采场压力拱演化特征及失稳机理分析

作     者：李宁 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王树仁;闫巨成

授予年度：2014年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：压力拱 演化特征 采场 数值分析 层状围岩 

摘      要：地下煤层开采后，在一定范围内的围岩中形成压力拱，把自身荷载和周边围岩的压力作用到拱脚及周围稳定介质中去，从而利于巷道及工作面的整体稳定，因此研究采场围岩压力拱的演化特征及失稳机理有重要理论意义和工程使用价值。 本文以范各庄矿某采区为研究背景，采用理论分析和数值计算等研究方法，对采场围岩压力拱演化特征、水平层状围岩采场压力拱分布特征及采场压力拱失稳机理等进行了分析，取得了如下研究成果： 首先，结合实际工程，应用FLAC3D构建综采采场三维数值计算模型，从综采工作面推进距离、采场围岩岩性、回采速度以及煤层倾角变化等方面，对综采采场压力拱的力学演化特征进行了数值模拟分析。计算结果表明：随着综采工作面的推进，采场围岩压力拱由扁拱向尖拱过度，压力拱厚度和拱脚处的应力峰值也在不断增大;采场围岩强度越高，越有利于成拱，且形成的压力拱厚度越薄;随综采采场回采速度的增大，回采工作面前方的应力峰值增大;随着煤层倾角由小至大变化，沿回采工作面倾向形成的的压力拱，其拱顶呈现偏向一侧的不对称扁拱形态变化，同时，压力拱的厚度和应力峰值逐渐增大，尤其是位置较低拱脚处的应力峰值增幅较大;然后，从围岩分层的数量、弱夹层距采面距离、弱夹层厚度、侧压力系数、层理面间距等方面分析层状围岩中压力拱形态变化。计算结果表明，层状围岩会在各层中形成压力拱并组成新压力拱;软弱夹层影响其上部围岩中压力拱的形状，随着夹层距采面距离增大，影响逐渐减小到无影响;软弱夹层厚度越薄对压力拱形状影响越大;侧压力系数对压力拱的形状有很大影响，合适的侧压力系数才能形成稳定的拱;结构面间距越小对压力拱影响越大。 最后，建立采场压力拱结构力学模型，通过分析得出采场压力拱有拉伸破坏，压缩破坏及剪切破坏三种形式。随采场压力拱倾角的增加，采场压力拱失稳模式由拱腰压缩破坏与拱脚剪切破坏模式发展为拱顶剪切破坏与前拱脚拉伸破坏模式。