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     

东风煤矿工作面覆岩结构及破断规律研究

应用数值计算,分析43002工作面覆岩结构特征。通过分析该工作面直接顶、老顶初次垮落和周期性垮落的条件,建立力学模型。对模型的受力条件进行分析,建立力学数学关系式,计算、推导得出直接顶工作面中部及煤壁处的弯矩与支护阻力关系,以及老顶初次断裂和周期性断裂的极限跨距。     

仰采,俯采老顶岩层断裂特征及对直接顶稳定性的影响

本文将倾斜长壁仰斜、俯斜开采的老顶岩层视为倾斜弹性板。当板的长短跨度之比＞２时，板的荷载主要由短跨边来承担。据此，笔者沿工作面推进方向截取单位宽度的倾斜岩梁建立了老顶初次来压和周期来压的力学模型。分析表明，仰斜开采时的周期来压步距和支承压力小于俯斜开采，两者的支承压力分布规律有明显的差别，矿压显现程度仰采较俯采严重。证实了仰斜开采时直接顶稳定性较差、顶板事故较多主要是岩层受层向分力作用和煤壁片帮所致。当层向分力与工作面推进方向一致时，直接顶的稳定性较好，反之就差。从顶板管理的角度出发，作者提出了在有条件的矿井应优先选择俯斜开采。     

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。     

复采工作面过空巷顶板稳定性

针对复采工作面过平行空巷支架支护阻力计算的问题,通过现场调研和理论分析,建立了过空巷采场基本顶破断的力学模型,提出了影响复采采场基本顶超前断裂的3个因素：复采工作面与空巷间煤柱宽度、复采工作面与周期断裂线距离、空巷宽度。通过对影响因素的力学分析,得到了基本顶超前断裂的力学作用机理：复采工作面与空巷间煤柱随回采失稳,导致顶板失去煤柱支撑,基本顶梁结构的悬臂长度增加,当悬臂长度达到周期来压步距时,悬臂梁在固支端断裂。基于Bieniawski公式,推导得到了复采工作面与空巷间煤柱失稳的临界宽度W*和复采工作面基本顶必然产生超前断裂空巷临界宽度A0。根据过空巷采场基本顶破断力学模型对基本顶来压力学模型中断裂岩块尺寸进行了针对性调整,运用调整断裂岩块尺寸后的基本顶来压力学模型计算得到了适用于复采工作面的过空巷期间支架最小支护强度为10 910.77 kN/架。圣华煤业复采工作面过空巷期间的矿压观测结果表明：工作面过空巷期间,最大工作阻力为9 656 kN/架,支架支护强度计算合理。     

错层位接续工作面基本顶的断裂垮落及其分类

 采场上覆岩层顶板的划分具有重要的意义。现有的划分方法基于采高、松散系数的判定,并且此类研究在厚煤层一次回采的应用中已证明存在一定的局限性。错层位巷道布置采全厚采煤法与以往的厚煤层整层回采方法在接续工作面存在本质的不同,理论分析及相似模拟实验表明,在该技术的接续工作面上覆岩层随着回采空间的增加,随采随冒的直接顶厚度显著增加,并且达到首采工作面上覆稳定岩层层位时为一个分界点。拟通过理论分析并总结相似模拟试验现象,立足于直接顶和基本顶的定义及特点,以弹性薄板力学及关键层理论作为研究的基础,对错层位巷道布置采全厚采煤法接续工作面顶板进行科学的分类划分,并且结合影响基本顶破断、垮落的所有因素综合分析,从而在工作面长度等因素与基本顶板来压显现中建立一个科学的判定关系,为实际生产提供一定的理论依据。     

复杂条件综放工作面矿压显现特征

根据乌兰煤矿3^#煤层5343综放工作面的复杂开采条件，采用现场矿压观测和数值模拟方法，对该工作面的矿山压力显现特征进行研究．结果表明，工作面顶板初次来压步距24．2m，周期来压步距9．41m，来压期间支架最大平均载荷2775．5kN／架，支架的侧向挤压力较大，工作面片帮冒顶严重，工作面顶板管理难度大．由于受顶板稳定性较高和煤层倾角较大的影响，与一般的松软煤层综放工作面相比，该工作面的矿山压力显现相对比较剧烈，顶板来压强度较大，工作面存在明显的周期来压现象．     

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。     

基于黏弹性基支薄板模型的顶板力学分析

老顶力学模型采用薄板模型,根据弹性力学中的最小势能原理,求得基于文克勒弹性地基薄板模型的顶板位移函数。将支撑老顶的直接顶与煤层视为黏弹性基础,基础模型为广义开尔文模型,在弹性地基薄板模型分析结果的基础上,根据“弹性-黏弹性”对应原理,通过拉普拉斯变换法得到了基于黏弹性基支四边固支薄板模型的老顶位移、应力的解析解,为分析顶板稳定性及预测老采空区的地表沉降提供一定的理论依据。     

坚硬顶板断裂及能量转化分析

为了揭示坚硬砾岩顶板断裂的应力演化及能量转化规律,根据2334综采工作面工程条件,运用离散元程序UDEC对不同厚度条件下的坚硬顶板开采活动进行模拟。结果表明,随着基本顶厚度的增加,工作面初次来压步距、周期来压步距均随之增加;通过增加基本顶断裂运动过程的能量消耗、降低外部载荷对基本顶的能量输入效率、降低自身的重力势能等措施可以降低基本顶断裂时能量的释放。