厚煤层开采煤柱力学响应与蠕变特征数值模拟研究

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地下开采是目前我国获得矿产资源的重要途径。在深厚煤层开采中,随着工作面的开采完成,采区的工程环境在不断变化,采空区也越来越大,使得采场的稳定性问题更为突出,而煤柱是决定采场稳定性的重要结构单元,对采空区起支撑作用,不但维护着采场顶板及围岩的稳定性,而且稳定的煤柱对煤炭回采率的提高有极大的潜在作用。其中煤柱煤岩体的流变是确定煤柱长期强度的基础,也是评价采场长期稳定的重要依据。本文对厚煤层开采煤岩体的蠕变特征、长期强度、破坏特征,以及煤岩体结构和围压的变化及时间相依性进行了深入系统的研究。具体内容如下:(1)在煤柱力学响应方面,系统总结煤柱强度和变形规律的各种基础理论,结合煤柱破坏机理分析,得出煤柱载荷与强度是煤柱稳定性分析的基础。(2)通过煤体的流变理论研究,对深厚煤层确定采用改进的Burgers模型—cvisc模型作为煤岩的蠕变模型,初步探讨时间因素对煤柱稳定性的影响。(3)以兴隆庄煤矿主采厚煤层3煤为研究对象,采用FLAC3D实现开采过程的数值模拟,直观地揭示覆岩和煤柱的位移场、应力场和屈服区的分布情况,通过煤柱的应力应变规律总结和长期稳定性分析,再现采区覆岩、煤柱的变形破坏过程,同时对煤柱破坏特征进行初步探讨。(4)根据蠕变理论分析,建立相应的蠕变模型,结合实验结果确定煤岩体蠕变参数,利用数值模拟得到煤岩体的长期强度指标并进行评价。(5)通过对煤柱蠕变特征的分析,选取应力、应变和塑性区为评价指标,对煤柱稳定程度进行定量的分区判别,为煤矿开采和采后维护采场稳定防护重点提供指导和依据。事实上,采动岩体的变形、破裂、移动整个动态力学过程完全是一种独具特色的流变学现象,而且当前仍然只是从弹塑性方面分析采场的各种变形,本文通过将煤岩体视为粘塑性介质,利用数值分析得到煤柱保持稳定的必要条件和参数,为采煤塌陷区的长期稳定性分析提供理论性和实际性的指导作用。
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