采动作用下含水区段煤柱稳定性研究

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随着地下煤层开采深度增加,岩层控制难度加大,区段煤柱受到水的物理化学作用,在开采作用下易发生失稳,造成生命财产损失。因此,开展在采动作用下含水区段煤柱的稳定性研究,对煤矿的安全生产具有重要理论意义和实际应用价值。以实际煤矿开采工作面为背景,对不同含水率型煤试件进行单轴压缩及巴西劈裂实验,利用尖点突变理论与有限元数值模拟分析方法,对采动作用下含水区段煤柱的稳定性进行研究,主要工作与成果如下:(1)通过室内实验制备四种含水率的型煤试件,进行单轴压缩及巴西劈裂实验,获取四种含水率下型煤的力学参数,从能量角度分析四种含水率型煤的应力-应变特征,建立含水率与峰值应力、弹性模量、泊松比及抗拉强度之间的函数关系。(2)以尖点突变理论为基础,将区段煤柱垂直方向的压缩量作为状态变量,引入水致弱化函数,建立含水区段煤柱的势函数表达式,转换成尖点突变模型标准形式后,分析控制变量及突变特征值对含水煤柱稳定性的影响;选取位移判据和应变能判据作为分析含水区段煤柱稳定性的指标。(3)运用ANSYS软件建立围岩-煤柱弹塑性有限元模型,分析得到采动作用下含水区段煤柱变形演化规律:随着区段煤柱含水率的增加,区段煤柱的垂直应力峰值和塑性应变峰值减小,应力集中区占比减小;位移峰值及塑性应变峰值发生在靠近采空区一侧的顶部,此处最容易发生失稳;在靠近采空区区域设立判据监测点,对含水区段煤柱的稳定性进行深入分析。(4)采用尖点突变理论从位移和应变能的角度分析了含水率对区段煤柱稳定性的影响,在判断含水区段煤柱整体稳定性方面,对比强度判据,两者结果一致;运用位移判据和应变能判据还可以分析在采动作用下含水区段煤柱发生局部失稳的位置。利用位移突变判据得出:煤柱边缘首先发生局部失稳;采用应变能突变判据得出:在工作面第一次开挖时,距煤柱外壁2-3m处发生局部失稳;利用突变理论得到的位移突变判据及能量突变判据,可以较好判断含水区段煤柱的局部失稳位置。本文有图53幅、表10个、参考文献103篇。
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