急倾斜煤层综放工作面顶煤运动规律研究
姓名：吴学明 申请学位级别：硕士 专业：采矿工程 指导教师：来兴平
摘 要
急倾斜煤层综放工作面顶煤运动不同于缓倾斜煤层，其几何特征和时空关系下的顶煤运动较为复杂。本研究以急倾斜综放工作面安全开采技术为工程背景。采用室内实验、理论分析、相似模拟试验、数值计算、现场监测等方法。综合对急倾斜煤层(650)放顶煤开采顶煤体运动从不同尺寸、不同实验模式由细观到宏观上进行定量化监测分析。
采用单轴压缩煤岩动态损伤与破裂特征的力学行为测试表明，轴向应变越大煤体损伤变形越激烈，破裂性程度越高。实验加载到煤样破裂失稳阶段，其破坏后释放的弹性应变能达到临界值，通过声发射的能量拟合曲线与损伤变量函数之间的关系确定出损伤破裂效果最理想化情况下的损伤参数及特征规律。
基于直射线透射弹性波CT观测追踪模拟加载煤样破裂失稳阶段。煤体顶部及内部受力不均匀，煤体损伤程度不同，煤样中部(局部化带)出现波速突增以及四周波速随地层呈阶梯状分布现象，随着煤体受力增大以及受环境(潮湿)和扰动影响会逐渐失去原有材料强度特性，局部化带内裂隙或“空洞”会有扩张蔓延趋势，裂隙尺寸会逐渐增大。借助相似模拟实验模拟围岩垮落形态及垮落趋势。结果表明，顶煤及周围岩体的运动呈非对称发展，且声发射能量与事件数的跳跃与变化等级各具特征，但总体现象不变。随着开采深度的增加，这个瞬间时间段相比较长，但不会降低岩层失稳机率。
利用数值模拟计算分析了顶煤及上覆采空区应力、位移运动规律。在高阶段的顶煤体运动中，其内应力及周边应力呈现出较大的应力降，且分布不均匀，最大应力与最小主应力之值相差较大，表现出明显的方向性和延伸性，其变形跨度波及范围大，甚至延伸到地表。由于煤层赋存条件的特殊性和开采技术的优越性，随着开采进行，煤体内存在低应力导通带缓解了局部潜在的主应力和剪应力集中区。另外，随着工作面推进距离的加大，形变量随推进速度急剧增加，难以达到暂时平衡状态。围岩内部原有的剪切局部化结构随时发展为大范围块体滑移，进一步体现了工作面顶煤与顶．底板及上覆采空区结构节理化程度、物理特征、几何特征和时空动态演化过程的复杂性和随机性。
关键词：急斜煤层；顶煤运动；破裂失稳演化；效果评价
研究类型：应用研究【本研究得到国家自然科学基金(10772144，10402033)资助】
