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近距离保护层开采多场演化及安全岩柱研究

作　者: 袁东升
导　师: 张子敏；张玉贵
学　校: 河南理工大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 保护层气固耦合数值模拟煤与瓦斯突出安全岩柱
分类号: TD713
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近距离保护层开采过程中多场演化规律和安全岩柱的研究是一个极其复杂和挑战性的课题,是目前国内外煤矿安全领域研究的热点和难点之一,作为保护层开采预防煤与瓦斯突出技术的研究基础,研究近距离保护层开采条件下瓦斯场、位移场、应力场、裂隙场、塑性损伤区的形成、分布、演化机理和保护层与被保护层之间安全岩柱的受力、变形、破坏、失稳特性,对于人们进一步认识保护层的防突机理,合理规划、设计保护层,扩大保护范围,评价和优化保护效果,采取更加有效的预防瓦斯突出措施,实现煤-气安全、高效开采具有重要的理论意义和工程实用价值。论文运用理论分析、实验室实验、数学计算、数值模拟和现场参数测试相结合的方法,以平顶山煤业集团有限责任公司为研究对象,对近距离保护层开采条件下的多场演化规律和安全岩柱特性进行了研究,取得了如下成果：理论分析部分：运用矿山岩石力学、矿山开采理论、煤岩渗透力学理论和瓦斯地质理论,分析了保护层开采过程中采动覆岩的应力场、裂隙场、瓦斯渗流场的演化规律,以及三场演化对煤岩气平衡体系失稳破坏的影响。物理模拟部分：采用具有国内先进水平的采矿工程物理平面应变模型,测距仪、高速摄像机、电阻应变仪和智能数字采集仪等对覆岩移动破坏过程和“横三区、竖三带”破坏的时空规律进行相似模拟实验研究。数值模拟部分：应用现有FLAC3D、FLAC5D、RFPA煤岩层破裂分析软件,SURFER数据处理软件及有限元数值模拟软件分析研究了上保护层开采过程中随工作面的推进上覆岩体的充分卸压高度、煤岩层破裂形态及范围以及支承压力分布特征,得出了保护层开采影响范围位移场、裂隙场、应力场、塑性区、瓦斯渗流场的时-空演化和动态分布规律。安全岩柱研究：针对近距离保护层开采的特点,对保护层开采期间保护层与被保护层之间的安全开采关系进行了数值模拟研究,重点对保护层掘进期间的最小安全岩柱厚度和保护层开采期间的瓦斯突出危险性进行了模拟,得出了掘进期间的最小安全岩柱厚度值,并进行了动态的突出危险性分区,在此基础上提出了保护层开采期间的瓦斯治理措施。现场应用研究：在上述研究的基础上,结合平顶山煤业集团有限责任公司五矿近距离上保护层己15煤层开采的实践,对实验室试验、物理模拟、数值模拟、理论计算结果进行现场验证,结果表明：实验室实验观测结果、数值模拟结果、现场实际测试结果能够很好的吻合。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-9
目录  9-7
ABSTRACT  7-12
1 绪论  12-28
  1.1 问题的提出  12-17
    1.1.1 我国瓦斯(突出)灾害严重制约着安全、高效生产  12-13
    1.1.2 保护层开采的必要性和可行性  13-17
  1.2 国内外研究现状及存在问题  17-23
    1.2.1 保护层开采应用现状  17
    1.2.2 保护层开采机理研究  17-18
    1.2.3 煤层瓦斯流动规律方面研究现状  18-20
    1.2.4 多物理场煤岩瓦斯耦合规律的研究  20-21
    1.2.5 多相煤岩瓦斯耦合规律的研究  21-22
    1.2.6 煤层卸压瓦斯越流理论的研究  22
    1.2.7 采动裂隙带瓦斯运移规律的研究  22-23
  1.3 存在的问题  23-24
  1.4 论文研究的意义  24-25
  1.5 主要内容研究及技术路线  25-28
2 保护层开采多场演化理论分析  28-36
  2.1 保护层开采采场应力变化规律  28-29
  2.2 保护层开采覆岩裂隙演化规律  29-32
  2.3 保护层开采过程渗流场变化规律  32-33
  2.4 保护层开采过程三场演化对煤岩失稳的影响  33-35
  2.5 本章小结  35-36
