综放面顶板结构研究

综放工作面推进过程中顶板破断后形成的岩体的平衡和失稳的动态过程形成了顶板结构的平衡和失稳。顶板结构的这种平衡、失稳特点引起了工作面和巷道围岩变形过程中的矿压显现特征,对顶板结构及其运动特征的研究,有利于综放工作面围岩控制技术的发展。１顶板结构特征由于...     

大跨度巷道顶板层面剪切失稳机理及支护方法

针对煤层巷道顶板的层状特征,基于梁的受力-变形原理和岩体粗糙结构面剪胀原理,分析大跨度巷道薄层状顶板结构在整个失稳过程中的受力特征和位移特征,揭示了大跨度巷道顶板结构在失稳过程中依次存在两端固定梁结构特征和三铰拱结构特征2个阶段,以及顶板岩层层面相对滑动是导致巷道顶板结构失稳的原因之一;在建立结构平衡条件的基础上给出了顶板基本结构的失稳判别条件;根据失稳判别条件提出了巷道顶板的锚固支护方式及相应的锚固强度计算公式。研究表明:岩层沿层面的滑动是引起巷道顶板岩层结构的失稳原因之一,层面的滑动引起剪胀效应和结构受力效应共同作用引起顶板岩层变形破断以致形成三铰拱结构;当巷道顶板岩层未发生破裂时,巷道顶板支护的重点是提供锚固应力维持层面满足不滑动条件。     

老顶结构变形失稳的突变模式与顶板分类指标

本文借助突变理论这一现代数学工具分析了工作面顶板周期性断裂后形成结构的变形失稳影响因素，据此对顶板分类作了一定分析和讨论。对防止工作面顶板事故有一定实际意义。     

浅埋煤层采场老顶周期来压的结构分析

建立了浅埋煤层采场老顶周期来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构模型,分析了顶板结构的稳定性,揭示了工作面来压明显和顶板台阶下沉的机理是顶板结构滑落失稳,给出了维持顶板稳定的支护力计算公式,为浅埋煤层顶板控制定量化分析提供了理论基础。     

急斜特厚煤层综放开采顶板动态运移规律及其控制

为研究急斜特厚煤层综放开采顶板的运移规律，以乌鲁木齐乌东煤矿北采区45o特厚煤层为研究背景，通过物理相似模拟、数值模拟以及理论分析的方法进行研究。研究结果表明：急斜特厚煤层水平分段综放开采时，采空区顶板在倾斜方向的不同层位上表现出不同的运移特征；顶板从空间上依次可分为挤压失稳区、滑移失稳区、回转失稳区；获得挤压失稳区顶板的变形挠曲函数，滑移失稳区顶板失稳的必要条件以及回转失稳区顶板发生2次断裂的位置；最后提出了对顶板实施井下与地表相结合的弱化方案并进行了优化。揭示了采空区顶板随工作面的推进，顶板将在空间上产生“挤压-滑移-回转”有规律的交替运动。研究结果可为采空区顶板的治理以及巷道围岩稳定性控制提供参考。     

回采煤巷大厚度泥质层状顶板失稳机理及控制对策

针对具有强度低、层间作用弱、分层厚度小而累计厚度大等属性特征的大厚度泥质层状顶板易变形、难支护特点，以赵庄矿33053回采煤巷为工程背景，根据煤巷工程地质环境、支护方式及顶板失稳特征，构建煤巷顶板岩梁文克尔地基模型并求解出挠度表达式，分析了煤巷顶板岩梁挠曲下沉特征及其关键影响因素，揭示了煤巷大厚度泥质层状顶板的失稳机理。基于锚杆(索)的组合和压缩效应提出了结构与预应力均连续的顶板梁-拱耦合承载结构，阐明了浅部岩层组合压缩承载梁结构与深部岩层压缩承载拱结构的形成机制及二者间的耦合作用机理。现场工程应用结果表明：大厚度泥质层状顶板煤巷采用不同长度预应力锚索配合锚杆支护，在整个使用周期内围岩变形量明显减小、锚杆(索)破断率显著降低，有效确保了煤巷围岩的稳定性。     

