对浅埋煤层“短砌体梁”、“台阶岩梁” 结构与砌体梁理论的商榷

基于砌体梁结构岩块平衡的几何条件,讨论了《矿山压力与岩层控制》教材中浅埋煤层开采岩层控制部分“短砌体梁”结构和“台阶岩梁”结构的概念. 认为浅埋煤层顶板因为不满足砌体梁结构断裂岩块长度起码大于层厚2倍的平衡先决条件,因而不能形成砌体梁结构, 而“短砌体梁”是“断裂岩块厚度与长度之比接近1”的砌体梁结构,故“短砌体梁”概念与砌体梁理论相矛盾;“台阶岩梁”的概念建立在不正确的假设之上,不恰当地应用了砌体梁理论的结论,将已失稳垮落的Ｎ岩块仍按砌体梁理论的“铰接”条件分析,因而 “台阶岩梁”结构是不存在的.实际上只要视M岩块即“控制岩块”为岩梁建立模型即可.     

采场矿山压力理论研究的新进展

本文了几年来在采场矿山压力研究的成果，如：作业直接顶边界条件的老顶“砌体梁”结构的形式以及如何简化此结构以及关键块分析中提取的“Ｓ－Ｒ”稳定、采场整体力学模型的建立、“支架工作阻力－－顶板下沉量”双曲线的再讨论以及如何应用断裂岩块的相互作用机制分析煤矿开采后的底板突水准则等，本文也放压界的科研工作者为进一步完善采场压力理论的研究进行讨论。     

采场矿山压力理论研究的新进展

本文简述了几年来在采场矿山压力研究的成果，如：作为直接顶边界条件的老顶“砌体梁”结构的形式以及如何简化此结构以及关键块分析中提到的“Ｓ－Ｒ”稳定、采场整体力学模型的建立、“支架工作阻力－顶板下沉量”双曲线的再讨论以及如何应用断裂岩块的相互作用机制分析煤矿开采后的底板突水准则等，本文也期望矿压界的科研工作者为进一步完善采场矿山压力理论的研究进行讨论。     

某矿综放工作面采场覆岩破坏相似材料模拟研究

根据某矿井地质条件,综合运用实验室相似材料模拟方法,对该矿放顶煤开采过程进行了模拟,分析了覆岩各岩层的运动规律。结果表明:覆岩端部破坏为剪切或拉剪破坏,断裂线与岩层轴线呈65°斜交;岩体内部移动由下向上成组运动,并在直接顶与老顶之间出现离层,老顶断裂后,上覆岩层均下沉;垂直应力的峰值点位于距煤壁6～10 m范围内;基本顶的破断形态呈砌体梁结构。     

长壁工作面基础板结构模型及其来压规律

首次将长壁工作面承支老顶的直接顶与煤层分别视为弹性，弹塑性，粘弹性及粘塑性基础，将老顶视为弹性薄板，亦即将老顶及其基础（直接顶与煤层）分别视为４种统一的空间结构模型，并采用薄板弯曲边界元法分别与弹性，弹塑性，粘弹性及粘塑性边界元法耦合，对前述空间模型进行了求解，结果表明：老顶断裂后，各断裂岩板之间仍处于联锁咬合状态，形成咬合权结构，随着基础从弹性向粘塑性过渡，老顶的断裂位置与煤壁间的距离以及顶板下     

浅埋深煤层开采顶板活动规律相似模拟试验研究

运用实验室二维相似材料模拟试验,通过对煤层模拟开采,得出浅埋深条件下顶板活动规律及覆岩运动特征。分析表明:随着直接顶的断裂和失稳,老顶形成"砌体梁"结构;老顶周期来压步距平均约10.94 m;上覆岩层移动破坏后形成"三带",垮落带范围为煤层上方4~6.3 m,裂隙带最大发育高度为煤层上方19.8 m;弯曲下沉带范围为裂隙带以上直至地表。     