3. 保护层开采巷道周围岩柱应力分布状态研究  36-46
  3.1 "孔"周围的应力分布概述  36
  3.2 双向等压应力场内的圆形孔  36-39
    3.2.1 基本假设  36-37
    3.2.2 基本方程  37-38
    3.2.3 计算结果  38-39
  3.3 双向不等压应力场内的圆形孔  39-43
    3.3.1 双向不等压应力场内的圆形孔应力解  39-41
    3.3.2 椭圆形孔周边的应力分布  41-42
    3.3.3 矩形孔和其他开关巷道周边的应力分布  42-43
  3.4 回采空间周围应力重新分布  43-45
  3.5 本章小结  45-46
4 近距离保护层开采覆岩运移规律相似模拟试验研究  46-56
  4.1 覆岩运移相似模拟理论依据  46-49
  4.2 相似材料模拟考虑的几个问题  49-50
  4.3 平顶山五矿上保护层开采相似材料模拟试验  50-55
    4.3.1 矿井概况和模拟煤层情况  50
    4.3.2 物理模拟实验设计  50-54
    4.3.3 物理模拟实验结果及分析  54-55
  4.4 本章小结  55-56
5 近距离保护层开采多场演化规律的数值模拟研究  56-110
  5.1 近保护层开采后卸压范围的数值模拟研究  56-67
    5.1.1 数值模拟目的及方案  56
    5.1.2 数值模拟模型的建立  56-60
    5.1.3 数值模拟结果及分析  60-67
  5.2 不同瓦斯压力和岩柱厚度条件下保护层底板巷道塑性破坏区演化、分布规律的数值模拟研究  67-78
    5.2.1 数值模拟方案  67
    5.2.2 数值模拟模型的建立  67-69
    5.2.3 数值模拟结果分析  69-78
  5.3 近距离保护层回采期间裂隙场、位移场、应力场演化分布规律的数值模拟研究  78-106
    5.3.1 RFPA系统简介  78-87
    5.3.2 模拟工作面的瓦斯地质资料  87
    5.3.3 数值计算模型  87-89
    5.3.4 保护层开采应力分布与裂隙演化研究  89-106
  5.4 近保护层开采后瓦斯渗流场分布规律的数值模拟研究  106-109
    5.4.1 模型建立  106
    5.4.2 模拟结果及分析  106-109
  5.5 本章小结  109-110
6 近距离上保护层安全开采安全岩柱厚度数值模拟研究  110-130
  6.1 保护层掘进期间巷道围岩应力分析  110-112
    6.1.1 掘进巷道围岩状态分区  110-111
    6.1.2 矩形坑道围岩应力分布(无内压)  111-112
  6.2 近距离保护层开采矩形巷道底板松动范围的计算方法  112-114
    6.2.1 矩形巷道塑性区计算  112
    6.2.2 己_(15)保护层掘进巷道底板松动范围确定  112-114
  6.3 近距离上保护层安全开采安全岩柱厚度数值模拟研究  114-122
    6.3.1 FLAC软件基本原理  114-116
    6.3.2 确定保护层开采底板最小安全岩柱厚度研究  116-122
  6.4 近距离保护层回采期间突出危险区分布规律的数值模拟  122-128
  6.5 本章小结  128-130
7 平煤天安五矿近距离上保护层开采效果检验  130-138
  7.1 近距离上保护层开采岩层移动观测  130-133
    7.1.1 被保护层己_(16、17)顶、底板岩层移动观测  130-133
  7.2 被保护层瓦斯参数变化  133-134
    7.2.1 被保护层瓦斯含量变化  133
    7.2.2 瓦斯压力变化  133-134
  7.3 被保护层卸压范围  134-136
  7.4 被保护层掘进效果分析  136
  7.5 本章小结  136-138
8 论文主要结论、创新点及展望  138-142
参考文献  142-148
作者简历  148-150
学位论文数据集  150

近距离保护层开采多场演化及安全岩柱研究

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