初次来压前受超前增压荷载作用的坚硬顶板弯矩、挠度和剪力的解析解

 坚硬顶板弯矩、挠度的理论解是矿山岩体力学中未曾获得较好解决的课题。初次来压坚硬顶板问题的超静定次数,比周期来压坚硬顶板问题的超静定次数要高1次。将煤层、直接顶按弹性地基处理,对初次来压前受均布荷载、荷载峰超前的增压荷载和支护阻力共同作用的,工作面中部煤壁前方和采空区单位宽坚硬顶板的挠度进行求解,采用潘 岳等求解周期来压前坚硬顶板弯矩、挠度解中的部分结果,求得满足全部连续条件和自然边界条件的坚硬顶板的4段式挠度表达式中的所有系数。据所得表达式,采用Matlab软件计算和绘图得到的初次来压前坚硬顶板挠度、弯矩曲线在考察区间光滑连接,剪力曲线连续。对曲线进行分析可知：(1) 荷载增减对顶板弯矩、挠度作用明显;(2) 支护阻力可有效减小煤壁前方顶板和悬空顶板的弯矩、挠度及采空区顶板的剪力值;(3) 单位宽顶板的特征长度由弹性地基系数、顶板抗弯刚度组成。在相同荷载下,只要特征长度相同,顶板弯矩分布完全相同,特征长度大者顶板弯矩大;(4) 弹性地基系数小者,煤壁前方顶板挠度(下沉量)大。抗弯刚度小者,采空区顶板挠度(下沉量)大;(5) 顶板弯矩峰位置在煤壁前方。顶板荷载大,支护阻力小,弹性地基系数大者,其弯矩峰与煤壁的距离近。在控顶区两端顶板剪力取最大值。所得硬顶板的关系式为理想坚硬顶板模型的解析解,其应用是从解析解算例中受到启发,获得参数变动时坚硬顶板弯矩、挠度和剪力变化的规律性认识,对采场顶板状况变化作出合理的定性判断,亦可为坚硬顶板断裂过程和断裂引发顶板应变能释放、冲击矿压能量来源及初次来压步距的量化分析提供基础。     

周期性来压坚硬顶板裂纹萌生初始阶段的弯矩、剪力、挠度和应变能变化分析

 坚硬顶板断裂的理论解是矿山岩体力学中未获得较好解决的课题。为研究裂纹发生对坚硬顶板内力、挠度和应变能的影响,沿采场中轴线取单位宽度的岩层结构,将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基,假定在裂纹萌生初始阶段顶板上方荷载不变,以最大拉应变强度条件为裂纹发生条件,对周期来压模型裂纹萌生初始阶段的坚硬顶板进行分析,得到满足裂纹面边界条件、自然边界条件和连续条件的裂纹萌生初始阶段弯矩、剪力和挠度表达式。根据表达式,采用Matlab软件的数值计算、绘图和放大功能给出算例。算例表明：(1) 裂纹萌生截面在煤壁前方,其位置在见报道的顶板超前断裂位置范围内。裂纹截面后方及采空区的顶板下沉量随裂纹生长而明显地增大。在裂纹截面前方顶板挠度则发生“反弹”,与现场检测到的顶板“反弹”特性一致;(2) 煤壁后方顶板弯矩、剪力不变。煤壁前方因裂纹萌生顶板的弯矩、应变能全面减小。在裂纹前方剪力全面减小,在裂纹面附近剪力发生波动;(3) 煤壁到前方15 m是裂纹发生坚硬顶板应变能释放的集中区。煤壁前方坚硬顶板内力和弹性应变能减小,使岩层系统往安全方向发展。所得研究结果对于采场顶板状况判断有一定的指导作用和参考价值。     

周期来压前受超前隆起分布荷载作用的坚硬顶板弯矩和挠度的解析解

将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基,鉴于坚硬顶板的损伤、破裂从工作面中轴线的超前部位开始,在工作面煤壁中央取单位宽度的岩层结构研究,建立受均布荷载、超前隆起分布荷载和支护阻力共同作用的坚硬顶板超静定挠度微分方程组.在满足所有自然边界条件和连续条件的基础上,导得周期来压前煤壁前方和采空区坚硬顶板的挠度、弯矩表达式.据所得表达式,用Matlab的算例和绘图,对项板荷载、支护阻力、地层刚度、单位宽顶板抗弯刚度及悬顶步距变化时坚硬顶板的挠度、弯矩进行分析,所得到的4段式弯矩、挠度曲线在考察区间内光滑连接,弯矩峰值位置在煤壁前方,顶板下沉量计算值在现场经验范围内.所得坚硬顶板弯矩、挠度的关系式为理想模型的解析解,其应用是从解析解算例中受到启发,获得参数变动时顶板弯矩、挠度变化的规律性认识,对实际采场顶板状况的变化作出由合理的定性判断,并可为坚硬顶板损伤断裂,为因断裂引发顶板应变能释放及冲击矿压能量来源的研究提供基础.     