似膏体充填开采导水断裂带高度确定方法研究

为深入研究充填开采覆岩的断裂带高度发育特征,采用砌体梁力学模型和材料力学理论相结合的研究方法,提出了充填开采导水断裂带发育高度的计算方法,利用该方法对红阳煤矿10803工作面覆岩断裂带高度进行计算,得到其覆岩断裂带高度为13.38m;并采用物探技术对10803工作面覆岩断裂带范围进行探测验证,探测结果为13.2m。理论计算结果和物探结果高度吻合,说明采用砌体梁力学模型和材料力学相结合的方法分析覆岩断裂带范围方法正确可行。     

采场上覆岩层岩块结构的力学平衡特性

本文以梁的模型探讨了采场上覆老顶岩层岩块结构的失稳过程和失稳条件。通过理论分析和相似模拟试验,得出了岩块间水平挤压力的变化规律,即T～θ曲线在两岩块θ角相等时T值达到最大。提出了岩块回转塑性临界角的概念,从而使得老顶岩块的变形失稳有了初步的定量分析,而且还讨论了滑落失稳和岩块形状的关系。     

大采高浅埋藏综采工作面顶板活动规律与控制研究

 为了研究大采高、浅埋藏综采工作面顶板活动规律，根据试验矿井的实际生产地质条件，采用理论分析的方法确定了该条件下老顶的断裂特征，并以此建立了数值计算模型。理论及数值分析结果表明，大采高、浅埋藏综采工作面老顶厚度及断裂步距决定了老顶结构及活动形式，而直接顶的厚度变化又影响到采场矿压显现的剧烈程度。根据现有理论，提出控制措施，计算得出了试验工作面控制顶板所需的支护阻力及支架工作阻力。     

浅埋沿空留巷切缝顶板断裂条件及移动规律研究

根据浅埋煤层顶板断裂后岩块间水平挤压力较小难以形成砌体梁的特点,分析了切顶卸压沿空成巷下的巷道顶板断裂结构,建立了下位切缝上位弯曲裂缝的双边悬臂梁的断裂力学模型,推导了沿空巷道侧向基本顶沿切缝结构面裂缝扩展断裂时的切顶工作阻力;建立了侧向基本顶两种不同顶板断裂位态下围岩结构数值模型,得出了两种断裂位态下的结构移动变形规律。当切顶阻力Q?ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,空区侧弧形三角板直接顶的倒台阶悬臂结构可向沿空巷道围岩传递较大破断动载和覆岩移动压力;而当切顶阻力Q≥ql并与切缝联合切顶同时作用时,则可使得垮落带内直接顶和低位基本顶沿切缝结构面断裂滑落失稳,实现顶板断裂位态主动控制,减小弧形三角板侧向悬臂传递覆岩荷载的结构长度,优化顶板承载结构和围岩应力,降低巷旁支护体承受的附加荷载。同时切落后碎胀的矸石及时充填空区将上覆岩触矸点前移,减缓了上覆岩下沉和旋转变形作用力。哈拉沟矿浅埋薄基岩大断面复合顶板切顶成巷试验结果表明:沿空巷道超前切缝可减小侧向顶板区域支架工作阻力和直接顶垮落步距,降低岩板破断引起的冲击动载,实际切顶阻力与理论计算分析结果较为吻合。     

综放面端头基本顶结构与合理支护参数

端头液压支架支护强度的确定是支架设计与选型的关键,为此,理论分析了端头区覆岩垮落形态、基本顶的结构运动规律及合理支护强度的确定方法.研究表明:端头区基本顶既可为裂隙带岩层,也可为垮落带岩层,裂隙带基本顶弧形三角块的下沉运动与工作面中部砌体梁相同,垮落带基本顶弧形三角块形可为仅受煤壁支撑与覆岩压力的悬臂梁,或同时与前后弧形三角块铰接形成弧形三角块类砌体梁结构;基本顶弧形三角板不同的结构形式,矿压显现不同,砌体梁结构基本顶活动的压力显现明显,动载系数大,而弧形三角块类砌体梁基本顶活动的压力显现不明显,动载系数较小;端头区支架与围岩作用关系中,支架的工作状态有3种类型:给定变形状态、限定变形状态和给定载荷状态,可根据对应的端头区砌体梁模型、悬臂梁模型和弧形三角块类砌体梁模型估算不同条件下端头支架合理的支护强度.     

