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综采面坚硬顶板套筒致裂法强制放顶模型实验研究

作　者: 李德生
导　师: 徐颖
学　校: 安徽理工大学
专　业: 岩土工程
关键词: 坚硬顶板套筒致裂法强制放顶模型实验数值模拟
分类号: TD327.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着我国煤炭资源的开采和利用,浅层煤炭资源几乎开采殆尽,煤矿开采已进入深部开采时期,开采的环境也越来越复杂,其中坚硬项板控制就是一重要方面。调查表明,有近40%的综采工作面属于来压强烈的坚硬顶板。因此,研究和掌握坚硬顶板控制理论与技术,具有重要的现实意义。坚硬顶板强制放顶通常采用的是爆破弱化法和高压水致裂法。爆破弱化法致裂范围大,效率高,致裂效果明显,但是大量使用炸药会污染井下环境,在富含瓦斯的区域作业会带来危险,稍微不慎可能会造成瓦斯爆炸、煤层坍塌等重大问题；高压水致裂法安全,不影响工作面采掘工作,不污染井下环境,但其受到顶板岩石的节理情况,矿物成分,胶结情况等因素的影响。基于以上分析,本文提出将套筒致裂法应用于顶板致裂方面,并分析其致裂机理,主要工作与结果如下：(1)简单介绍了岩石的基本性质,着重分析了高压水致裂机理和套筒致裂机理。分析高压水致裂分为压裂和弱化两个方面,套筒致裂机理相当于高压水的压裂作用。分析了套筒致裂法分为单孔致裂和多孔控制致裂,通过实验分析发现套筒的多孔控制致裂可以根据需要控制裂纹的扩展方向,但扩展方向受最大主应力和孔间距的影响。(2)以谢桥矿13216工作面为背景,在前人的基础上分析了其采场矿山压力和显现规律,根据顶板初次和周期垮落步距公式计算出谢桥矿13216工作面理论垮落步距。建立数值模型,对顶板初次和周期垮落步距进行模拟,通过模拟发现,通过建立合适的垮落判据,得出的初次垮落步距一致,周期垮落步距略小于计算值。(3)建立模型实验,对套筒致裂机理进行研究,分析套筒致裂顶板的影响因素。通过实验发现,套筒致裂效果受孔径、孔间距和套筒压力等综合因素影响。当孔径为定值时,随着孔间距的增大,致裂压力也随之增大,当达到一定程度时,裂缝扩展受最大主应力控制；当影响半径为定值时,随着半径的增大,致裂压力随之降低,换言之,当致裂压力为定值时,随着半径的增大,致裂范围随着增大。综合以上因素,采用大直径效果更好。(4)对模型实验进行数值模拟。通过模拟发现,从X、Y方向的应力云图看出,在压力逐步增大的情况下,孔周围应力在不断的快速重分布。当压力达到破坏压力时,模型沿布置孔的方向的Y方向拉应力超过了岩石的抗拉强度,岩石破裂。通过数值模拟,采用模型采用大直径效果最好,模拟结果与模型实验得出的结论一致。通过理论分析,模型实验和数值模拟方面对套筒致裂法进行研究,分析其应用的可行性,为坚硬顶板强制放顶提供一定的参考意义。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
1 绪论  15-21
  1.1 选题依据及研究意义  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-19
  1.3 本文主要工作  19-21
    1.3.1 研究目的  19
    1.3.2 研究内容  19
    1.3.3 研究路线  19-21
2 坚硬顶板岩石的力学特性及致裂机理  21-31
  2.1 坚硬顶板岩石的力学特性  21-23
    2.1.1 岩石的强度  21
    2.1.2 岩石的变形  21-22
    2.1.3 岩石的软化性  22-23
  2.2 高压水致裂机理  23-25
    2.2.1 岩体压裂破坏机理  23-24
    2.2.2 注水压裂岩体开裂方向  24
    2.2.3 岩体弱化破坏机理  24-25
  2.3 套筒致裂机理  25-30
    2.3.1 单孔致裂理论  25-28
    2.3.2 多孔控制致裂理论  28-30
  2.4 小结  30-31
3 综采面坚硬顶板采场压力及显现规律  31-49
  3.1 综采面上覆岩层的移动规律  31-33
  3.2 综采面围岩的力学模型  33-34
  3.3 坚硬顶板的力学模型及其计算  34-41
    3.3.1 初次垮落前坚硬顶板的极限跨距  36-39
    3.3.2 周期垮落时坚硬顶板的跨距  39-41
  3.4 顶板垮落步距数值模拟  41-47
    3.4.1 初次垮落步距数值模拟  41-45
    3.4.2 周期垮落步距数值模拟  45-47
  3.5 小结  47-49
4 套筒致裂法致裂顶板模型实验研究  49-71
  4.1 实验原理及目的  49
  4.2 实验方案  49
  4.3 实验设备及过程  49-52
    4.3.1 实验设备  49-50
    4.3.2 实验过程  50-52
  4.4 实验结果及其分析  52-68
    4.4.1 模型1实验结果及分析  52-58
    4.4.2 模型2实验结果及分析  58-63
    4.4.3 模型3实验结果及分析  63-68
  4.5 3种模型结果对比分析  68-69
  4.6 小结  69-71
5 套筒致裂法有限单元法数值模拟研究  71-83
  5.1 有限单元法基本理论  71-72
    5.1.1 有限单元法的基本思想  71
    5.1.2 有限单元法的分析步骤  71-72
  5.2 套筒致裂法有限元数值分析  72-81
    5.2.1 数值模型判据  72-73
    5.2.2 建立数值模型  73-74
    5.2.3 模型2结果与分析  74-77
    5.2.4 模型3结果与分析  77-81
  5.3 3种模拟结果对比分析  81
  5.4 小结  81-83
6 结论与展望  83-85
  6.1 结论  83
  6.2 展望  83-85
参考文献  85-89
致谢  89-91
作者简介及读研期间主要科研成果  91

综采面坚硬顶板套筒致裂法强制放顶模型实验研究

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