煤巷复合顶板变形破坏规律分析

基于现场实测巷道顶板变形规律提出了一个更为切合实际的煤巷复合顶板的概念。基于煤巷复合顶板破坏前及破坏的临界状态各岩层的变形曲率相同条件下,将顶板所受的荷载分配到各岩层中,进而分析复合顶板各岩层的受力状态。根据复合顶板的受力特征及其变形破坏规律,一般认为,复合顶板中软弱夹层因其自身强度低、厚度薄,巷道开挖后先将破坏,降低了顶板的整体刚度,使顶板结构弱化,从而产生较大的二次变形,随着顶板中的其他岩层应力变化,若顶板能够承受围岩荷载,则经应力变化顶板变形趋于稳定;若顶板不能够承受围岩荷载,则经应力变化顶板剧烈变形并失稳,提出了复合顶板有经过结构承载调整—结构刚度弱化—结构失稳的变形破坏规律。     

两煤层坚硬顶板联动冲击致灾机制

针对宽沟煤矿“3·7”、“3·8”震动事件呈现短时间隔“连锁”效应的现象,采用现场实测方法研究两煤层开采后的岩层结构特征,采用理论分析、微震监测的方法分析了两煤层开采形成的结构形态与失稳演化过程,基于数值模拟方法揭示了两煤层开采坚硬顶板联动效应引起的煤体应力演化过程,提出了两煤层联动冲击致灾机制。研究表明:I010203面形成了侧向悬顶的结构,实测确定了结构Ⅰ的悬顶长度为18.5~37.5 m,两煤层坚硬顶板呈现由低位向高位、煤柱侧向实体侧失稳的演化过程,揭示了两煤层坚硬顶板联动演化过程;通过数值模拟、采前PASAT探测获得了结构Ⅰ和结构Ⅱ联动过程的应力演化特征,认为岩层结构的变化是煤(岩)体应力的演化的重要原因,联动过程临空巷道应力不断升高,加剧了工作面冲击危险性;两煤层开采扰动致使坚硬顶板联动,剧烈释放结构Ⅰ与结构Ⅱ积聚的弹性能,诱发高静载条件的临空巷道冲击显现或局部巷道变形。     

顶板结构稳定性与顶煤放出率关系探讨

综放采场顶煤放出率控制着采空区的充填状况，从而影响着大厚度坚硬顶板的稳定性。本文建立了周期来压阶段综放采场顶板结构整体变形失稳和局部铰接失稳的力学模型；根据结构稳定理论和强度理论，得到了保持顶板结构整体变形稳定和岩块局部铰接稳定的力学和几何条件，从而建立与顶煤放出率相关的综放采场顶板稳定性判断准则；结合具体采场实例，给出了与顶煤放出率相关的综放采场顶板稳定性判断曲线和方法，为现场针对不同顶板设计合理的顶煤放出率，从而实现顶板的安全控制提供理论依据。     

老顶结构变形失稳的突变模式与顶板分类指标

本文借助突变理论这一现代数学工具分析了工作面顶板周期性断裂后形成结构的变形失稳影响因素，据此对顶板分类作了一定分析和讨论，对防止工作面顶板事故有一定实际意义。     

放顶煤采场顶板运动规律的研究

利用离散元和有限元数值模拟及力学解析计算，分析了放顶煤采场中上覆岩层运动规律；认为采场上覆岩层运动为分层运动，运动结构为拱－梁结构；拱－梁转换的实现，是以拱顶的失稳升高为条件，在分析了影响顶板运动的主要因素（顶板岩层断裂角、放煤步距、顶板岩层块体尺寸、顶煤厚度）的基础上，认为放煤步距过大（≥２ｍ）会降低放煤率，增大老顶垮落的动压冲击程度。放顶煤工作面与非放顶煤工作面的区别是，采空区充填系数小，顶板岩层运动剧烈，走向方向超前支承应力峰值较大。     

