俯伪斜开采采场顶板破断模型与工程实测研究

根据俯伪斜开采采场布置呈平行四边形特点,基于弹性薄板小挠度理论,建立了俯伪斜开采基本顶力学模型;采用康托洛维奇法推导得到工作面初采和正常推进2个阶段基本顶弯曲变形近似表达式,揭示了俯伪斜采场基本顶2个阶段变形破断形状效应的力学机理。结合逢春煤矿S2611俯伪斜工作面的实际工程参数,计算得出工作面初次来压步距和周期来压步距分别为12 m和8 m,基本顶破断前最大挠度均为0.08 m,处于工作面中上部位置。对急倾斜薄煤层俯伪斜工作面来压强度低,采空区上、中、下部矸石充填率差异不大及分段来压等特殊矿压现象进行了讨论。     

下保护层开采上覆煤层顶板破断规律研究

为研究下保护层开采上覆煤层顶板破断规律,以贵州某矿为工程背景,建立基本顶破断不同时期力学分析模型,推导破断临界条件及破断步距,构建物理相似模型反演顶板破断下沉历程,现场监测工作面顶板来压破断步距。研究表明：下保护层开采时上覆煤层直接顶随采碎冒,基本顶初次来压破断步距为20m、周期来压破断步距10m,破断角55°～65°;采空区上覆岩层塑性破坏区呈“梯形”结构,基本顶在空间上依次经历“离层-破断-垮落”有规律交替运动;顶板下沉时依次经历“稳定-加剧-饱和”3个阶段,最大下沉量21 mm,同一水平位置顶板下沉时呈“边坡”状分布;现场监测结果与理论分析、相似模拟结果基本吻合,工作面来压时需适当加快工作面推进速度以避免发生压架事故。     

特厚煤层坚硬顶板初次破断特征的力学分析

为了揭示特厚煤层综放工作面坚硬顶板破断与矿压显现的力学机制,基于材料力学与岩石力学等理论,建立了特厚煤层综放开采坚硬顶板初次破断力学分析模型,分析了特厚煤层综放开采坚硬顶板中弯矩的分布情况,推导了坚硬顶板超前破断位置与初次破断距的解析公式,系统研究了煤层厚度、顶板厚度、顶板弹性模量、顶板强度等关键因素对顶板初次破断特征的影响规律。结果表明:特厚煤层综放工作面坚硬顶板的初次破断距与煤层厚度呈负相关的关系,而与顶板厚度、顶板弹性模量、顶板强度呈正相关的关系。在此基础上,开展了山西韩家洼煤矿特厚煤层22203综放工作面矿压规律的现场监测,并将理论分析结果与现场监测数据进行对比分析,两者基本吻合。     

孤岛工作面坚硬顶板破断的能量特征研究

根据坚硬顶板孤岛工作面的特点,选取四面采空的孤岛工作面为研究对象,建立了孤岛工作面的坚硬顶板力学模型,将坚硬顶板视为弹性薄板,利用瑞利-里兹法进行了分析计算,研究了四面采空孤岛工作面坚硬顶板初次破断前后的能量特征,推导得出了孤岛工作面坚硬顶板的弯曲应变能简化公式,并利用典型冲击地压案例进行了验证分析,揭示了冲击地压发生的能量原因。研究表明:孤岛工作面坚硬顶板初次破断前的弯曲应变能在顶板见方时最大,且与采空区悬顶面积的三次方成正比;坚硬顶板初次破断后的弯曲应变能最大值出现在煤壁处,且与采空区悬顶长度的五次方成正比;经案例解算,孤岛工作面坚硬顶板初次破断前后的能量释放率达95.4%,具有强烈的冲击危险性,孤岛工作面冲击地压所释放的能量主要来自于悬空坚硬顶板破断的弹性能,采取及时有效的断顶卸压措施对于坚硬顶板孤岛工作面的冲击地压防治具有重要作用。     

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。     

俯伪斜采煤法基本顶破断的力学分析

为弄清俯伪斜采煤法基本顶破断的具体情况,以某俯伪斜采煤法的悬露基本顶为研究对象,应用弹性薄板理论,建立了俯伪斜基本顶的力学模型,分析并得到了充填体对基本顶的支撑载荷函数,运用李滋法和挠度的叠加原理,推导出基于采空区充填的俯伪斜基本顶挠曲函数,并对基本顶的破断过程进行了分析。研究结果表明：由于冒落矸石在采空区的不完全充填,导致俯伪斜基本顶的挠度沿倾向不对称,最大挠度为60.9 cm,位于倾斜中上部;基本顶沿倾斜方向由上向下分段破断,并且形成相对稳定的铰接结构,分段岩块沿走向破断距也有差别,倾斜中上部破断距小于下部。理论计算分析的结果与现场的矿压监测情况基本一致。     

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.     