坚硬顶板断裂过程中弹性能量积聚与释放的分布规律

冲击地压是煤矿生产中遇到的严重自然灾害之一,其能量变化规律一直是人们研究的重点。现场实践表明,大多数冲击地压发生在工作面煤壁前方超前支承压力范围内。在采矿学、材料力学和岩石力学研究的基础上,提出基于覆岩均布应力和增量应力作用的坚硬顶板初次断裂力学结构模型,首次推导得出弹性基础梁的能量分布计算公式,分析工作面前方坚硬顶板断裂前后的能量积聚和能量释放分布规律。当弹性基础的坚硬顶板悬露到极限距离后,将在煤壁前方最大弯矩处断裂,在断裂两侧发生反弹、压缩现象。离工作面距离越近,弹性梁的变形量和弯矩越大,积聚的弹性能量越多,坚硬顶板断裂后,释放的能量也越多。坚硬顶板断裂后发生压缩、反弹的空间区域,是产生冲击的震源区域。     

裂纹发生初始阶段的坚硬顶板内力变化和“反弹”特性分析

为研究超前裂纹对坚硬顶板内力变化的影响和顶板“反弹”、“压缩”特性,将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基,假定在裂纹发生初始阶段顶板上方荷载不变,以最大拉应变强度条件为裂纹发生条件,对初次来压前的坚硬顶板进行分析,求得满足裂纹面边界条件、自然边界条件和连续条件的裂纹发生初始阶段顶板内力和挠度形式解中全部系数。据所得表达式,采用Matlab软件给出算例。算例表明：①裂纹面在煤壁前方,其位置在见报导的顶板超前断裂位置范围内。采空区的顶板下沉量随超前裂纹生长而明显地增大。在裂纹面附近区域顶板挠度发生反弹, 在反弹区前方存在压缩区,与现场监测到的顶板“反弹”、“压缩”特性一致。②末排支护为顶板弯矩反弯点,随超前裂纹生长,末排支护前方顶板上侧受拉弯矩全面减小,而其后方顶板下侧受拉弯矩全面增大。煤壁前方顶板剪力随裂纹生长逐渐减小,煤壁后方顶板剪力不变。所得结果对于采场顶板状况的判断有一定的参考价值。     

边坡地基承载的力学特性研究

利用大型有限元程序ANSYS,对边坡地基进行了有限元计算,分析了边坡地基土体应力、应变及塑性区的分布和发展情况.在此基础上研究其破坏模式,对解决工程建设中的实际问题具有重要的意义.     

初次断裂期间超前工作面坚硬顶板挠度、弯矩和能量变化的解析解

 在覆岩均布力和增量压力共同作用且光滑连接的荷载形式作用下,将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基,在工作面中部选取单位宽度的岩层结构作为研究对象,建立采空区与工作面前方坚硬顶板的超静定挠度微分方程组。在满足所有自然边界条件和连续条件的基础上,求得此微分方程组的精确解,导得初次断裂前、后煤壁前方的顶板挠度、弯矩和弯曲应变能量密度分布关系式。对30 MPa的顶板层位荷载和0.6～1.0 GPa的地基刚度,根据所提出的关系式,用Matlab软件的计算绘图形式,给出初次断裂前、后顶板挠度、弯矩、顶板超前断裂位置、弯曲应变能积聚与释放随地基刚度减小而增大的规律。得到顶板超前断裂位置在煤壁前方6.14～7.75 m处,从工作面煤壁到其前方20.45～22.90 m区域是顶板能量积聚集中区,该区域有相当于断裂后顶板弯曲应变能的10～13倍的弯曲应变能在顶板断裂期间释放。从几何上阐明2条顶板弯曲应变能量密度分布曲线之间的面积即为顶板断裂时释放的能量。通过调整所得到关系式的参数,可计算不同采深、不同岩性和岩层结构的工作面煤壁前方的顶板挠度、弯矩和弯曲应变能量密度关系,对冲击矿压防治、顶板管理和放顶有重要参考意义。     

