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煤炭是我国的主要能源,近年来,随着我国煤矿开采的深度不断增加,工作面顺槽围岩的支护问题显的越来越重要。工作面顺槽经历掘进、上区段工作面回采和下区段工作面回采,整个过程中围岩表现出特殊的非线性力学行为使得传统的岩体(石)力学理论与分析方法面临着新的挑战。长壁开采条件下三顺槽中间顺槽在下区段工作面开采后依然保留,相对于传统单、双顺槽回采存在围岩劣化更为严重,结构更不稳定等不利因素,巷道中二次应力场相互叠加、围岩力学性质劣化、围岩-支护结构性失稳是导致顺槽失稳、破坏的重要原因。因此,正确认识工作面回采过程中巷道围岩的物理性质、力学性质,建立合理的岩体本构关系和顺槽的力学结构模型,揭示二次应力场的叠加情况和围岩一支护相互作用机理显得非常重要。
为了满足煤矿建设和安全生产的要求,推进科学技术在生产实践中的应用,本文围绕长壁开采工作面三顺槽稳定性控制问题,以亚美大宁煤矿104和105工作面之间的三顺槽为工程背景,在继承现有围岩控制、支护理论技术研究成果的基础上,系统地从围岩变形与破坏形式、岩体本构模型、三顺槽力学结构、围岩与支护作用机理、顺槽矿压特征五个方面形成了一个较完整的长壁开采三顺槽围岩稳定性分析控制方法。概括之,本文主要研究工作与获得的有益认识如下:
1.不同的地质条件、不同的工程背景下,围岩的变形与破坏形式和机理不尽相同。本文详细的论述了顺槽在工作面回采中围岩破坏失稳形式,并对其破坏形式和机理进行了独有的分析,提出了新见解。
2.针对目前弹塑性本构模型在模拟开挖空间围岩松动、破碎、破裂圈内围岩方面不理想的问题,从岩体宏观方向出发,提出了煤岩体进入塑性区后强度曲线在最大一最小主应力平面绕固定点旋转,与之对应的强度屈服面在主应力空间收缩膨胀的观点,并指出了根据三轴压缩试验曲线中任意两条确定强度参数变化的简便方法。利用岩体峰后强度参数随塑性应变变化予以描述岩体峰后本构关系,从而实现对松动、破碎、破裂区围岩的合理描述。并应用于数值计算。
3.利用关键层理论、砌体梁理论和经典力学理论建立长壁开采三顺槽不同阶段时围岩的力学结构模型,并推导出了不同阶段支护力、煤柱宽度、煤岩力学特性之间的关系式,进而提出了维持顺槽结构稳定的条件。
4.利用建立的围岩力学结构模型分析煤柱的受力和物理力学状态,从而得出顺槽帮部和煤柱上的支撑压力分布特征。
5.利用回采巷道围岩波动性支护理论分析顺槽支护结构变形和支护力之间的关系,提出了顺槽在工作面回采过程中的支护原则。
6.将上述成果应用于亚美大宁煤矿104与105工作面间的三顺槽501、502、503的稳定性控制,利用理论公式对不同开采阶段中现场中顺槽的支护力进行计算,利用数值计算手段分析顺槽巷道的应力场分布和围岩破坏深度,最后通过现场观测验证其合理性。
论文共有图187幅,表10个,参考文献91篇。