石膏矿矿柱失稳及顶板破坏过程力学分析

房柱损伤和顶板破坏是影响石膏矿房柱式开采安全的重要因素。基于突变理论并推导出矿柱的尖点突变方程,得出矿柱的失稳判据。通过对顶板变形和破坏特征分析,结合薄板理论,建立矿房顶板破坏力学模型。结果表明,在反复应力作用下矩形顶板的4条固支边会发生断裂破坏而成为简支边,重新构建四边简支矩形顶板的力学模型并对其进行力学分析,最终得出石膏矿矿房顶板"O-X"型破断的演化过程,揭示石膏矿矿柱顶板破坏演变规律。     

大倾角仰(俯)采采场顶板破断的薄板模型分析

为了研究大倾角仰采、俯采采场顶板破断机理,建立了大倾角仰、俯采顶板薄板力学模型,利用薄板理论并结合力学分析、数值计算对大倾角俯采及仰采工作面破断时的基本顶岩层应力分布特征与破断机理进行了分析计算,得出了薄板极限破断准则和破断步距理论计算式.结果表明:大倾角仰(俯)采采场顶板破断形式不同于近水平煤层顶板的"O-X"型破断;倾角影响并决定着采场顶板倾向方向的破断特征;走向仰(俯)角对顶板岩层初次破断特征和周期破断特征呈现出不同的影响.     

考虑煤体弹-塑性变形的基本顶板初次破断结构特征

建立考虑煤体弹-塑性变形的基本顶板结构初次破断力学模型,依据有限差分原理和主弯矩破断准则,系统计算研究了弹-塑性基础边界基本顶板结构初次破断位置、破断顺序以及全区域破断形态特征的影响因素及权重关系,并阐述了该力学模型的工程意义,得到:①基本顶厚度h、弹性模量E较大,而弹性煤体基础系数k_t及悬顶跨度较小时,基本顶的破断位置及顺序为:开采悬顶区中部下表面→深入未塑化的弹性煤体区上表面→短边深入未塑化的弹性煤体区上表面,在弹性煤体区上覆形成"O"型断裂圈;反之,基本顶的破断位置及顺序为:深入塑化煤体区上表面→开采悬顶区中部下表面→短边深入塑化煤体区上表面,在塑化煤体区上覆形成"O"型断裂圈,最终均形成"O-X"型破断形态;②煤体塑化范围b_0及塑化程度增大时,基本顶断裂线深入煤体的距离与基本顶各个区域的主弯矩绝对值均增大,即基本顶悬顶跨度会减小;③b_0及浅部塑化煤体基础系数k_0较大时,基本顶的破断位置及顺序为:开采悬顶区中部下表面→长边深入塑化煤体区上表面→短边深入塑化煤体区上表面,在塑化煤体区上覆形成"O"型断裂圈;b_0,k_0较小时,基本顶的破断位置及顺序为:长边深入弹性煤体区上表面→开采悬顶区中部下表面→短边深入弹性煤体区上表面,在弹性煤体区上覆形成"O"型断裂圈,最终均形成"O-X"型破断形态;④k_0与k_t为任意比值不变且k_t与h~3为任意比值不变时,基本顶的主弯矩大小、位置及破断规律不变。     

长边采空(煤柱)弹性基础边界基本顶薄板破断规律

建立长边为煤柱支撑、实体煤区为弹性基础边界的基本顶板结构力学模型,运用有限差分方法计算了煤柱宽度Lp1及支撑系数kp、基本顶厚度h、弹性模量E、实体煤区的弹性基础系数ks及跨距L对基本顶破断规律的影响。得到:(1) Lp1与kp既可改变实体煤区及中部区主弯矩大小且可显著影响煤柱区基本顶的破断形式及整体破断形态;(2)基本顶初次破断位置为长边实体煤侧深入煤壁上表面(E,h较小,L较大时),反之为中部区偏长边煤柱侧下表面;(3) Lp1,kp较大,E,h较小,L较大时,基本顶在煤柱区产生平行于煤柱轴向的断裂线,破断顺序为:长边实体煤区超前煤壁上表面→采空区中部偏煤柱侧下表面→长边煤柱区上表面→短边超前煤壁上表面,最终破断形态为非对称"O-X"型;(4)Lp1,kp较小,E,h较大,L较小时,基本顶在煤柱区不产生平行于煤柱轴向的断裂线,破断顺序为:采空区中部偏煤柱侧下表面→长边实体煤区超前煤壁上表面→短边超前煤壁上表面,最终破断形态为非对称"C-X"型;(5)比值ks/h~3或者ks/(Eh~3)不变时破断规律不变。     

