多煤層煤柱底板應力分布規(guī)律及其應用.pdf

1、多煤層開采礦井，隨著上部煤層的逐漸采空，遺留下了各種各樣的殘留煤柱，在原巖應力場和采動應力場的相互影響下，對底板巖層產(chǎn)生損傷破壞，下部煤層尤其是極近距離和近距離煤層開采面臨難題。為此，本論文選取反映巖石材料拉伸破壞和剪破壞的最大主應力和最大剪應力為評價指標，并輔以底板巖層中垂直應力和水平應力的分布狀態(tài)描述，考慮圍巖巖性狀況（圍巖巖性、煤層傾角和間距）、圍巖應力狀況（巖層側(cè)壓系數(shù)和煤層深度）和人為影響因素（煤柱寬度和煤層采高）的影響，采用

2、無量綱化應力的研究手段，通過理論分析、實驗室測試、數(shù)值模擬和工程驗證的方法，結(jié)合提出的“應力臨界線”和“間深比”概念，研究了多煤層開采煤柱下底板巖層的應力分布規(guī)律。研究成果不僅具有重要的理論意義，而且具有重要的工程應用價值。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴現(xiàn)場調(diào)研了Integra Underground Mine煤礦多煤層開采的地質(zhì)力學狀況，提取了研究底板巖層應力分布特征的相關(guān)地質(zhì)力學資料；取樣進行實驗室力學性能測試，得到了該礦巖石力

3、學參數(shù)。⑵視煤巖體為彈性介質(zhì)，建立了是否考慮采空區(qū)垮落頂板對底板巖層損傷破壞的兩種模型，推導了兩模型中底板分別為單一巖層和多層巖層時任一點的應力公式；輔以數(shù)值模擬對比分析，發(fā)現(xiàn)不考慮采空區(qū)垮落頂板的模型中，頂板覆巖重量完全由煤柱承擔，導致底板應力集中區(qū)影響過大，不符合工程實踐，因此，采空區(qū)垮落頂板對底板巖層的損傷破壞是研究煤柱下底板巖層應力分布不可或缺的影響因素，但采空區(qū)垮落頂板對底板巖層的應力集中梯度影響遠小于荷載煤柱的影響，因此，煤

4、柱底板應力分布規(guī)律研究應以煤柱對底板巖層的損傷破壞為主，以采空區(qū)垮落頂板的影響為輔。⑶基于無量綱化的應力集中系數(shù)，提出“應力臨界線”概念，得到煤柱下垂直應力、水平應力、最大主應力和最大剪應力的應力臨界線分布分別呈“紡錘形”、“共軛犄角形”、“雙耳鼎形”和“葫蘆形”。⑷數(shù)值模擬詳細研究了煤柱下底板巖層巖性，煤層傾角和巖層側(cè)壓系數(shù)三個因素對底板應力分布演化的影響，得到了層狀巖體的界面效應，用于解釋煤層巷道頂?shù)装鍛鞋F(xiàn)象，指導巖石巷道層位

5、優(yōu)化選擇；發(fā)現(xiàn)45°巖層傾角具有特殊性，垂直應力、最大主/剪應力的最大應力集中系數(shù)值以45°為界，當傾角增大或者減小時，最大應力集中系數(shù)都會增大；側(cè)壓系數(shù)的變化對巖性較強的巖層產(chǎn)生的影響大于巖性較弱的巖層，高側(cè)壓系數(shù)會對采動影響產(chǎn)生抑制作用。⑸通過疊加煤柱下底板巖層垂直應力、水平應力、最大主/剪應力的應力集中區(qū)，得到底板應力分區(qū)模型，分析了各分區(qū)的應力集中情況和破壞形式，給出了多煤層開采分類中極近距離煤層開采、近距離煤層開采、單一煤層開

6、采的判據(jù)。⑹提出煤層“間深比”概念，以最大主/剪應力臨界線為評價指標，得出以-ln(間深比)為判據(jù)的多煤層開采分類，與底板巖層分區(qū)模型的判據(jù)基本吻合；考慮底板巖層為不同巖性，擬合出煤層間深比和煤柱寬高比與下部煤層回采巷道最佳布置位置的函數(shù)方程，同時給出函數(shù)方程優(yōu)化巷道位置的步驟，采用數(shù)值模擬驗證了函數(shù)方程準確有效。⑺研究成果成功應用于Integra Underground Mine煤礦多煤層開的Middle Liddell煤層、Lowe