综放工作面煤柱尺寸对顶板破断结构及裂隙发育的影响规律

煤层开采后基本顶破断结构直接影响上覆岩层裂隙区的范围和发育程度,运用理论分析和数值模拟相结合的方法,对不同煤柱条件下基本顶破断结构以及由此带来的顶板裂隙发育区演化规律进行了研究。上工作面侧向破断 “三铰拱”结构使下工作面基本顶破断由固支悬臂梁结构变为铰支结构,煤柱两侧形成不对称裂隙发育区。研究结果表明：中小煤柱时,岩块铰接回转,岩块长度大于基本顶悬臂极限断裂长度且随煤柱尺寸增加逐渐增加,裂隙发育区范围随之增加;大煤柱时,下工作面基本顶破断超出上工作面侧向结构影响范围外,岩块长度不变。回转角度由岩块长度和下沉量共同决定,并通过理论分析得到了相应的计算公式。     

基于顶板剪切梁理论的顶板破坏及断裂力学特性分析*

顶板破坏及断裂事故占矿井灾害事故的百分之七十以上。由于顶板破坏及断裂发生的主要诱因是剪切力,因此本文基于顶板剪切梁理论,结合平煤某矿FLAC3D煤岩层开采的有限元仿真结果,研究分析了采空区长度a值对煤层内部及顶板应力的影响。通过对比分析可知煤矿顶板出现冲击地压危险的主要因素有两个:一是与采空区长度a值有关,采空区长度a值越大,出现冲击地压的可能性越大,且等效应力的最大值出现在采空区长度的二分之一处;二是与顶板承受的剪切应力值有关,当该值达到顶板剪切强度极限时,顶板与煤层组成的变形系统将失稳,出现冲击地压危险。有限元仿真结果与理论预测结果的一致性说明应用顶板剪切梁理论对顶板产生破坏及断裂的预测是准确的,同时对预测、预防冲击地压中顶板破坏煤矿灾害事故的发生具有重要的指导意义。     

回采速度对坚硬顶板运动释放能量的影响机制

坚硬顶板破断释放的弹性能是冲击矿压的主要能量源之一,针对回采速度对坚硬顶板破断释放能量的影响机制,运用理论分析结合现场监测手段,对垮落带内的顶板悬臂梁结构,建立了基于弹性地基假设的三角增压载荷悬臂梁模型,推导得到回采速度控制下顶板梁的下沉量、弯矩及弯曲弹性能密度的解析解。对距煤层较近的低位未触矸破断式砌体梁结构,建立回采速度影响下的回转角与破断步距及破断释放能量的解析式,并进行讨论得到结论:加快回采速度使顶板悬臂梁的悬臂长度L和峰值应力集中系数a增加,使峰值距煤壁位置x0减小,3者均能造成顶板弯曲变形能增大,释放弹性能增加,且悬臂长度L和应力集中系数a影响效果更为明显;高速回采造成采空区充填程度低,促使关键块B的回转角增大,造成关键块A的破断步距增大,破断释放的能量也大幅增加,甚至促使原本为低位未触矸破断的砌体梁结构变为高位悬臂梁结构,其破断释放的弹性能更大,大能量矿震产生的动载易叠加高静载煤体诱发冲击,同时使超前段顶煤支护失效,造成冒顶事故;通过对关键层及围岩结构的判别,证实了两种坚硬顶板的破断模式,且微震监测表明坚硬顶板破断释放大能量矿震与回采速度有明显的正相关性,并得到坚硬顶板条件大采高工作面临界回采速度为4 m/d,科学指导了胡家河矿的开采强度优化。     

