关键层对重复采动下覆岩破坏特征及裂隙演化影响研究

作     者：李利 

作者单位：贵州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孔德中;罗烨

授予年度：2023年

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

主      题：重复采动 覆岩运动 裂隙演化 关键层 顶板结构力学模型 

摘      要：针对贵州煤层赋存条件大都比较复杂,且煤层厚度薄、瓦斯含量较大,多为煤层群、煤层及顶底板较软以及矿区地表多为山地地形,在重复采动下覆岩运动及裂隙发育难以预测的问题,将关键层做为切入点,以贵州省安顺煤矿做为研究背景,采用现场实测、理论分析、单轴试验、相似模拟分析、数值模拟分析等方法,分析了单向应力下预制裂隙对类岩石试件裂隙发育规律及变形破坏演化特征,揭示了预制裂隙倾角、裂隙数量、裂隙形状等对类岩石试件强度的影响,从而确定采动过程中覆岩强度的变化;通过对不同关键层层位、不同关键层层厚下覆岩运动特征及裂隙发育情况进行分析,得到了关键层对重复采动下覆岩运动及裂隙演化规律的影响。研究结果表明:(1)通过单向应力下预制裂隙对类岩石试件裂隙发育规律及变形破坏演化特征分析得出裂隙倾角由0°→45°和90°→45°变化过程中,岩石单轴抗压强度降低程度分别由12.47%增至28.83%和16.66%增至28.83%,单裂隙试件的平均峰值强度为完整试件峰值强度的80.24%,双裂隙试件的平均峰值强度为完整试件峰值强度的69.07%,三裂隙试件的平均峰值强度为完整试件峰值强度的56.94%。(2)通过对西南山区煤矿唯一关键层顶板结构进行分析,建立西南山区煤矿“斜台阶顶板结构力学模型,并对“斜台阶结构关键块进行稳定性分析,得出唯单一关键词关键块不发生滑落现象的最小支撑力,依次进一步推算出关键层不同层位所需最小支持力的大小,发现关键层层位越高,所需最小支撑力越小。(3)物理相似试验得到关键层层位对初次来压步距、周期来压次数和平均周期来压步距无影响或影响甚微;层位越高,关键层垮断步距越大,关键层越晚破断,关键层破坏时对于关键层及上覆岩层乃至地表的破坏越小,关键层及上覆岩层乃至地表的下沉量也越小;并且在重复采动下关键层层位对覆岩运动及裂隙演化的影响较小。(4)数值模拟得到关键层层位越高,关键层垮断步距越大,垮断时覆岩下沉量也越小;关键层处裂隙越少,对关键层上覆岩层及地表造成的裂隙也越小,关键层垮断步距越大,垮断时覆岩下沉量也越小;关键层越厚越高,关键层垮断步距越大,垮断时覆岩下沉量也越小;并且在重复采动时,关键层层位、层厚对于覆岩运动及裂隙演化规律则不会产生较大影响。