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《安徽理工大学》 2012年
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断层组应力分布的数值模拟及巷道组支护技术研究

兰兵  
【摘要】:淮北矿区地处我国东部煤矿集中带的黄淮平原地区,具有新生界覆盖层厚、煤层埋藏深、基底为奥陶系承压水等特点。地质条件复杂,断层较为发育,很难构成大的块段。矿区内的生产矿井开采深度已达500-1000m。由于过去对深部地质条件下开采技术的协调配合研究极少,深井开采引发的工程灾害日趋严重。其中断层是影响煤矿开采的重要地质因素之一,断层构造造成巷道围岩性质发生变化、顶板碎裂、支护困难以及断层突水等问题。因此,如何快速安全地使巷道穿过大断层破碎带,成为人们日益关注的问题。综上所述,进行准确的断裂地质构造查明与分析,对采区布置、煤层开采以及采场支护等起着决定性的作用。本论文以淮北袁店二矿大断面巷道组过断层组为工程背景,系统的开展了以下研究工作: (1)根据断层的结构特征,分析了断层破碎带形成的力学机制,进行了不同断层发生前后应力分布研究以及不同断层发生前后垂直应力与水平应力之间的比值,最后结合现场的断层资料,估算得出断层发生前后应力分布规律:正断层形成之前,最大主应力约为最小主应力的9-14倍;正断层形成后的垂直于断层走向的水平应力至少为断层形成前水平应力的5-9倍,更有可能达到15-26倍。 (2)通过正交与均匀试验设计法,利用FLAC3D软件模拟研究软件模拟研究不同的断层倾角、断层组厚度、断层弹性模量和地应力侧压系数等因素对断层组应力场变化的影响,确定了断层岩性为影响断层组应力分布最大的因素。断层组应力分布规律为:在断层的端部容易造成应力集中,特别是断层下端部,其应力集中程度大于断层上端部,远大于断层内部。在断层内部出现应力下降的趋势,越靠近断层上、下盘附近主应力差值较大。因此,巷道在过断层时,应特别重视断层两盘附近。最后根据正交与回归分析得到了最大主应力差值分布回归方程式。 (3)通过分析巷道围岩运动规律及破裂范围,为控制巷道变形提供了理论依据;最后进行了巷道组过断层组时的围岩地应力特征以及巷道的破坏规律的数值模拟研究,为选择合理巷道支护形式提供了依据。模拟分析得出结论:采用锚杆锚索支护时,锚杆应紧跟迎头安装,锚索应当在滞后迎头10m左右才能有效地控制硐室围岩的初期变形,从而形成以锚杆挤压拱和锚索对挤压拱悬吊复合支护结构。从不同支护结构的围岩稳定性来看,锚杆支护和U型棚注浆联合支护从围岩应力分布特征和位移分布规律都能有效地控制围岩变形和破坏。 (4)最后进行了工业性试验,对巷道矿压显现规律现场观测,对巷道组的稳定性做出评价。通过对巷道变形的观测可知,顶板变形量较小,说明在支护过程中,顶板岩层的整体性得到控制,最大限度地控制了顶板的变形,支护效果较好;但由于断层应力的影响,以及巷道支护过程中没有按具体支护参数进行支护,从而导致某些区段巷道底板变形较大,局部能达到1000mm左右,因此需要做好卧底工作。 图[82]表[6]参[61]
【学位授予单位】:安徽理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TD353

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