单向应力作用下地下采空区顶板破坏规律特征

针对单向应力作用于地下采空区顶板的破坏规律特性问题，基于弹性薄板理论和压力拱理论，利用单轴压力试验机方法对顶板模型进行了试验，并探究了不同荷载条件下顶板模型的受压过程和变形特性。主要结论如下：顶板的破坏过程与峰值应力是否超过疲劳强度密切相关，超过疲劳强度时会出现加速破坏阶段；顶板的变形过程可以分为三个阶段，分别对应于不同的应力和应变变化规律；顶板的失稳破坏位置与荷载条件有关，周期荷载条件下更容易导致整体垮落塌陷；侧帮支撑作用对顶板的承载能力和稳定性有正面影响，但也会增加应力集中和变形。研究结果对于理解顶板在不同荷载条件下的力学行为和提高顶板的安全性具有重要意义。     

高应力坚硬顶板切顶沿空留巷矿压规律研究

为了解决矿井采掘接替紧张、巷道围岩控制困难等问题，以某矿21100工作面运输巷为工程背景，提出采用切顶沿空留巷技术。理论分析了沿空留巷围岩结构运动特征，对切顶沿空留巷围岩变形情况进行数值模拟分析，提出沿空留巷围岩治理措施，并在现场进行了工程应用。研究结果表明:工作面基本顶“O-X”破断、采场周期来压引起留巷巷道上方基本顶岩层失去稳定性；提出以“切、补、护、支”为主的留巷围岩控制方法；留巷段两帮移近量最大为80 mm，顶板下沉量最大为138 mm，锚索最大应力237 kN，顶板全长累计离层量32 mm。研究可为类似地质条件下的切顶沿空留巷提供参考。     

紫金山金矿地下采空区顶板上露天台阶失稳的控制

从工程结构和岩体稳定的理论角度，分析紫金山金矿开采方式转型后的露天作业台阶失稳及其危害，阐述地下采空区顶板的露天台阶失稳原因与规律，提出了露天台阶失稳的危害预防与控制方法，运用各种技术手段核查，实测采空区和暗空区状况，控制采空区顶板稳定性，确定合理的最小安全厚度，是控制台阶失稳的有效措施。     

水沙涌入工作面顶板结构稳定性分析

为解决西部矿区水沙涌入工作面的顶板控制问题,建立了“凸起”结构模型,解释了物体间摩擦因数的力学机理和水沙涌入工作面的顶板稳定性问题,并通过室内实验验证了模型的正确性。系统地研究了物体表面凸起结构、水、干沙、湿沙、水沙等对摩擦因数的影响,分析了水沙降低岩块间摩擦因数的作用机理。即水沙的侵入会在接触面间形成伪凸起结构,使得凸起方向角趋近于0,并且由于水对凸起抗剪强度的降低和砂砾的磨蚀加剧了这个趋势,最终使得摩擦因数大幅降低。解释了粗糙面摩擦因数高于光滑面的原因,分析得出水沙涌入面开采时,不易发生变形失稳、易发生滑落失稳以及来压剧烈、台阶下沉现象的原因。并且岩块在初始断裂时,凸起契合接触最完美,启动摩擦因数最大,这点对于维护顶板稳定尤为重要,现场可采用充填采空区、加强支护等措施最大限度的维持启动摩擦力。同时,水沙中含水分越多,摩擦因数越低,因此,水沙涌入面排水也很关键。     

