复合坚硬顶板变形破断特征及对矿压显现的影响规律

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1、复合坚硬顶板变形破断特征及对矿压显现的影响规律重庆大学博士学位论文学生姓名：王海洋指导教师：李晓红教授专业：安全科学与工程学科门类：工学重庆大学资源及环境科学学院二O一七年九月DeformationandbreakingcharacteristicsofcompoundhardroofanditsinfluenceonpressurebehaviorAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByWangHaiyangS

2、upervisedbyProf.LiXiaohongSpecialty:SafetyScience&EngineeringCollegeofResourcesandEnvironmentalScienceChongqingUniversity,Chongqing,ChinaSeptember,2017中文摘要摘要坚硬顶板是导致工作面强矿压显现的重要灾害因素，其中上覆存在复合坚硬顶板的工作面更为严重，直接影响工作面的安全生产。近年来水力压裂弱化控制坚硬顶板方面得到了一定研究，但是目前在井下压裂存在的影响工作面作业生产、多层坚硬顶板的压裂层位不明确、单孔压裂控制范围有限、难以对高位坚硬顶板

3、进行压裂等问题，直接影响了水力压裂对坚硬顶板的治理效果。因此，对复合坚硬顶板的判定方法、变形破断规律及对工作面矿压显现的影响进行系统研究，为复合坚硬顶板的治理提供依据，对于解决复合坚硬顶板这种多层坚硬顶板的强矿压显现问题具有重要的理论意义和研究价值。本文基于复合坚硬顶板的赋存特征，采用理论分析、数值模拟、实验室和现场试验相结合的研究方法，首先基于弹性力学，建立复合坚硬顶板的判定方法，结合相似模型试验，对复合坚硬顶板的变形破断规律及影响因素进行分析，采用基于FLAC二次开发的数值模拟方法，开展单层硬岩分层、多层硬岩分层及不同分层厚度对工作面支架压力影响的数值模拟，并且采用相似模型试验的方

4、法研究复合坚硬顶板分层对其失稳破断特征和工作面超前支撑应力的影响规律，最后开展地面钻孔水力压裂治理复合坚硬顶板的现场试验，主要研究结论如下：①建立了复合坚硬顶板的判定方法，得到了复合坚硬顶板的破断步距表达式。根据中性轴的位置，将复合坚硬顶板分为受拉区和受压区，进而基于弹性力学，建立了复合坚硬顶板的力学模型，得到了复合坚硬顶板的受拉区和受压区的应力场分布方程，建立了复合坚硬顶板的判断准则，为水力压裂坚硬顶板目标层的确定提供了依据。在对复合坚硬顶板破坏形式进行分析的基础上，建立了复合坚硬顶板发生破坏的临界条件，得到了其破断步距表达式。②揭示了复合坚硬顶板的跨距、岩层厚度对其变形破断的影响规

5、律。随着复合坚硬顶板跨距的增大、岩层厚度的减小，复合坚硬顶板中的剪应力基本呈现逐渐增大的趋势，破断步距减小，更易于形成剪切破坏而发生分层运动。硬岩厚度对变形破断的影响要大于软夹层厚度，两层硬岩厚度减小比单层硬岩厚度减小的效果更加明显。③揭示了复合坚硬顶板分层对工作面矿压显现的影响规律。复合坚硬顶板分层会使工作面的矿压显现程度减弱，工作面支架压力明显减小，两层硬岩分层比单层硬岩分层的效果明显，工作面支架压力的减小程度与分层厚度呈反比。两层硬岩分层后，复合坚硬顶板会发生剪切分层运动，破断步距减小，工作面超前支撑应力降低。I重庆大学博士学位论文④以大同矿区塔山煤矿8101工作面为研究对象，开

6、展了地面钻孔水力压裂治理复合坚硬顶板的现场试验，验证了压裂目标层位的选取方法、复合坚硬顶板的岩层厚度对工作面矿压显现的影响规律。结果表明，沿工作面走向方向的压裂影响区半径为107.8~137.2m，由此可确定压裂钻孔应该超前工作面的距离，水压裂缝对复合坚硬顶板形成了明显的分层效果，压裂影响区的工作面回采期间未出现强矿压显现现象，工作面支架压力、超前支护段的巷道变形量、巷道变形量大的区域均明显减小。关键词：复合坚硬顶板，强矿压显现，顶板分层，地面钻孔，水力压裂II英文摘要ABSTRACTHardroofisamajordisasterfactorcausingstrongpressure

7、behaviorsandtheworkingfacewithoverlyingcompoundhardroofisevenmoreserious,whichhasaninfluenceonthesafetyproduction.Inrecentyears,someworkonhardroofcontrolbyhydraulicfracturinghavebeenreported.However,therearestillmanyproblems