无煤柱沿空留巷控制力学模型及关键技术研究

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无煤柱安全开采是在深入分析国内外特别是我国近20年煤炭安全高效开采发展的理论和实践经验基础上总结出来的,深化相关理论和实践成果的研究,彻底转变采用煤柱护巷的传统观念。在逐步发展和完善的“实用矿山压力控制理论”指导下,迅速实现相关设计理论的创新,为全国煤矿,特别是量大面广的中小型煤矿推广应用奠定基础,是从根本上扭转我国煤矿事故多发,特别是顶板、瓦斯、冲击地压以及水害等重大事故灾害严重现状的紧迫任务。论文从无煤柱开采角度出发,采用理论研究、实验室仿真等多种方法相结合的研究路线,对矿井无煤柱沿空留巷控制力学模型及关键技术进行了研究。(1)研究了采场结构力学模型组成及其形成发展规律。根据“拱结构”理论,将采场模型空间形态划分为对采场矿压显现有直接影响的运动岩层结构“裂断拱”和未产生明显运动的岩层结构“应力拱”;讨论了四种覆岩结构类型“应力拱”形态,确定了影响采场结构模型形态的影响因素作用程度;分析了不同覆岩结构与支承压力分布演化规律,并对支承压力演化特征进行阶段划分。(2)分析了不同硬度煤体在支承压力作用下破裂力学特性;构造了煤体破裂过程中孔隙尺度演化方程和孔隙粒径分布函数;修正了不同工作面推进距离时支承压力分布范围求解公式;建立了“内应力场”范围是否扩展判断准则。(3)研究了采空区上覆岩层动态运动规律。在对碎矸石压缩过程中物理力学特性研究的基础上,分析了矸石碎体压缩过程中应力应变曲线、碎胀系数演变规律,以及压缩过程时间相关特性;利用Lyapunov指数对采场稳定性状态进行了现场预测,验证了“拱结构”与采场是否稳定关系。(4)提出了一种新型无煤柱开采模式—“预留变形量巷旁充填沿空留巷技术”。在对沿空留巷灾害事故发生原因研究基础上,建立了沿空留巷结构力学模型;提出了“给定变形”和“限定变形”两种力学结构,并对各自力学参数进行了确定;研发一种新型支护锚杆“注液全长黏结型预应力锚杆”,并对其锚固机理进行了研究分析。
摘要第5-6页
ABSTRACT第6-7页
1 绪论第12-21页
    1.1 课题研究背景和意义第12-15页
    1.2 国内外研究现状综述第15-19页
    1.3 论文主要研究内容与研究思路第19-21页
2 采场结构力学模型组成及其形成发展规律第21-59页
    2.1 采场结构力学模型组成及其结构特征第21-36页
    2.2 采场结构力学模型形成发展的动态规律第36-57页
    2.3 本章小结第57-59页
3 采场支承压力形成机理及分布规律研究第59-96页
    3.1 采场支承压力发展演化机理第59-88页
    3.2 采场支承压力分布范围理论分析第88-94页
    3.3 本章小结第94-96页
4 采场力学结构稳定状态预测第96-115页
    4.1 采场动态结构力学模型稳定状态的预测第96-101页
    4.2 采场动态结构力学模型"时空"效应第101-114页
    4.3 本章小结第114-115页
5 沿空留巷围岩结构力学模型研究第115-131页
    5.1 沿空留巷灾变系统第115-118页
    5.2 沿空留巷围岩结构力学模型建立及参数确定第118-123页
    5.3 沿空留巷围岩稳定性分类第123-130页
    5.4 本章小结第130-131页
6 新型无煤柱开采关键技术研究第131-144页
    6.1 "预留变形量巷旁充填沿空留巷技术"结构模型第131-132页
    6.2 充填体力学结构参数确定第132-143页
    6.3 本章小结第143-144页
7 主要结论与展望第144-148页
    7.1 主要结论第144-146页
    7.2 论文特色及创新第146页
    7.3 研究展望第146-148页
致谢第148-150页
博士在读期间主要科研成果第150-152页
参考文献第152-164页
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