深部厚煤层巷道失稳破裂演化过程离散元模拟研究

为研究深部厚煤层巷道围岩失稳破裂演化过程,以某煤矿厚煤层巷道为工程背景,采用离散元中随机分布三角形单元块体集合模型研究巷道开挖失稳。对深部厚煤层巷道围岩失稳破裂过程中位移、应力演化规律分析发现:两帮围岩水平应力释放相对于顶底板剧烈,竖向应力反之;围岩竖向应力释放的主要部位是巷道中部。结果表明,深部厚煤层巷道失稳破裂演化的2个主要特征为:1)顶板出现"尖顶型"垮冒,巷中是围岩失稳的关键部位;2)顶底板离层破坏严重。并对其相应机制进行分析:顶底煤岩松散破碎,自稳能力差,顶底板径向应力释放相对剧烈,巷道矩形断面顶、底板受力能力差等因素,导致围岩顶底板离层变形。基于深部厚煤层巷道失稳破裂的演化规律,给出锚索悬吊组合支护方式,结果表明该支护方式可有效地控制厚煤层巷道变形。     

Roof structure theory and support resistance determination of longwall face in shallow seam

Introduction　　IntheprocessofexploringthegreatshallowcoalfieldinNorthShaanxiProvince ,theintensityroofweight ingbehavior ,suchasbigroofstepsubsidenceatcoalface ,greatdynamicpressure ,etcarerevealed .Inthebe ginningof 90’s ,wehadmadeinitialresearchonthelawoffacesupportpressureandroofmovementoflong wallfaces[1,2 ] .Attheendof 90’s ,themechanismofroofweightingandtheroofstructuretheoryhadbeencarriedout .Finally ,tworoofstructuremechanicalmodelswereadvanced ,oneisthestructuremodelofasym metrya…     

基于突变理论的两断层中间区域重叠顶底板稳定性分析

为了实时保障位于两断层中间区域矿体开采时采场内作业人员和设备的安全。根据采场顶板破坏特征，结合数值模拟分析结果，运用结构力学分析方法，将采场重叠顶底板简化为固支梁力学模型。基于尖点突变理论，构建采场重叠顶底板的尖点突变模型，在充分考虑断层作用下采场重叠顶底板两端所受拉应力的前提下给出了采场重叠顶底板的失稳判据，为实时判断采场重叠顶底板稳定性提供了一个简单及时有效的计算公式，并通过工程实例验证了计算公式的准确性。结果表明：特殊断层会加大顶板岩梁受到的拉应力与X方向位移，且在重叠顶底板厚度一定的情况下，顶板受到的拉应力与X方向位移越大，重叠顶底板越容易发生失稳。     

软弱再生顶板巷道围岩失稳机理及其控制原理与技术

针对软弱再生顶板巷道围岩大变形问题,结合现场调研、室内试验、理论分析等手段研究了软弱再生顶板围岩失稳机理,并提出了针对该类围岩的控制原理、支护原则和支护技术。研究表明:软弱再生顶板具有自稳平衡拱结构,但极其不稳定。在扰动作用下快速松散、破碎,表现出局部到整体的连锁失稳特征。基于再生顶板围岩条件提出再生顶板"抛物线-半双曲线"扩展力学模型,即再生顶板平衡拱边界在纵向上以"抛物线"形式向上扩展,横向上以"半双曲线"形式延伸。巷道底臌使得两帮整体下沉或两帮肩角处破坏造成再生顶板自稳平衡拱结构不断地向围岩深部转移。根据该模型计算发现,此时棚架上的载荷增加更快。再生顶板松散范围的非线性增加使得棚架上的荷载急剧增加,围岩变形量增大,最终导致巷道整体失稳。因此,提出了"护底→固帮→控顶"的软弱再生顶板围岩控制基本原理。结合州景煤矿再生顶板巷道实际情况,通过疏干排水防止底臌、改善棚架结构加强帮、顶支撑,形成了"强化整体约束、优化棚架结构和架间协同控制"的支护原则,具体形成了"双层金属网+预支撑囧型棚架+可缩性纵向连接器"的组合支护技术,经工程试验表明该支护技术可有效控制软弱再生顶板巷道围岩初期的稳定,后期回采时建议采用"三支一体"支护体系进行加强支护,控制再生顶板围岩回采期间的稳定。