采场顶板关键层"横U-Y"型周期破断特征的试验研究

针对部分坚硬顶板矿井采动导水裂缝带处于8~15倍采高的高位关键层,"横O-X"破断运动引发工作面动载矿压甚至压架、临采空侧回风平巷超前100~200 m底鼓大变形等动力灾害的问题,采用自制的大尺度三维物理模拟实验平台,研究高位关键层的破断运动特征。结果表明:关键层发生横向破断时,首先,关键层板正面两侧长边和反面中部长轴方向同时形成破断裂隙;其次,关键层板正面两侧短边形成弧形裂隙,而反面沿中轴线端点同步形成八字形破断裂隙;再次,在板正面形成"O"形裂隙的同时反面形成"X"形裂隙,正面形成"U"形裂隙的同时反面形成"Y"形裂隙;最后,正反面裂缝贯通形成"横O-X"型初次破断和"横U-Y"型周期破断,在工作面上方形成"弧形三角板"和巷道上方形成"梯形板"的破断块体结构。统计发现,"横O-X"型初次破断步距与"横U-Y"型周期破断步距长度基本一致;横向破断形成的"弧形三角板"块体角度为75°~78°,与腰线和弧形切线形成的夹角72°~82°基本相等,近似于一个等角的"弧形三角板"。砌块模型试验结果表明,"弧形三角板"块体大幅回转过程中,因其顶点易与"梯形板"结构发生回转变形失稳而出现脱离现象,导致"弧形三角板"滑落失稳从而会引发工作面强矿压。研究成果为大采高开采工作面强矿压灾害防治提供试验基础。     

大倾角伪俯斜采场顶板运移规律实验研究

为研究大倾角伪俯斜采场顶板垮落运移及其与支架相互作用关系。采用大比例三维物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究手段,深入分析了伪俯斜采场初采阶段和正常回采阶段顶板应力演化与变形破坏规律,垮落顶板充填特征以及"支架-顶板"相互作用规律。结果表明,大倾角伪俯斜采场顶板应力分布与位移具有非对称性,顶板具有非对称"O-X"破断特征,且具有明显的时序特征,其中"O"破断顺序为:采空区侧边界—采煤工作面侧边界—上部边界—下部边界;"X"破断顺序为:工作面倾斜上方基本顶先发生破坏,随后基本顶沿顺时针方向依次破断。顶板周期性来压与垮落均具有分区特性与时序性,沿走向工作面各个区域顶板的垮落位置与支架相对位置不同,其中,工作面倾斜中部支架直接受到垮落顶板的作用,具体为"砸—压—推",而倾斜上部与下部垮落顶板仅在下滑过程中对支架产生倾向向下的推力,未出现明显的砸、压现象,上部作用最弱,破断顶板使支架发生不同程度的"倒"、"扭"现象;垮落顶板对采空区的充填可分为4个阶段,各个阶段交替转化的过程对工作面中、下部支架的稳定性产生了影响,矸石堆积区最终沿走向形成充填稳定区域与动态运移区域。为大倾角煤层伪俯斜采场岩层控制提供科学依据,也丰富了大倾角煤层采场岩层控制理论。     

