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“三下”条带开采局部化灾害监测基础研究

作　者: 卫晓君
导　师: 石平五
学　校: 西安科技大学
专　业: 矿业工程
关键词: 变形局部化物理相似模拟数值计算煤柱稳定性声发射灾害监测条带开采
分类号: TD823.83
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

岩石的局部化变形是岩土材料变形失稳的一个重要特征和致灾前兆。在开采扰动作用下,其局部化变形直接导致了岩石整体强度的降低,使工程岩体的承载能力下降。准确预测局部化失稳是实现安全开采的关键技术之一。要从本质上解决这一技术难题,就需要研究开采扰动区围岩和煤柱局部化破坏规律以及开采引起的局部化失稳与发展过程;利用先进监测方法,合理确定局部化失稳的多元指标信息,寻找条带开采局部化灾害预报与控制方法,这是煤炭安全开采中面临的一个重大的科学问题。本论文基于理论分析、煤柱体介质的物理力学性态声发射测试、物理相似模拟、三维数值模拟、现场监测等方法和手段,系统分析了由于局部自然和技术条件发生异常性的变化而导致局部化灾害,建立了监测体系,指导了生产实践,保证了安全开采。(1)现场工程调查表明,典型矿区条带开采区域煤层的赋存环境与顶板结构存在空间变异性。自然或工程的某些条件的局部变化可能导致保护工程的局部区域变形、局部位置强度劣化诱发工程失稳进而演化为灾害。(2)利用煤岩局部化损伤与破裂声发射实验,分析了煤样在不同加载与破裂阶段声发射特征统计规律。同时完成了黄土的物理指标与湿陷特征参数实验以及固结不排水条件下的三轴实验,得出了黄土物理指标统计规律,进一步揭示了岩(土)体具有局部化失稳并导致局部性灾害的可能性。(3)通过物理相似模拟和数值计算,深入分析了煤柱局部化变形导致局部区域破坏过程及演化规律。研究表明,由于个别缺陷煤柱的破坏,而导致的局部化灾害过程主要包括3个阶段,即缺陷煤柱的破坏阶段、煤柱破坏发展阶段和局部区域突发塌陷阶段。随着煤柱破坏发展,当冒落发展到基岩厚度不足以承担松散覆盖层重量时,在松散覆盖层作用下发生切顶灾害。地表和第四系水体破坏,就会造成矿井水灾。同时,相似材料模拟实验表明,由于存在个别的“缺陷煤柱”,造成应变软化导致局部化灾害的演化过程,可以认识到一些相关的关键技术问题。及早发现“缺陷煤柱”是防止局部化灾害的首要任务;层状围岩体的构成特征,是判断煤柱破坏发展阶段冒落高度的基础;顶板覆盖层含水体赋存层位及富水性,是判断煤柱破坏发展阶段是否发生水灾的依据;控制局部化灾害是优化条带开采设计的技术基础之一;松散层厚度决定局部化灾害的突发性阶段。(4)深入分析了条带开采局部化诱发灾害监测的基本内涵以及可监测性,系统地阐述了各个指标信息的监测与信息获取方法,构建了条带开采局部化灾害监测系统。(5)基于条带开采的煤柱局部化变形规律的物理相似模拟实验和三维有限差分数值计算,综合对比分析了围岩变形规律,覆岩与煤柱强度劣化特征,确定了合理的条带开采方案及其相关参数。(6)利用煤柱局部化松动变形与失稳范围的声波检测方法,定量确定了现场煤柱稳定参数范围。同时对现场地表变形进行监测与分析,为工程防灾减灾预警信息识别提供了可靠依据,最终确保了安全开采。本研究对同类矿区的安全开采具有积极有效的指导与借鉴意义。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
1 绪论  12-27
  1.1 选题的背景和意义  12-13
  1.2 国内外的研究动态及发展趋势  13-22
    1.2.1 开采诱发地表地质灾害的研究现状  14-16
    1.2.2 岩石局部化问题研究现状  16-18
    1.2.3 开采诱发局部化失稳的相似模拟研究的发展现状  18-19
    1.2.4 局部化变形测试方法研究现状  19-20
    1.2.5 开采形成的采空区动力失稳研究现状  20-22
    1.2.6 保水开采技术的理论及研究现状  22
  1.3 条带开采局部化失稳影响因素  22-24