弹性多层地基刚性路面板的力学分析

本文根据工程实践的需要,提出了多层弹性地基刚性路面板的力学分析方法。该方法以弹性薄板理论与弹性层状体系理论为基础,通过汉克尔积分变换,推导了由于轴对称圆形均布垂直荷载所引起的板内应力以及层状地基内各个层次的应力与位移计算公式。该方法已编制成计算机程序,在南京工学院计算中心的DPS-8计算机上应用。得到了满意的结果。本文提出的方法,可以直接用于多层地基的刚性路面或机场道面的设计,也可用于分析刚性路面下基层的工作状态,从而研究刚性路面下基层的计算方法。     

红山窑膨胀岩的膨胀和软化特性及模型研究

以南京红山窑水利枢纽工程所提供的岩基红砂岩岩芯为例，采用MTS815．02型岩石刚性伺服试验系统和岩石膨胀测量仪，对风化红砂岩进行膨胀变形及力学特性试验研究。试验结果表明，红砂岩膨胀应变随吸水率增加而呈对数形增长。由于吸水率的变化，膨胀岩的弹性模量、泊松比和屈服极限等力学性能都将发生变化，即所谓软化现象，从而膨胀应力、塑性流动以及随湿度场而变化的屈服准则等都是相互耦合的。基于试验结果，提出考虑膨胀岩膨胀及软化特性的弹塑性本构模型。     

基于广义热弹性理论的多孔地基在移动荷载作用下的特性研究

 基于广义热弹性理论,引入热松弛时间,对Biot波动方程进行修正,建立了考虑温度效应的多孔饱和地基在移动荷载作用下的动力控制方程。利用Fourier变换方法,得到地基中温度增量、应力、位移和孔隙水压力在变换域中的一般解,结合热源输入条件和地基边界条件,确立时域内的温度增量、应力、位移和孔隙水压力的积分形式解答。利用Fourier逆变换方法和自适应数值积分算法得到了相应的数值结果。结果可退化为静荷载作用下的弹性地基解答,并与经典Flamant解进行比较,显示出较好的一致性。通过数值计算讨论不同的热源输入对地基温度增量场、应力场、位移场以及孔隙水压力的影响。结果表明：温度增量场受热源输入条件的影响很小,而应力、位移和孔隙水压力受热源输入的影响很明显。     

坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的研究

 基于坚硬顶板长壁工作面初次跨落步距大、周期断裂悬顶长,对采场安全危害严重的特点,系统研究工作面顶板初次断裂的3种控制放顶方式和周期断裂的合理悬顶长度。通过建立两端固支岩梁力学模型,分析并比较采用循环浅孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽等3种爆破控制放顶方式缩短坚硬顶板工作面初次断裂步距的拉槽深度与爆破工程量。结果表明,就爆破工程量而言,端部拉槽最小,中部拉槽次之,循环浅孔拉槽最大。通过顶板周期断裂悬臂岩梁力学模型的建立及其分析,基于工作面支架的设计工作阻力,推导顶板周期断裂的合理悬顶长度与工作面支架设计支护阻力,以及上覆岩层荷载和工作面控顶距之间的关系式。研究结果在晋城七岭煤矿15102工作面成功应用,可以为相应条件下坚硬顶板控制放顶提供理论依据与应用指导。     

坚硬顶板冒落的离层遥测预报系统研究

煤矿坚硬顶板冒落时对回采工作面造成的冲击较大，将严重影响开采安全。针对用顶板挠曲变形量值来预报顶板冒落时，预报阀值随着顶板岩性不同而有较大的差异的不足，提出用顶板离层速度高峰段的出现作为预报下位顶板冒落的方法，并研制开发顶板离层遥测系统，经在木城涧煤矿坚硬顶板预报实践表明，该预报系统可以实现对顶板冒落的遥测预报，该成果对地下工程顶板冒落的监测预报具有一定的推广应用价值。     

定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验

 针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题,进行定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。通过在压裂孔两侧布置监测孔和在压裂过程中实时监测泵压变化,深入分析煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。试验结果表明：(1) KZ54型切槽钻头能够在坚硬岩层中预制横向切槽,可有效降低裂缝破裂所需压力;(2) 采用跨式膨胀型封隔器可对岩层坚硬段分段逐次压裂,压裂过程中可在顶板中产生多条裂缝,从而有效弱化顶板;(3) 随着压裂处与孔口距离的增大,裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大,裂缝的扩展半径最大可达20 m;(4) 在压裂过程中,由于岩层均匀性、渗透性、地应力场、岩层结构面等影响因素的变化,压力–时间曲线呈现出多种形态;(5) 岩石抗拉强度与地应力值较为接近时,岩石强度对水力压裂有较大影响。     

