充填法开采底板应力及破坏规律研究.pdf

分类号分类号TD823TD823TD823TD823密密级级公公开开 U D CU D CU D CU D C 单位代码单位代码 10424104241042410424 学学 位位 论论 文文 充填充填充填充填法法法法开采底板应力及破坏规律研究开采底板应力及破坏规律研究开采底板应力及破坏规律研究开采底板应力及破坏规律研究 桑桑 逢逢 云云 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称矿山环境工程矿山环境工程 指导教师姓名指导教师姓名郭郭 惟惟 嘉嘉职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零八年五月二零零八年五月 论文题目论文题目论文题目论文题目 充填充填充填充填法法法法开采底板应力及破坏规律研究开采底板应力及破坏规律研究开采底板应力及破坏规律研究开采底板应力及破坏规律研究 作者姓名作者姓名作者姓名作者姓名桑桑逢逢云云入学时间入学时间入学时间入学时间 2005200520052005 年年 9 9 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称专业名称 矿山环境工程矿山环境工程研究方向研究方向研究方向研究方向矿山塌陷损害矿山塌陷损害评价评价与控与控制制 指导教师指导教师指导教师指导教师郭郭惟惟嘉嘉职职职职称称称称教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期论文提交日期2 2 2 2008008008008 年年 5 5 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期2008200820082008 年年 6 6 6 6 月月 2 2 2 2 日日 授予学位日期授予学位日期授予学位日期授予学位日期 STUDYSTUDYSTUDYSTUDY OFOFOFOF THETHETHETHESTAINSTAINSTAINSTAINANDANDANDANDDISPLACEMENTDISPLACEMENTDISPLACEMENTDISPLACEMENT LAWLAWLAWLAW OFOFOFOF BACKFILLINGBACKFILLINGBACKFILLINGBACKFILLING OFOFOFOF FLOORFLOORFLOORFLOOR A A A ADissertationDissertationDissertationDissertation tedtedtedted inininin fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirements ofofofof thethethethe degreedegreedegreedegree ofofofof MASTERMASTERMASTERMASTEROFOFOFOF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY fromfromfromfrom ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand TechnologyTechnologyTechnologyTechnology bybybyby SangSangSangSang FengyunFengyunFengyunFengyun SupervisorSupervisorSupervisorSupervisor ProfessorProfessorProfessorProfessorGuoGuoGuoGuo WeijiaWeijiaWeijiaWeijia CollegeCollegeCollegeCollege ofofofof NaturalNaturalNaturalNatural ResourcesResourcesResourcesResources andandandand EnvironmentalEnvironmentalEnvironmentalEnvironmental EngineeringEngineeringEngineeringEngineering MayMayMayMay 2008200820082008 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclaredeclare thatthatthatthat thisthisthisthis dissertation,dissertation,dissertation,dissertation, tedtedtedted inininin fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirements forforforfor thethethethe awardawardawardaward ofofofof MasterMasterMasterMaster ofofofof PhilosophyPhilosophyPhilosophyPhilosophy inininin ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand Technology,Technology,Technology,Technology, is is is is whollywhollywhollywholly mymymymy ownownownown workworkworkwork unlessunlessunlessunless referencedreferencedreferencedreferenced ofofofof acknowledge.acknowledge.acknowledge.acknowledge. TheTheTheThe documentdocumentdocumentdocument hashashashas notnotnotnot beenbeenbeenbeen tedtedtedted forforforfor qualificationqualificationqualificationqualification atatatat anyanyanyany otherotherotherother academicacademicacademicacademic institute.institute.institute.institute. SignatureSignatureSignatureSignature DateDateDateDate 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 论文从分析充填的作用机理出发，总结了充填体的力学特性、承载作用和对围岩的 作用；在此基础上，利用数值模拟软件 FLAC3D，通过对充填开采与垮落法开采底板的 底板应力及位移变化对比分析，揭示充填法开采对防治底板突水的作用一方面充填体 应力吸收和转移作用，共同承担上部岩层载荷，改善底板周围岩体的应力分布和状态， 提高底板自身的承载能力，共同维护底板的稳定；令一方面充填体对破碎底鼓的底板进 行施压、压实并限制底板发生变形和位移，保持底板的稳定性；通过对岩体力学的理论 研究，结合充填体的力学特性，进行某些简化，抽象出可以表征充填体与围岩作用机理 特征的力学模型，借助于数学推导方法，从而描述充填体与围岩的作用关系，得出了充 填开采底板的支承压力范围；分别对不考虑周期来压、考虑周期来压煤层底板破坏区深 度进行分析，并对其理论公式进行了探讨；采取不同的模拟方案，分别对充填滞后距离 和空顶高度对底板塑性区破坏深度进行了模拟，得出充填空顶高度和滞后距离对底板塑 性破坏区的控制均是不利的。在使用充填法开采时，要加强临时支护质量，保证在充填 前、充填期间和充填体能够有效作用前的这段时间内顶底板稳定。 本课题的内容是对充填法开采底板应力及破坏规律的基础性研究。课题以理论分析 和数值模拟等手段，对充填法开采条件下的底板应力及破坏规律进行总结，为矿井下步 充填作业，防治底板突水，保证矿井安全生产提供理论支持。 关键词关键词充填开采；煤层底板；等价采高；底板应力；破坏规律；空顶高度；滞后 距离；数值模拟 山东科技大学硕士学位论文摘要 ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT Startingwiththefillingmechanism,thispapersummarizesthe mechanical properties, load-bearing role of backfill and its affection to surrounding rocks, and based on the above, it reveals the functions of backfill mining to floor water burst prevention using numerical simulation softwareFLAC3Dtocontrastandanalyzefloorstressanddisplacement variation between backfill mining and caving mining. On the one hand, stress absorption and transfer of backfill bear the upper rock load together. In thisway,itimprovesthestressdistributionandstatusoffloor surroundingrockbody,increasesbearingcapacityofflooritselfand maintains floor stability jointly. On the other hand, backfill puts stress tothefloorofcrushingfloorheaveandthenmakesitcompactfor restrictingdeationanddisplacementtomaintainfloorstability. Through theoretical study of rock mechanics, consideration of mechanical propertiesofbackfillandsomesimplification,amechanicalmodelis abstracted to express the work characteristics of the mutual influences betweenbackfillandsurroundingrock.Fromtheofmathematical derivation and the description of the function relation between backfill and surrounding rock, the floor abutment pressure range in backfill mining is obtained.Withorwithouttheconsiderationofperiodicweighting, respective analysis of coal seam floor’s failure depth is made, and the theoreticalulasarestudied.Withdifferentsimulationschemes, corresponding