  1.4 研究主要内容和技术路线  24-27
    1.4.1 主要研究内容  24-25
    1.4.2 主要采用的研究方法  25
    1.4.3 关键技术路线  25-27
2 岩石的局部化变形和条带煤柱局部化灾害  27-41
  2.1 概述  27-28
  2.2 岩石(体)局部化变形  28-29
  2.3 煤岩局部化变形声发射实验  29-34
    2.3.1 声发射技术的基本原理与特点  29-31
    2.3.2 岩体声发射的波动理论  31-32
    2.3.3 煤体损伤与破裂的声发射特征  32-34
  2.4 渗流诱发覆岩局部化失稳特征  34
  2.5 复合介质局部化变形特征  34-36
  2.6 条带开采诱发地表局部化变形特征  36-40
    2.6.1 地表局部化变形特征  36-37
    2.6.2 地表黄土的局部化变形特征实验  37-40
  2.7 小结  40-41
3 煤柱局部失稳导致区域性灾害过程研究  41-54
  3.1 概述  41
  3.2 条带开采的局部化灾害破坏演化过程  41-53
    3.2.1 局部化灾害演化过程的相似材料模拟  41-49
    3.2.2 煤柱-覆岩体系破坏过程数值模拟  49-53
  3.3 小结  53-54
4 条带开采局部化灾害监测系统构建  54-69
  4.1 概述  54
  4.2 局部化变形及失稳多元指标分析模型  54-57
    4.2.1 局部化变形及失稳多元指标信息  54-55
    4.2.2 局部化变形及失稳识别方法  55-57
  4.3 条带开采局部化失稳诱发灾害预测系统分析  57-61
    4.3.1 基于最大限度防止顶板灾害的控制设计  58-59
    4.3.2 顶板灾害预计评价体系  59-60
    4.3.3 灾害可监测性分析  60-61
    4.3.4 监测信息的识别与对策  61
  4.4 煤柱局部化失稳的可监测性  61-66
    4.4.1 关于“灾害源”  61-62
    4.4.2 煤柱(群)失稳力学过程  62-66
    4.4.3 煤柱和有限煤柱群破坏过程的可监测性  66
  4.5 局部化带关键位置监测方法  66-68
  4.6 小结  68-69
5 条带开采煤柱稳定性的声学监测  69-78
  5.1 概述  69-70
  5.2 监测结果及综合分析  70-77
  5.3 小结  77-78
6 典型工程的条带安全开采参数优化确定  78-98
  6.1 典型工程原型  78
  6.2 条带开采物理相似材料模拟  78-85
    6.2.1 相似模拟特色  78-79
    6.2.2 模拟实验过程及煤柱应力分析  79-85
  6.3 覆岩及地表黄土变形特征分析  85-88
    6.3.1 地表黄土断裂与下沉变形特征  85-86
    6.3.2 覆岩变形特征  86-88
  6.4 条带开采覆岩局部化变形的数值分析  88-89
    6.4.1 计算程序与本构关系  88-89
    6.4.2 模拟计算方案  89
  6.5 计算结果及分析  89-96
    6.5.1 应力特征  89-93
    6.5.2 位移特征  93-96
    6.5.3 塑性区特征  96
  6.6 小结  96-98
7 条带开采煤柱局部化灾害监测与评价  98-107
  7.1 地面建筑群和首采区地质条件  98-100
  7.2 条带开采方案  100-103
  7.3 地表局部化变形监测预计  103-105
  7.4 条带开采效果分析与安全评价  105-106
  7.5 小结  106-107
8 结论  107-109
致谢  109-110
参考文献  110-117
附录  117

“三下”条带开采局部化灾害监测基础研究

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