火成岩侵入特厚煤层底煤巷顶板破坏规律及其控制研究

硕士学位论文火成岩侵入特厚煤层底煤巷顶板破坏规律及其控制研究StudyontheFailureLawanditsControlTechnologyofRoofinExtremelyThickCoalSeamAffectedbyMagmaticIntrusion国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB036003)资助作者：刘玉田导师：靖洪文教授中国矿业大学二〇一四年六月2中图分类号TD353学校代码10290UDC624.1密级公开中国矿业大学硕士学位论文火成岩侵入特厚煤层底煤巷顶板破坏规律及其控制研究StudyontheFailureLawanditsControlTechnologyofRoofinExtremelyThickCoalSeamAffectedbyMagmaticIntrusion作者刘玉田导师靖洪文教授申请学位工学硕士学位培养单位力学与建筑工程学院学科专业岩土工程研究方向地下工程稳定控制答辩委员会主席蒋斌松评阅人二○一四年六月94学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文《火成岩侵入特厚煤层底煤巷顶板破坏规律及其控制研究》，是本人在导师指导下，在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日学位论文使用授权声明本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理：作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部分使用权，即：①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）。作者签名：导师签名：年月日年月日论文审阅认定书研究生在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文，经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日4致谢本论文是在靖洪文教授的悉心指导、精心点拨、热忱鼓励下完成的，论文的选题、规划以及撰写过程中导师都给予我不懈的支持，他深厚的学术修养，求实的工作作风，严谨的治学态度，无私的奉献精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却让我终生受益，使我且行且思考，且行且珍惜。值此拙作完成之际，向靖老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！感谢他在学术上给我的坚实指导，感谢他在生活中给我的鼎力相助，感谢他在人生中给我树立的永恒灯塔。论文选题和撰写过程中，得到蒋斌松教授、韩立军教授、李元海教授、杨圣奇教授、陈坤福副教授、许国安副教授、王迎超副教授、齐燕军老师、戚靖骅老师的指导，在此表示衷心的感谢！感谢孟波博士、苏海健博士、丁书学博士、杜明瑞博士、尹乾博士等在研究过程中给予作者的支持与帮助。感谢孙猛硕士、于峰硕士、陈敏亮硕士、潘兵硕士、徐锡硕士、朱谭谭硕士、张江雄硕士等在现场及室内试验上给予的支持和帮助。最后，衷心感谢我的家人的理解与支持。I摘要以大同矿区火成岩侵入特厚煤层后煤体力学性能劣化导致底煤巷时常发生坍塌冒顶灾害为工程背景，建立了煤矿常用矩形、半圆拱形2种断面形式，火成岩不同侵入位置及范围，不同应力状态，共计1700个FLAC3D模型，进行了顶板破坏规律的研究，得到以下主要结论：(1)采用国际先进的RBST原位强度剪切仪对火成岩侵入不同位置煤体进行了原位强度测试，获得侵入后硅化煤体的强度参数，与侵入前相比，粘聚力、抗拉强度和内摩擦角分别降低了52.4%、30%和26.1%，室内煤样试验也获得类似结果。(2)矩形巷道局部火成岩侵入时随水平和垂直应力的升高破坏面积主要发生在先前的完整煤体中，呈非对称分布；单层侵入时，随侵入层的上移破坏面积先增后降，距顶板表面2m时破坏最严重，超过4m后，影响较小，侵入层厚度的增加加剧了上述升降幅度的变化，高水平或垂直应力下，顶板破坏面积分别呈“正梯形”和“矩形”，最大破坏深度达3.5m。(3)直墙半圆拱巷道局部火成岩侵入时水平应力作用下，硅化煤附近破坏严重，垂直应力作用下，规律与矩形巷道类似；单层侵入时，顶板破坏面积随侵入层的上移而呈四次函数降低，大于3m后，侵入层位置对破坏面积影响极小，高应力环境中，破坏范围分布较矩形巷道均匀，拱顶和拱脚破坏深度稍大，为1.87m。(4)局部火成岩侵入影响的特厚煤层巷道顶板冒落破坏的根本原因是应力分布的非均匀性和常规支护设计的等强性，采用“均压非等强”原理进行支护设计能较好地解决该类顶板的稳定性控制问题。对于单层火成岩侵入影响的特厚煤层巷道，由于应力环境、侵入层厚度及位置等的复杂性，应根据环境的变化而进行“动态支护设计”。关键词：特厚煤层；火成岩侵入；破坏规律；均压非等强支护；动态支护设计IIAbstractstudyonthefailurelawanditscontroltechnologyofroofinextremelythickcoalseamaffectedbymagmaticintrusionwithtwokindsofsections,anddifferentstress,thelocationandsizeoftheigneous,establishedatotalof1700FLAC3Dmodel.Themainconclusionsareasfollows:(1)TheresultsoftestingtotheoriginalrockstrengthbyinternationaladvancedRBSTshowedthat:Cohesion,tensilestrengthandangleofinternalfrictionofthecoalaffectedbymagmaticintrusionwerereducedby33.3%,16.2%and75%comparedwiththecoalnotaffected.(2)Damageoccursmainlyintheareaofcoalnotaffectedinrectangularroadwaywithlocalrocksaffectedbymagmaticintrusion,andshowsasymmetricdistributionwhenhorizontalorverticalstressincreasing;thedamageareafirstincreasedandthendecreasedwiththeigneousawayinrectangularroadwaywithaparallelcoalbedaffectedbymagmaticintrusion,andthedamageareahasamaximumvaluewhenthedistanceis2mfromtheroofsurfacetomagmaticintrusionlayer;affectalmostdisappearedoncoalduetomagmaticintrusionwhenthedistanceisgreaterthan4m;theincreaseofthethicknessigneousexacerbatedthechangewidth,areaofroofdamagewaspositiveKeystoneorrectangularunderhighlevelsofstressorvertical,andthemaximumdepthofdamageis3.5m.(3)Damageoccursmainlyintheareaofcoalaffectedinarchedroadwaywithlocalrocksaffectedbymagmaticintrusionwhenhorizontalstressincreasing,andthefailurelawislikestoabovethelawwhenverticalstressincreasing;damageareaofroofdecreaseswiththeincreaseofdistanceincreasedfromtheroofsurfacetomagmaticintrusionlayerinarchedroadwaywithaparallelcoalbedaffectedbymagmaticintrusion,affectalmostdisappearedoncoalduetomagmaticintrusionwhenthedistanceisgreaterthan3m;theextentofdamageismoreuniformunderhighlevelsofstressorvertical,thelargerdepthofdamageis1.87minvaultsandarches.(4)Thenon-uniformityofsitustressdistributionandthenon-applicabilityofroutinesupportarethemainreasonsthatcausedfrequentrooffallingintheroadwaywithlocalrocksaffectedbymagmaticintrusion,thesupporttechnologyofpressurebalancedandasymmetricsupportingcansolvetheproblemofroofstabilitycontrol.Duetothecomplexityofstressandsurroundingenvironment,supportingprogramoftheroofwithaparallelcoalbedaffectedbymagmaticintrusionshouldbedynamiclydesigned.Keywords:extremelythickcoalseam;magmaticintrusion;failurelaw;pressurebalancedandasymmetricsupporting;dynamicdesignIII目录摘要...................................................................I目录.................................................................III图清单.................................................................VII表清单.................................................................XII变量注释表.............................................................XIV1绪论..................................................................11.1研究背景与意义.................................................................................................................11.2国内外研究现