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单侧低水压作用下临空煤柱变形破坏及锚注加固机理研究

江东海  
【摘要】:沿空掘巷在煤炭开采中广泛采用,小煤柱将巷道与采空区隔离,防止采空区水与有害气体串入巷道。采空区积水条件下,虽水压较低,但会造成煤柱承载能力降低、变形加剧甚至破坏,且积水易渗到巷道中造成底鼓。本文以单侧低水压作用下临空煤柱为主要研究对象,采用现场实测、岩石力学试验与相似材料试验、数值模拟等相结合的研究方法,构建了基于现场节理裂隙统计规律的不同尺度数值模拟模型,得到了单侧低水压作用下煤柱变形破坏特征与渗透特性,揭示了单侧低水压作用下煤柱变形破坏机理与锚注加固机理。主要工作如下:(1)基于裂隙统计规律的含裂隙小尺度煤样数值模拟模型的建立与验证。基于现场钻孔窥视获得裂隙分布规律,并运用离散元软件UDEC建立了反映裂隙分布特征的含裂隙小尺度数值模型。模拟了单轴压缩、巴西劈裂以及变角剪切试验中试件的力学特性、破坏特征、裂隙发育规律,并与实验室试验结果对比分析,验证了数值模型的正确性。(2)单侧低水压作用下煤样压缩变形破坏特征与渗透特性的研究。运用自行设计研制的一种用于圆柱形试件渗透实验的单侧水压加载装置,进行了煤样单侧低水压渗透试验,揭示了单侧低水压作用下煤样压缩变形破坏特征与渗透特性;基于(1)得到的含裂隙小尺度数值模型,采用UDEC中流-固耦合本构关系模拟验证和进一步分析了煤样压缩变形破坏特征与渗透特性。(3)流-固耦合相似材料配比试验分析。进行了以河沙和重晶石粉为骨料、石蜡为胶结剂的相似材料配比试验,分析了试件的力学特性及破坏形态特征,得到了物理力学参数与不同配比之间的关系,得出了流-固耦合相似模拟试验的材料配比。(4)单侧水压作用下临空煤柱及巷道围岩稳定性的相似模拟。运用流-固耦合相似模型试验台,采用(3)得到的材料配比,开展了单侧水作用下临空煤柱及巷道围岩变形破坏规律相似模型试验,研究了临空煤柱及巷道围岩变形破坏规律、临空煤柱渗透特性。(5)基于现场节理裂隙统计结合超声波测试的大尺度煤柱裂隙网络生成及数值模拟。通过节理裂隙统计结合超声波测试给出了煤柱宽度上的裂隙分级,得到了基于裂隙分级的大尺度煤柱裂隙网络分布模型,采用UDEC中的流-固耦合本构关系对煤柱宽度与单侧水压力变化时的临空煤柱及巷道变形特征进行了模拟,得出了极限煤柱宽度、煤柱及巷道围岩变形破坏特征以及煤柱渗透特性。(6)单侧低水压作用下临空煤柱变形破坏机理研究。综合上述煤样与临空煤柱单侧低水压作用下变形破坏特征规律,探讨揭示了单侧低水压作用下临空煤柱变形破坏机理。(7)单侧低水压作用下临空煤柱锚注加固机理研究。在分析原巷道支护效果的基础上,提出了临空煤柱锚注加固方案;基于(5)得到的大尺度煤柱裂隙网络模型,通过UDEC中的流-固耦合本构关系,模拟分析了煤柱锚注加固效果与加固机理。


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