analysis of how lagging distance and suspending roof height affect the failure depth of floor’s plastic zone are made, and a conclusion that backfill suspending roof height and lagging distance are bad for the control of floor’s plastic failure zone is obtained. In the progress of backfill mining, temporary support should be strengthened, and the stability of roof and floor should be maintained before and during the backfilling 山东科技大学硕士学位论文摘要 procedure till the backfill can work effectively. The content of this subject is to research floor stress and its failure law of backfill mining. With means of theoretical analysis and numerical simulation, the paper summarizes the floor failure law in backfill mining, and provides theoretical guidance for the next filling operation, floor water burst prevention and safe production of mining. KeywordsKeywords backfill mining; coal floor; floor stain; equivalent mining height; failure law; suspending roof height; lagging distance; numerical simulation 山东科技大学硕士学位论文目 录 目目 录录 1 1 1 1绪绪绪绪 论论论论. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .1 1 1 1 1.1课题研究的目的和意义....................................................................................1 1.2国内外研究现状................................................................................................2 1.3课题研究的主要内容及技术路线....................................................................8 2 2 2 2充填作用机理充填作用机理充填作用机理充填作用机理. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .10101010 2.1充填体力学特性..............................................................................................10 2.2矿山充填体的承载作用..................................................................................11 2.3充填体对围岩的作用......................................................................................13 2.4小 结................................................................................................................14 3 3 3 3充填法开采对防治底板突水的作用分析充填法开采对防治底板突水的作用分析充填法开采对防治底板突水的作用分析充填法开采对防治底板突水的作用分析. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .16161616 3.1底板突水机理..................................................................................................16 3.2充填开采底板应力变化..................................................................................18 3.3充填法开采底板位移变化..............................................................................26 3.4小 结................................................................................................................30 4 4 4 4充填法开采底板岩体应力及运移规律充填法开采底板岩体应力及运移规律充填法开采底板岩体应力及运移规律充填法开采底板岩体应力及运移规律. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .31313131 4.1充填开采覆岩运动规律..................................................................................31 4.2煤层底板岩体应力状态..................................................................................32 4.3充填开采煤层底板破坏区解析估算..............................................................35 4.4小 结................................................................................................................45 5 5 5 5充填参数对底板应力及塑性破坏区影响数值分析充填参数对底板应力及塑性破坏区影响数值分析充填参数对底板应力及塑性破坏区影响数值分析充填参数对底板应力及塑性破坏区影响数值分析. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .46464646 5.1FLAC3D 数值方法的有限差分分析............................................................. 46 5.2数值模拟..........................................................................................................50 5.3充填参数对底板的影响研究..........................................................................52 5.4小 结................................................................................................................58 6 6 6 6主要结论及努力方向主要结论及努力方向主要结论及努力方向主要结论及努力方向. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .59595959 6.1主要结论..........................................................................................................59 6.2论文中的不足及今后努力方向......................................................................59 7 7 7 7攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果攻读硕士期间的主要成果. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .61616161 山东科技大学硕士学位论文目 录 7.1发表论文..........................................................................................................61 7.2参与的科研项目..............................................................................................61 致致致致 谢谢谢谢. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .62626262 参考文献参考文献参考文献参考文献. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . . .63636363 山东科技大学硕士学位论文目 录 ContentsContentsContentsContents 1 1 1 1IntroductionIntroductionIntroductionIntroduction.. .. .. ..1 1 1 1 1.1Purposes and meaning of the subject research..1 1.2Research situation of domestic and international..2 1.3Main research contents and technique route.....8 2 2 2 2TheTheTheThe mechmechmechmecha a a anismnismnismnism ofofofof fillingfillingfillingfilling bodybodybodybody.. .. .. ....10..10..10..10 2.1The mechanism of filling boby...10 2.2The load-supporting of filling boby in coal.11 2.3The action between filling body and surrounding rock...13 2.4Brief summary.14 3 3 3 3TheTh