基于地應(yīng)力-沉積巖層結(jié)構(gòu)控制的采場(chǎng)底板巷道圍巖變形機(jī)理研究.pdf

1、巷道變形破壞是制約礦井安全高效開(kāi)采的主要因素之一，巷道變形破壞機(jī)理復(fù)雜，受多種因素控制。為揭示采場(chǎng)底板巷道變形破壞機(jī)理，本文以淮北礦區(qū)蘆嶺煤礦主采煤層8煤底板為研究對(duì)象，分析了煤層底板沉積巖層結(jié)構(gòu)及礦井地應(yīng)力場(chǎng)特征，綜合運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬、相似材料模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，對(duì)采場(chǎng)底板巷道變形機(jī)理進(jìn)行了研究，揭示了底板巷道變形破壞的地應(yīng)力-沉積巖層結(jié)構(gòu)控制機(jī)理。取得的主要研究成果和結(jié)論有:
　　(1)通過(guò)對(duì)研究區(qū)沉積環(huán)境、巖性組合特

2、征分析，將8煤底板巖層分為分流間灣一決口扇型和泛濫盆地一分流河道型兩種沉積模式，提出了8煤底板由全泥巖型（Ⅰ型）及砂泥巖互層型（Ⅱ型）兩種沉積巖層結(jié)構(gòu)類(lèi)型組成。
　　(2)采用應(yīng)力解除法與AE法對(duì)礦井地應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試分析，得出最大主應(yīng)力在19.94～33.65MPa之間，最大主應(yīng)力方向73.2°～105.6°，呈近東西向，礦井地應(yīng)力場(chǎng)以構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主;采用FLAC3D軟件對(duì)礦井地應(yīng)力分布特征進(jìn)行了反演，結(jié)果表明，蘆嶺礦井地應(yīng)力分布

3、具有明顯的分區(qū)性。
　　(3)將采場(chǎng)底板巷道簡(jiǎn)化為半無(wú)限空間彈性體內(nèi)部含圓形孔洞的應(yīng)力求解模型，運(yùn)用復(fù)變函數(shù)方法，推導(dǎo)出在原巖應(yīng)力和支承壓力影響下的采場(chǎng)底板巷道應(yīng)力的彈性力學(xué)解。分析得出高地應(yīng)力條件下，采場(chǎng)底板巷道巷幫易發(fā)生拉破壞，巷頂壁易發(fā)生剪切破壞，且隨著側(cè)壓系數(shù)的增大而明顯。
　　(4)建立了兩種底板沉積巖層結(jié)構(gòu)工程地質(zhì)模型，采用數(shù)值模擬與相似材料模擬相結(jié)合的方法，對(duì)不同地應(yīng)力場(chǎng)條件下，采場(chǎng)底板應(yīng)力演化規(guī)律及巷道變形特

4、征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明:
　?、僮灾貞?yīng)力條件下，兩類(lèi)沉積巖層結(jié)構(gòu)底板采動(dòng)應(yīng)力演化及巷道變形特征存在一定的差異，主要表現(xiàn)為Ⅱ型結(jié)構(gòu)底板增壓及卸壓程度均大于Ⅰ型結(jié)構(gòu)，但差異較小，主要因?yàn)棰蛐徒Y(jié)構(gòu)底板中含力學(xué)強(qiáng)度較高的砂巖;
　?、跇?gòu)造應(yīng)力條件下，兩類(lèi)沉積巖層結(jié)構(gòu)底板采動(dòng)應(yīng)力演化差異顯著，主要表現(xiàn)為，Ⅰ型結(jié)構(gòu)底板采動(dòng)應(yīng)力在底板垂向范圍內(nèi)分為兩個(gè)區(qū)間，分別為應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力恢復(fù)區(qū)，而Ⅱ型結(jié)構(gòu)底板分為三個(gè)區(qū)間，在巖性分界面處出現(xiàn)了應(yīng)力

5、拐點(diǎn)，說(shuō)明底板沉積巖層結(jié)構(gòu)的差異在構(gòu)造應(yīng)力條件下達(dá)到了放大;
　?、蹣?gòu)造應(yīng)力條件下，采空區(qū)底板應(yīng)力總體以壓應(yīng)力為主，而自重應(yīng)力條件下，以拉應(yīng)力為主，導(dǎo)致底板巷道破壞形式明顯不同，自重應(yīng)力條件下多為拉張性破壞，而構(gòu)造應(yīng)力條件下巷道多為壓剪性破壞，揭示出地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巷道變形的控制機(jī)理。
　?、軜?gòu)造應(yīng)力場(chǎng)條件下，Ⅰ型結(jié)構(gòu)底板巷道變形破壞較Ⅱ型結(jié)構(gòu)底板巷道變形破壞程度更大。
　　(5)建立了Ⅱ型沉積巖層結(jié)構(gòu)邊界斷層模型，采用數(shù)值

6、模擬與相似材料模擬相結(jié)合方法，對(duì)工作面逆、順斷層傾向回采條件下采場(chǎng)底板應(yīng)力演化及巷道變形進(jìn)行了分析，得出斷層帶對(duì)采場(chǎng)底板應(yīng)力演化有明顯的控制作用。主要表現(xiàn)有:
　?、倌鏀鄬觾A向開(kāi)采時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力受斷層帶阻隔，在上盤(pán)產(chǎn)生應(yīng)力集中，而順斷層傾向開(kāi)采時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力穿過(guò)斷層帶傳遞到對(duì)盤(pán)，揭示出逆斷層傾向開(kāi)采，斷層帶對(duì)采動(dòng)應(yīng)力起“屏蔽”作用;
　?、跀鄬硬煌恢玫装逑锏雷冃尾煌?，主要表現(xiàn)為:近斷層帶巷道變形大，而遠(yuǎn)離斷層帶巷道變形小，揭示

7、出邊界斷層對(duì)巷道變形破壞的控制機(jī)理。
　　(6)利用自行研制的巖體采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)工作面回采期間，底板巷道采動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行了同步監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明:底板巷道垂向應(yīng)力狀態(tài)經(jīng)歷增壓-卸壓-應(yīng)力恢復(fù)過(guò)程，增壓幅度明顯小于卸壓幅度，即底板巷道受采空區(qū)卸壓影響程度明顯高于工作面超前集中應(yīng)力影響程度，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。
　　(7)對(duì)工作面回采期間底板巷道變形進(jìn)行了同步測(cè)試，結(jié)果表明:
　?、俨煽諈^(qū)下方巷道變形大于工作面迎頭前方巷道變