连采连充承载充填体蠕变及覆岩渗透率演化规律

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:griffinroar
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连采连充采煤方法具有采煤与充填相互独立作业的工艺优势,充填材料始终充入受保护的采场支巷约束空间内,能够有效控制采动覆岩运移,可应用于保水采煤。但目前该方法仍面临充填体长期变形规律尚不清楚,充填体长期承载能力尚不明确,以及采动覆岩阻隔水机制有待完善等问题。本文以承载充填体蠕变特征为基础,以承载充填体结构稳定为前提,以采动覆岩渗透率控制为目标,综合采用理论分析、数值模拟、实验室试验及现场调研等研究方法,开展连采连充承载充填体蠕变及覆岩渗透率演化规律的研究。主要研究成果如下:(1)分析了连采连充开采特征与承载充填体组合垫层结构特征,提出了承载充填体应变软化数值计算参数确定方法,建立了承载充填体应力场FLAC3D数值计算模型,研究了受邻近采场支巷多次采充扰动下承载充填体主应力变化规律,阐述了承载充填体逐级循环加卸载与分级蠕变加载应力路径特征。(2)分析了逐级循环加卸载应力路径下承载充填体力学特性,计算了承载充填体受力变形过程中的累积损伤变量,并将其定义为蠕变前的初始损伤;在此基础上,研究了分级蠕变加载应力路径下考虑初始损伤效应的承载充填体轴向应变、体积变形、体应变速率及破坏应力等蠕变特性。(3)分析了承载充填体发生蠕变破坏的时间相关性,改进了可用于描述承载充填体加速蠕变特征的塑性损伤元件,构建了承载充填体非线性分数阶HKBN蠕变本构模型,提出了模型中应力门槛值、瞬时变形参数及蠕变变形参数的确定方法,阐述了多应力等级作用下承载充填体蠕变变形规律。(4)分析了承载充填体发生渐进破坏与突变失稳的应变能转化特征,构建了承载充填体破坏失稳的尖点突变数学模型,得到了承载充填体突变失稳的临界蠕变变形量判据,阐述了蠕变时间对开采阶段数、充填体弹性模量等参数的正向约束与逆向反馈作用,确立了采场支巷合理采充时机。(5)分析了考虑充填体蠕变的采动覆岩挠曲变形特征,构建了采动覆岩挠曲变形与渗透率演化的耦合计算模型,研究了采动覆岩渗透率卸荷增透与蠕变增透的分区特征,给出了采动覆岩有效阻水的渗透率约束条件,提出了基于充填体给定变形的采动覆岩渗透率控制方法。结合工程案例,阐述了工作面布置方式、工作面采充方式、及采场支巷开采顺序等因素对采动覆岩渗透率的控制效应。该论文有图103幅,表23个,参考文献202篇。
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