综放开采顶煤破坏机理研究

论文摘要

提高工作面回采率一直是综放开采研究的核心问题之一,因此深入认识顶煤破坏机理,掌握顶煤破坏垮落的基本规律,对提高综放工作面回采率,实现安全高产高效具有重要意义。本文采用实验室MTS煤样力学特性实验、相似材料模拟实验、计算机数值计算和理论分析方法,以建北煤矿101综放工作面为典型研究对象,对综放开采顶煤破坏机理进行了比较深入的研究。根据实验室MTS煤样力学特性实验,分析了煤样变形破坏的基本特征,拟合得到了实验煤样的应力应变关系式,以及破坏准则的应力表达式和应变表达式;分析了煤体内节理裂隙的分布特征,及其产状对综放开采顶煤破坏的影响规律;根据相似材料模拟实验,分析了顶煤破断、垮落特征和工作面前方支承压力分布特征;应用数值计算分析综放开采顶煤体应力场分布特征、位移及破坏区分布特征;通过分析支承压力分布区和控顶区顶煤的力学属性,认为支承压力分布区顶煤已经变为塑性介质,而控顶区顶煤产生剪切滑移破坏;运用断裂力学理论,建立了顶煤破坏的整体力学模型,并导出了顶煤扩容破坏的力学表达方程式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 概述
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 相关研究动态
• 1.2.1 国内外综放开采技术的发展与现状
• 1.2.2 国内外综放开采的理论现状
• 1.3 研究内容
• 2 煤样力学特性实验研究
• 2.1 实验系统
• 2.2 单轴压缩实验结果分析
• 2.2.1 实验结果
• 2.2.2 结果分析
• 2.2.3 破坏形态
• 2.3 三轴压缩实验结果分析
• 2.3.1 实验结果
• 2.3.2 结果分析
• 2.3.3 扩容特性
• 2.4 破坏准则及应力应变特性分析
• 2.4.1 破坏准则的应力表达
• 2.4.2 破坏准则的应变表达
• 2.4.3 应力应变关系表达式
• 2.5 本章小结
• 3 煤体结构面特征分析
• 3.1 结构面成因及特征
• 3.2 结构面的几何特征描述
• 3.2.1 结构面组数和产状
• 3.2.2 结构面的密度和间距
• 3.2.3 结构面分布蒙特卡罗模拟
• 3.3 结构面对煤样强度的影响
• 3.4 结构面特性对顶煤破坏的影响
• 3.4.1 单组裂隙特征对顶煤破坏的影响
• 3.4.2 多组裂隙特征对顶煤破坏的影响
• 3.5 本章小结
• 4 综放开采模拟实验研究
• 4.1 综放开采物理相似材料模拟
• 4.1.1 实验方案
• 4.1.2 实验分析
• 4.1.3 支承压力分布特征
• 4.2 数值计算分析
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 计算参数
• 4.2.3 计算过程
• 4.2.4 计算结果
• 4.3 本章小结
• 5 顶煤破坏机理分析
• 5.1 综放开采顶煤力学介质属性分析
• 5.1.1 顶煤体内支承压力分布
• 5.1.2 支承压力范围内顶煤弹塑性分析
• 5.2 控顶区顶煤的力学特性分析
• 5.3 顶煤破坏机理及断裂力学模型
• 5.3.1 顶煤破坏机理分析
• 5.3.2 顶煤体破坏的断裂力学分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录