燕子山矿坚硬顶板冲击地压机理分析

采用理论分析研究了燕子山矿综采面坚硬顶板冲击地压机理,运用弹性力学薄板理论,建立顶板冲击破断机理力学分析模型,推导出了顶板初次垮落前的最大弹性弯曲应变能表达式,得到工作面坚硬顶板垮落前的最大弹性弯曲应变能与顶板上覆岩体容重、开采深度、采空区悬顶面积、坚硬顶板的厚度、顶板岩层的弹性模量和泊松比等因素有关;运用MATLAB数值分析软件结合燕子山矿8403工作面顶板实际参数,绘制出顶板应力三维立体应力云图,分析得到顶板的破断特征,与顶板的"X-O"破坏理论相符。     

冲沟地貌间隔式开采顶板破断机制分析

针对南梁煤矿冲沟地貌间隔式开采后采空区顶板破断垮落问题,根据矿井地质条件,采用了弯曲薄板理论,建立四边固支弹性矩形薄板模型,计算分析了薄板应力分布特征,认为最大拉应力在矩形薄板长边(工作面长度方向)中心位置处,最大拉应力值8 MPa。对比实验室测试结果得出确定南梁煤矿20305工作面开采后其采空区顶板发生垮落破断,为该矿井在下组煤开采、支架选型、顶板支护及巷道布置提供理论依据。     

急斜煤层开采老顶破断力学模型分析

运用弹性力学古典狭长薄板理论 ,建立了急斜水平分段放顶煤开采顶板变形力学模型 ,分析了其变形特征及破断规律。得出了煤层倾角、水平分段高度对顶板变形的影响关系曲线 ,同时 ,给出了顶板破断的判据。     

STUDY ON THE FRACTURE AND WEIGHTING OF MAIN ROOF UNDER COMPLICATED CONDITIONS IN LONGWALL MINING

IntroductionDuringlongwallcoalfaceadvancing,thephenomenaoffracture,col1apseandweightingofmainroofabovegoafareacertainlyoccur.Usually,theintensityofthefirstweightingofmainroofisthehighest,anditsbehaviouristhemostviolentduringlongwallmining["'].Themainroofweightingisalwaystheimportantfactorwhichhasagreatinnuenceonnormalproductionandsafetyinlongwallface.GeologicalandproductiveconditionsinChinesecollieriesarecomplicatedandvarious.Inordertocontrolmainroofweightingeffectively,itisnecessarytorevealt…     

基于弹性薄板理论的采场顶板破断特征分析

针对煤层开采过程中采场覆岩形成的特定空间结构和变形破断形态,运用弹性薄板小挠度理论构建四边固支、两边固支两边简支和四边简支3种支承边界条件下的顶板力学模型,通过理论计算得出了基本顶断裂前后的挠度、弯矩和应力解析表达式,并从理论层面分析了顶板破断的内在机理与显现特征,揭示了采场顶板横“O-X”破断的力学本质。采用三维数值模拟软件FLAC3D系统分析了顶板应力场的演化特征和分布规律,模拟结果与理论分析较为吻合。     

采动覆岩裂隙发育变化规律研究

为了研究采动覆岩裂隙发育变化规律,建立了基本顶初次来压的力学模型,分析了岩体的变形场方程、岩体损伤演变方程,然后采用RFPA^2D数值模拟软件,研究了覆岩破断裂隙发育变化规律、煤层开采采场应力变化以及煤采空区垂直压应力变化规律。研究得出,随着煤层不断的开采,顶板裂隙带的位置不断向上发育,采场上部的卸压区为拱形,工作面前方的支撑压力峰值逐渐增加。研究为矿井后期开采设计提供了借鉴。     

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。     

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。     

考虑两侧煤柱与弹性煤体基础的基本顶板初次破断特征

建立考虑两侧煤柱支撑与实体煤作为弹性基础的基本顶板初次断裂力学模型,采用差分算法及主弯矩破断准则计算研究得到如下结论。① 基本顶初始断裂位置为偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面(弹性基础系数k较小,基本顶厚度h、弹模E较大时),反之为偏较弱煤柱侧的长边实体煤区上表面;② 两侧煤柱的宽度L1,L2及支撑系数km1,km2改变时,基本顶中部区与实体煤区的主弯矩及位置几乎不改变,而两侧煤柱区的主弯矩及位置变化显著;③ E,h大,而L1,km1,L2,km2小时,基本顶在两侧煤柱区不断裂,破断顺序为:偏较弱煤柱侧的悬顶区中部下表面→偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面,断裂特征为非对称“=-X”型;反之基本顶在煤柱区会断裂,破断顺序为:偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面→偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面→较强煤柱区上表面→较弱煤柱区上表面,断裂特征为非对称“O-X”型;而L1,km1较小,L2,km2较大时,只较弱煤柱侧基本顶不破断,最终断裂形态为非对称“U-X”型;④ 比值k/E或k/(Eh3)不变(k,E,h改变时,km1及km2与k保持某个任意比值不变),基本顶破断规律不变。     

