二次沿空留巷圍巖變形機理及支護技術(shù)研究.pdf

1、本論文針對兩層近距離薄煤層開采二次沿空留巷開展研究，對二次留巷全過程中，采場圍巖內(nèi)應(yīng)力和裂隙的分布、演化規(guī)律進行了分析。根據(jù)覆巖的破斷規(guī)律和結(jié)構(gòu)特征，揭示了不同開采階段采場頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及巷道圍巖的壓力顯現(xiàn)規(guī)律。分析了頂板內(nèi)力、應(yīng)力、塊度分布規(guī)律和破斷特征，建立了二次留巷關(guān)鍵塊穩(wěn)定性模型，分析了不同支護條件下關(guān)鍵塊的穩(wěn)定性。此外，還對散體矸石的力學性能進行了測試和研究。通過本論文的研究，主要獲得以下成果和進展：
　?。?）對二次

2、留巷全過程中，采場卸壓區(qū)形態(tài)、支承壓、巷旁支護阻力以及裂隙的動態(tài)分布和演化規(guī)律進行了分析。通過定義顆粒間破斷粘結(jié)與初始粘結(jié)數(shù)量的比值關(guān)系，建立了描述覆巖破壞狀態(tài)的損傷因子，研究了不同開采時期采場圍巖內(nèi)的損傷演化規(guī)律。
　?。?）基于變形和破斷判據(jù)，對覆巖關(guān)鍵層位進行了判定。建立了基于能量守恒定律的裂隙帶高度力學模型，根據(jù)韋家溝煤礦地質(zhì)及開采條件，計算了裂隙帶發(fā)育高度。根據(jù)分形理論，對采動覆巖在二次留巷不同階段內(nèi)裂隙的分形盒維數(shù)變化

3、規(guī)律進行了分析，獲得了二次留巷全過程中頂板破斷及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的變化規(guī)律。
　?。?）基于顆粒流理論，選取顆粒和粘結(jié)的彈性模量、剛度比以及粒間摩擦系數(shù)為變量，對宏觀強度、峰值應(yīng)變和彈性模量的變化規(guī)律開展研究，獲得了顆粒和粘結(jié)的細觀參數(shù)變化時模型的宏觀力學響應(yīng)規(guī)律?；趨?shù)敏感性分析及校驗結(jié)果，分析了二次留巷裂隙場發(fā)育及演化規(guī)律。
　?。?）建立了四邊固支頂板模型，通過施加梯度載荷和均布載荷模擬不同煤層賦存條件。采用加權(quán)殘數(shù)法，獲

4、得了基于撓度函數(shù)的頂板內(nèi)力和應(yīng)力分布函數(shù)。通過數(shù)值計算，獲得了頂板在均布和梯度載荷作用下的破斷規(guī)律，進而建立了破斷巖塊的鉸接面平面桁架結(jié)構(gòu)模型。采用機動法對破斷巖塊的尺寸特征函數(shù)進行了推導(dǎo)，并求解了各影響因素的敏感性。結(jié)果顯示，在各因素中，巖層厚度對于關(guān)鍵塊的破斷尺度影響最大，其次為覆巖載荷，頂板的抗拉強度在較小的取值區(qū)間內(nèi)影響較明顯，工作面長度的影響最小。
　?。?）基于二次沿空留巷頂板的變形及破斷規(guī)律，建立了一次采動滯后段、二

5、次采動超前段及二次采動滯后段沿空巷道關(guān)鍵塊穩(wěn)定性力學模型，分析了不同留巷時期，關(guān)鍵塊的受力特征及平衡條件。建立了表征關(guān)鍵塊穩(wěn)定性的判斷函數(shù)K1和K2，對不同開采階段關(guān)鍵塊在支護參數(shù)變化下的穩(wěn)定性進行了分析，并模擬了不同端部條件下巷旁支護體的承載、變形及破壞規(guī)律。
　?。?）針對矸石在自由壓縮條件下的力學響應(yīng)規(guī)律開展了顆粒流模擬和物理實驗研究。在自由壓縮下，小粒徑矸石的增阻速率在前期比大粒徑矸石小，后期增阻速率明顯提升并大于大粒徑矸

6、石。符合Talbot級配的矸石前期變形量明顯減小，增阻速率塊，且施加錨固后的散體矸石承載性明顯提升。矸石的自由壓縮從時間上可分為三個階段：自組織平衡階段（I階段），破碎壓密階段（II階段）和固結(jié)增阻階段（III階段）。對處于II、III階段的矸石而言，按受力狀態(tài)的差異，從空間上可劃分為：I區(qū)域，自組織平衡區(qū)；II區(qū)域，咬合破碎區(qū)；III區(qū)域，固結(jié)區(qū)。各區(qū)域呈近似同心圓形分布。其中，固結(jié)區(qū)是主要承載體，其受載變形規(guī)律將直接影響矸石的壓縮性