甘肃某煤矿综采矿压显现与顶板蠕变特征研究

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矿山顶板岩层具有鲜明的非线性特征,综采过程中矿压的时空转化尚不明确,亟需进一步的阐明。本文以顶板岩层流变为切入点,针对采空区顶板长期处于不稳定状态,考虑顶板岩层的蠕变等特征展开工作。本文主要开展了工程地质调查,进行了煤岩的物理力学实验,建立了岩层顶板的蠕变力学模型,模拟了矿山回采工作面和顶板的压力显现特征,主要得到以下结论。(1)获得了煤岩的物理力学参数。本文基于地质资料和关键层理论对采空区顶板进行判断并取样,通过对顶板岩系常规单轴压缩实验、巴西劈裂实验、变角剪切实验、常规三轴压缩实验以及单轴蠕变实验,得到煤岩的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比等,为顶板蠕变分析做准备。(2)构建了顶板的蠕变力学模型。根据实验结果选择Burgers体本构模型对顶板蠕变分析,基于Matlab及origin绘图工具,结合工程案例和Burgers蠕变参数,得到了采空区顶板四边固定、三边固定一边自由两种边界条件下挠度与时间变化的关系,揭示了采空区顶板位移随时间变化的特性。通过四边固定顶板与三边固定一边简支顶板挠度随时间变化的对比,得出在荷载与时间相同的情况下,边界约束越多,顶板的稳定性越好。通过推导两种边界条件下应力与内力的公式并结合相应的曲线分析,得到采空区顶板处于不同边界条件下的矿压显现特征与断裂规律。(3)阐明了综采过程中矿压的显现特征。采用FLAC3D有限差分软件,建立数值模型,选择摩尔-库伦准则和Burgers体准则对顶板位移与应力进行分析。在考虑顶板蠕变特性的情况下,顶板应力更接近现场监测数据,这也反映了使用Burgers体模拟顶板蠕变的合理性。本论文理论推导、数值模拟及现场监测结果相互印证,采用Burgers体蠕变模型来合理正确,同时为煤矿安全开采提供了理论支撑,具有重要的实践指导意义。
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