顶板崩落变形破坏过程的数值分析

采用数值方法建立三维计算模型,分11个步骤对采场开挖的全过程进行数值模拟,得到开挖后空区围岩的水平位移、竖向位移和塑性区分布情况,进而分析矿区顶板自然崩落规律的变形破坏情况。由于采场的开挖,导致岩体内部应力释放,围岩位移指向空区内部,水平位移最大处出现在采场采矿区的两侧边帮处,位移方向均指向采空区内部。随着开挖宽度的扩大,竖向位移呈圆弧曲线形式由采场顶板向岩体内部不断扩张。开挖过程中,空区顶板首先由剪切破坏导致岩体破裂下落,出现采场顶板冒落现象,采场采空区的顶板中央上部岩体随着顶板冒落不断往下变形,出现一定高度破坏区域的岩体。当采场开挖面积进一步扩大时,采场顶板上方的岩块将无法维持稳定状态,出现持续崩落现象。     

长边两侧采空(煤柱)弹性基础边界基本顶薄板初次破断

建立长边两侧采空(煤柱)与短边两侧弹性基础边界基本顶板结构力学模型,根据薄板主弯矩破断准则并结合偏微分方程有限差分算法计算研究了基本顶破断的影响因素及权重关系。得到:① c1与c2煤柱的支撑系数 kc1, kc2及宽度 Lc1, Lc2不仅显著影响基本顶在两侧煤柱区的主弯矩大小及位置且显著影响短边区及中部区主弯矩大小及位置;② 基本顶的弹性模量E与厚度h越大,短边实体区及两侧煤柱区的基本顶断裂线深入煤体距离越大;Lc1,Lc2越大,kc1,kc2越小,煤柱区断裂线深入煤柱距离越大;③ Lc1,kc1,Lc2及kc2较小而E,h较大时,基本顶在c1与c2煤柱区均不断裂,最终断裂形态为非对称“||-X”型;④ Lc2及kc2较大而h,E,Lc1及kc1较小时,基本顶在c1煤柱区(较弱煤柱)不断裂而在c2煤柱区(较强煤柱)会断裂,最终断裂形态为非对称“C-X”型;⑤两侧煤柱支撑系数及宽度均较大而E,h较小时,断裂形态为非对称横“O-X”型;⑥ k,kc1,kc2,E及h均改变而比值k/(Eh3)不变时（其中,比值k/kc1与比值k/kc2也不变）,主弯矩大小不变且初次破断位置不变。     

超高水材料长壁工作面充填开采顶板控制技术

为研究充填工作面长度对岩层控制效果的影响,指导长壁工作面充填开采实践和为围岩变形控制提供依据,基于超高水材料的基本性能试验,利用差分法薄板理论建立了超高水材料长壁工作面充填开采顶板活动力学模型,得到关键层的预计变形量,分析充填工作面长度对关键层变形及破坏的影响,提出了长壁工作面充填开采顶板控制理念。研究结果表明:采空区顶板下沉最大挠度值随着工作面长度的增加而增加;要维持关键层不发生断裂,必须保证工作面长度和控顶长度在一定范围内。对比冀中能源陶一煤矿充1~5工作面(工作面长度50~60 m)和充6工作面(工作面长度120 m)充填开采实际情况,提出并应用地面充填系统构建、充填液面提高、隔离带设置、工作面锚网索支护4种长壁工作面顶板控制技术,有效地抑制了顶板变形,同时保证了良好的充填效果。     

基于高位定向长钻孔的采空区瓦斯抽采技术研究

为了研究高位定向长钻孔抽采采空区瓦斯效果,以吉宁煤矿2102工作面为研究对象,采用理论分析与数值模拟相结合的手段确定顶板高位定向长钻孔布置层位及钻孔结构,现场设计了五个高位定向长钻孔进行采空区瓦斯抽采。研究结果表明：煤层开采后,覆岩垮落带高度为20m,导水裂隙带高度为66m|裂隙区和压实区所呈嵌套关系的外侧梯形底角61°,内侧梯形底角50°,内外梯形之间宽度约为8.4m|高位钻孔应布置在煤层顶板以上40～60m,帮距15～48m,有效解决采空区上隅角瓦斯超限问题,瓦斯抽采效果良好,在保证安全生产的同时,实现了高效稳定治理采空区瓦斯的目的。