基本顶弹性基础边界薄板模型分析（I）——初次破断

建立基本顶弹性基础边界弹性薄板力学模型,运用偏微分方程有限差分方法,研究了推进步距、弹性基础系数、基本顶厚度与弹性模量对基本顶主弯矩与破断位置的影响,得出：基本顶厚度或弹性模量增大时,中部最大主弯矩Mz增大、长边与短边绝对值最大主弯矩Mc,Md减小;步距增大时,Mz,Mc,Md均增大、Mz增长幅度较小;弹性基础系数增大时,Mz减小、Mc,Md增大;根据主弯矩破断准则得出：推进步距或弹性基础系数小时基本顶中部先破断、反之长边超前煤壁先破断;基本顶厚度或弹性模量小时长边超前煤壁先破断、反之中部先断裂。基本顶厚度或弹性模量越大超前断裂距离越大;弹性基础系数或步距越大超前断裂距离越小。弹性基础边界时,基本顶存在3类破断顺序：① 长边-中部-短边;② 长边-短边-中部;③ 中部-长边-短边。     

一侧采空(煤柱)弹性基础边界基本顶薄板初次破断

建立长壁工作面,一侧采空(煤柱)、三边弹性基础边界基本顶薄板结构力学模型,运用有限差分法计算并研究了基本顶主弯矩分布特征及破断规律。得到:基本顶的起始破断位置为长边偏煤柱侧深入煤壁上表面(基本顶的弹性模量E、厚度h较小,弹性基础系数k较大时)或中部偏煤柱侧下表面(E,h较大,k较小时);煤柱的宽度Lm及支撑系数k_m变化时基本顶长边区,实体煤侧短边区以及中部区的主弯矩极值几乎不改变,但是煤柱区基本顶主弯矩极值变化显著、即显著影响煤柱侧基本顶的破断形式及基本顶整体的破断形态;由于考虑煤柱支撑的作用,当h,E较小,L_m,k_m较大时,基本顶深入煤柱区的上表面会发生破断,此种条件下基本顶的破断顺序为:长边深入煤壁上表面→中部下表面或实体煤侧短边深入煤壁上表面→煤柱区上表面,最终破断形态为非对称"O-X"型;h,E较大,L_m,k_m较小时煤柱区基本顶的上表面不破断,此种条件下基本顶的破断顺序为:中部下表面→长边深入煤壁上表面→实体煤侧短边深入煤壁上表面,最终破断形态为"U-X"型。     

伪斜工作面梯形采场的基本顶初次破断特征

采煤工作面伪斜布置时,采空区基本顶呈非矩形状,此时采空区上方基本顶的破断位置及其破断规律与矩形顶板有所不同。为研究伪斜工作面基本顶初次破断特征,根据弹性薄板力学理论建立直角梯形基本顶的板结构初次破断力学模型,同时推导出直角梯形薄板的弯矩公式,分析顶板破断位置及其破断规律;依据有限差分原理分析基本顶的应力极值大小及位置特征,对理论推导结果进行验证。结果显示,四边固支直角梯形薄板内力分布规律与矩形薄板大体相似,但在四条边界上,主弯矩极值的位置与矩形薄板有所差异,后者都位于中心部位,而前者整体向逆时针方向一侧移动,基本顶的初次来压呈椭圆状倾斜“O-X”型。     

长边采空与弹-塑性软化基础边界基本顶薄板初次破断研究

为研究长边煤柱（采空）条件下基本顶板结构的破断规律及工程价值,构建考虑长边煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性软化特性的基本顶板结构力学模型,全面计算探究该条件下基本顶板在长边煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态,并从6个层面、3个区域与传统模型对比,阐述模型所得新结论及意义。结论如下：（1）长边煤柱宽度与承载能力可显著影响实体煤区基本顶主弯矩大小及初次破断顺序,但是对实体煤区基本顶破断线所处区位（弹性区、塑性区、弹塑性分界区）影响小,长边煤柱也可显著改变基本顶在煤柱区的破断位态（3类）,且随基本顶的弹性模量E及基本顶厚度h增大,长边煤柱的支撑系数k_cm、宽度L_cm,实体煤的塑化范围L_t-s、塑化程度k_s-0、弹性煤体基础系数k_tt及工作面跨度L_d减小,其演变模式为：1条连续“长直线+两端短弧线”型（CM-N式）→2条临接对称“直线+短弧线”型（CM-L式）→2条大间距对称“短弧线”型（CM-D式）;（2）实体煤的长边与短边区基本顶破断线的区位特征有5类,且...