等主要发育在其下方的卸压区内,故两工作面采场围岩破坏场、位移场之间相互影响不大。4.提出了近距离煤层群“时间-空间-强度”协调统一的管理措施以淮南矿区谢桥煤矿8煤和6煤近距离煤层群协调开采为工程背景,基于煤层群开采围岩应力壳力学特征及时空演化规律研究成果,对近距离煤层群“时间-空间-强度”协调统一开采难题进行现场应用研究,进一步揭示深井煤层群开采围岩力系的演化机制,旨在为科学合理的预防和控制矿压灾害提供理论支撑。主要结论如下:(1)随着工作面的推进,上伏煤层工作面壳基对下伏煤层工作面的影响逐渐增大,尤其当上、下两个应力壳即将融合为一个整体应力壳时,其煤壁前方壳基最大主应力达到峰值,致使工作面支架支护阻力急剧增大。与此同时,采场围岩应力场、位移场、裂隙场、破坏场以及能量场等均发生了显著的变化,具体表现为下伏煤层工作面煤壁前方支承压力达到峰值,而水平应力场始终保持在卸压状态,造成工作面区域垂直应力集中特征更加明显,同时,下伏煤层和上伏煤层工作面采空区覆岩垂直位移场、裂隙场相互叠加,致使其上方部分已经受开采扰动的岩层区域重新被活化,采场顶板岩层破坏高度突然增大,两带高度增长速率亦明显变大,采场围岩能量场急剧变化,这在一定程度上会引起工作面矿压显现的加剧,进而造成煤壁片帮冒顶以及工作面压架等事故发生,故应当对该区域进行重点防范。(2)基于煤层群开采围岩应力壳力学特征及时空演化规律,遵循适当的时间、合理的空间、适当的开采强度的原则,提出了近距离煤层群“时间-空间-强度”协调统一的管理措施。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD311

【参考文献】