深部开采砌体梁失稳扰动底板破坏力学行为及分区特征

深部开采的强扰动附加属性导致底板煤岩破坏加剧,易沟通底板承压水导升带而诱发突水灾害,故研究砌体梁失稳扰动底板破坏的力学行为可为实现矿山岩层控制提供重要的理论基础。根据弹塑性力学理论分析了深部开采砌体梁失稳扰动底板破坏的动载源特征,基于压力拱及损伤力学理论研究了砌体梁失稳扰动底板压剪破坏和卸荷破坏的力学行为,应用离散元软件计算分析了不同采深下砌体梁失稳扰动底板的应力变化及变形破坏行为,结合采动力学全过程应力-应变曲线获得了深部开采底板强扰动破坏的分区特征,并应用深部开采微震监测数据进行了验证。结果表明:砌体梁失稳后,梁端煤壁端部及触矸区域底板应力增高并形成了塑性屈服区和触矸破坏区,两者之间则形成了压力拱形式的卸荷破坏区;随采深增加,底板塑性屈服区和触矸破坏区的压应力增量及卸荷破坏区的卸荷反弹力不断增大,并使得底板岩体最大变形量在采深700 m以浅时近似线性增加,而采深700 m以深的深部开采却表现为非线性突变增长;深部开采高围压造成底板压应力峰值及卸荷反弹力非线性增加,促使了扰动岩体由浅部脆性向深部延性的转变,并导致其强扰动破坏的分区范围扩大,变形破坏深度增加,深部开采底板的非线性强扰动破坏行为在底板浅部最突出。     

厚硬岩层周期破断步距计算及影响因素分析

针对众多地区采场覆岩存在厚硬岩层,破断岩块块度较大,导致破断步距计算公式结果失真的问题,考虑岩块间相互作用力及支护参数等多重因素,结合材料力学中的组合变形,建立了厚硬岩层周期破断步距力学模型,得出了周期破断步距计算公式,通过现场实测数据对所推导公式进行了实证,并与传统悬臂式破断步距计算公式进行对比。研究结果表明：随岩层厚度的增大,传统计算公式结果偏离实际值愈发明显,而推导的步距计算公式则可与实际较好吻合,具有较高的可靠性和合理性。     

采场上覆巨厚坚硬岩浆岩致灾机理与防控措施

为控制巨厚坚硬覆岩导致的采场矿压灾害,采用物理模拟、理论分析与数值模拟方法,研究采场上方厚约100 m岩浆岩的变形破坏特征及对采场围岩应力分布的影响,并分析其引发采场矿压事故的力学机理与显现形式。研究表明：巨厚岩浆岩与煤层间距较小时,可采用两端固支梁模型计算岩浆岩的破断垮距,间距较大时,采用薄板理论计算岩浆岩的极限挠度,并根据自由下沉空间确定其是否破断与破断步距;岩浆岩处于弯曲下沉带时,给工作面带来冲击矿压隐患,处于断裂带时,给工作面带来冲击矿压和大面积来压双重隐患。实践证明,巨厚坚硬岩浆岩下开采,可采取加强支护质量监测与提高工作面推进速度的方法,辅以坚硬顶板强度弱化手段消除冲击矿压和顶板强来压显现事故。     

基本顶断裂位置条件下沿空留巷充填体参数确定

沿空留巷基本顶断裂位置对充填体所需提供支撑力有很大影响,基于砌体梁理论,建立3种沿空留巷基本顶断裂结构力学分析模型,采用梁体挠度计算方法,得出充填体所需支撑力随开采深度、留巷巷道宽度、充填宽度的增加而增大;基本顶在采空区侧断裂充填体所需提供支撑力最小,沿空留巷围岩稳定性较易控制;基本顶在巷道上方或煤壁侧断裂,所需充填体支撑力较大;在靠近岩块A和岩块B的断裂位置处进行充填,有利于降低充填体需要提供的支撑力,并将研究成果在潘村煤矿1301工作面进行现场试验,沿空留巷取得成功。     

水平裂缝对坚硬顶板失稳破断的影响规律研究

为了研究水力压裂形成水平裂缝后坚硬顶板的失稳破断规律,基于材料力学和关键层相关理论,结合数值模拟,对含水平裂缝坚硬顶板的变形破坏特征和失稳破断机制进行了研究。结果表明:当坚硬顶板存在水平贯穿裂缝时,无论上位与下位岩层是否发生同步运动,坚硬顶板的破断步距均小于其初始极限跨距。存在水平贯穿裂缝的坚硬顶板及其上覆岩层,会形成拉压复合破坏区,更易于发生失稳破坏。坚硬顶板块体咬合点区域的拉压复合破坏作用是造成块体局部失稳、回转加剧和整体破断的主要原因。