褶皱构造区煤层开采应力演化及顶板突变失稳机制研究
褶皱构造区的煤层开采，易产生顶板复杂动力危害，对煤矿安全生产具有很大的影响。本文以羊东矿褶皱构造区为例，采用数理统计了羊东矿褶皱分布特征，并分析了褶皱的成因和基本类型，进而探究了褶皱区应力分布特征，并采用FLAC3D构建了褶皱数值模拟，系统研究了褶皱构造区开采的应力能量演化和顶板破坏规律。同时基于材料力学和弹性力学构建了顶板突变失稳力学模型，探讨了褶皱不同区域的顶板突变失稳的力学机制，并采用Rhino和FLAC构建了大型褶皱构造数值模型，分析了宏观采场的工作面开采应力能量分布和顶板破坏特征。主要结论如下： （1）褶皱不同部位具有不同的应力分布，根据褶皱各部位的受力状态可分为5个区，各个区的应力分布特征不同，导致各个区域开采煤层容易导致的灾害不同。 （2）数值模拟研究结果表明：距离背斜轴部越近超前支承压力越小，远离背斜轴部俯采时垂直应力略有提高，距离向斜轴部越近垂直应力越高；同时，工作面开采范围增大造成工作面顶板形成的拱形应力降低区也持续扩大；向斜轴部能量积聚释放程度最高，影响范围最大，褶皱翼部次之，背斜最小；工作面从背斜轴部、褶皱翼部、向斜轴部开采过程中，塑性区范围逐渐扩大；根据顶板动载加载后工作面巷道动载响应情况，巷道帮部受动载影响作用最大，对于动载引起的应力波动效应，向斜轴部影响最大，褶皱翼部次之，背斜轴部最小。 （3）理论分析了褶皱构造区的各区域应力分布和顶板突变失稳的机制，结果表明：背斜轴部的水平应力随褶皱初始长度增长而增大，垂直应力减小；向斜轴部位置水平应力分布的影响规律与背斜轴区域相反；翼部区域水平应力、垂直应力则关于垂直坐标轴呈对称趋势。 （4）采用Rhino和FLAC构建了大型褶皱构造数值模型，分析了宏观采场的工作面开采应力能量分布和顶板破坏特征，发现工作面开采后在向斜与背斜的轴部区域形成了一定范围的应力集中区，随着工作面开采，高应力集中区逐渐向向斜轴部区域附近转移，背斜处的塑性区范围约为顶板60m和底板30m；向斜轴部开采时，顶底板塑性区破坏范围迅速扩大至130m和40m。羊东矿8472工作面开采形成的塑性区范围约为顶板40m和底板30m，与现场实测结果相吻合。
煤矿开采;顶板失稳;褶皱构造;应力分布;能量演化规律
河北工程大学
硕士
地质工程
李彦恒;李冲
2022
中文
TD327
2023-08-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）