深孔爆破在深井坚硬复合顶板沿空留巷强制放顶中的应用

 为防止深井坚硬顶板沿空留巷的充填墙体在顶板垮落时被压坏,特采取深孔爆破强制放顶来释放顶板压力以提高沿空留巷的护巷效果。通过数值模拟和理论分析的方法,阐述深孔爆破强制放顶的卸压机制。炸药在坚硬岩体中爆破,爆破孔周边的岩体受爆轰应力波作用产生大量裂隙并发生大幅度位移,使爆破孔周围的应力重新分布,厚层顶板垮落,降低了巷旁充填墙体的附加载荷,从而起到护巷作用。最后,在潘一矿东区1252(1)工作面进行超前深孔爆破强制放顶的现场应用,在经历工作面回采和充填留巷稳定阶段后,墙体整体维护效果良好,对类似条件下沿空留巷强制放顶具有很好的借鉴意义。     

基于关联因素前兆监测的冲击地压发生区域与时期初探

 为对后续开采活动起到警示作用,在强冲击危险区域,采用现场实测的方法得到冲击地压、微震、顶板破断以及采动应力分布等数据,并进行关联规律分析。分析结果表明：超前支承压力影响区域是冲击地压、微震事件的主要发生区域,但冲击地压还会发生在超前支承压力影响之外的微震活动区;基本顶垮断周期、本工作面与邻近采空区沟通导致高位岩层见方垮断周期以及微震活动周期是冲击地压发生的可能时期;以上3个周期近似同步时,超前支承压力影响范围内冲击地压发生概率明显增加。     

弹性地基梁的有限元分析及其工程应用

基于弹性地基梁原理,采用有限元软件ANSYS,建立龙门吊轨道基础与弹性地基相互作用的模型,得到模型在吊车移动荷载作用下的内力及基底压力的包络图,并对有伸缩缝和无伸缩缝时的两种情况进行了对比分析,得到了有益的结论,对后续的基础设计工作有重要指导作用。     

拱型波纹钢屋盖结构基础的设计与分析

拱型波纹钢屋盖结构自重轻、拱脚推力大导致基础的偏心距较大,同时支承结构所受弯矩、剪力也较大,给基础和支承结构的设计带来一定的问题。从具体的工程出发,分别介绍了落地拱和下部连接框架结构时基础设计中的偏心问题及其影响因素,以及下部连接砌体结构时墙体的抗弯、抗剪问题,并对设计方法提出了建议。     

冲击性顶板运动及其应力演化特征的3DEC模拟研究

采用三维离散元程序建立煤层综放开采模型,研究综放工作面推进过程中采场、采空区上覆顶板岩层的冲击性运动形式和分段性垮落形态,记录并且分析采场动态推进过程中,采动围岩中岩层块体垂直应力、水平应力的动态演化特征。研究结果表明,采空区基本顶的运动形式、来压周期、来压强度与直接顶的垮落厚度有关;支架后方的直接顶挤压成拱缓冲了基本顶的来压冲击强度,同时也改变了其来压步距。随着工作面向跟踪块体方向的推进,块体垂向应力、水平应力存在高低应力分区,并且不断地波动,岩层应力峰值位置随着岩层高度的增加稍向煤壁前方移动。     

弹性薄板理论在地下采场顶板变化规律研究中的应用

以大同矿务局四老沟煤矿8402工作面为工程背景,根据地下采场中围岩结构和岩体中存在着各种结构面的力学特征,假设关键层沿工作面方向上被结构面族分割成一系列相互作用的矩形岩板,以此建立弹性薄板组的力学模型;应用数值模拟技术研究该模型的挠曲和应力分布,结合工程现场实测数据,总结出来压时沿工作面方向上工作面中部极限强度较小的岩板首先发生破断,相邻岩板的支承边界变得不利,随着工作面的推进和载荷的增大,相邻岩板相继破断,依此类推直至岩板破断到工作面两端的关键层破断规律;合理解释工作面中部的支架工作阻力大于其端部支架工作阻力的现象和关键层来压比较强烈的原因。