压力拱理论在采场地压分析中的应用

某矿21141工作面的推进,致使原有孤岛面积进一步减小、围岩支撑动压增加。为探讨工作面推进对采场地压的影响,本文利用数值模拟技术和压力拱理论,分析了采场围岩应力变化状况;讨论了采场支撑动压对围岩压力拱的影响,获得了采场围岩应力变化状况。     

工作面推进速度对采场前支承压力的影响研究

为了研究工作面推进速度对采场前支承压力的影响规律,以弹性地基梁为力学模型,从动力学的微分方程出发,系统研究了不同工作面推进速度采场前支承压力的三维分布形态。通过与数值模拟比较证明支承压力的力学表达式是可靠的。     

极近距离厚煤层交错采场覆岩破坏数值模拟

为了研究极近距离厚煤层交错采场覆岩破坏的规律,采用压力拱理论对采场开采过程中的覆岩破坏结构的演化进行了分析,通过FLAC3D建立开采模型,得出下部工作面距上部采空区较远时,其覆岩破坏结构具有相对的独立性,当推进一定距离时,应力集中系数1.8左右,垮度和拱高趋于稳定;当下部工作面接近上部采空区时,上下距离在40 m左右范围内,集中系数为3.3左右,随距离减小,集中系数继续加大,易导致两结构拱贯通;当下部工作面位于上部采空区下时,处于卸压状态,应力集中系数较小,即将穿过采空区时,应力集中系数为2.3,主要是因为两采场开采空间的叠合。     

浅埋近水平煤层采场覆岩压力拱结构特性及演化机制分析

通过分析浅埋近水平煤层开采覆岩结构及破坏的特点,在压力拱和关键层理论的基础上建立了浅埋近水平煤层采场覆岩压力拱结构模型;认为该压力拱结构在工作面长度和推进方向上具有左右对称特征,压力拱发育至关键层后若关键层破断则基于破断位置重新起拱,若不破断则拱顶位于关键层附近,该压力拱结构模型能较好描述浅埋近水平煤层开采覆岩破坏形态。基于上述模型,分析了压力拱结构层和覆岩破坏区演化的突发性和阶段性特点,推导出了结构层压力拱轴线方程和覆岩破坏范围计算判据,分析了压力拱的极限变形量,给出关键层破断对压力拱发育影响的分析计算方法;通过对大柳塔矿52505工作面采场覆岩数值及理论分析,关键层破断后没有形成完整压力拱结构,导致地表出现塌陷。     

综放工作面及其围岩宏观应力壳力学特征

采用大型非线性三维计算机数值模拟、实验室相似材料模拟对综放工作面围岩应力分布进行了深入研究，发现综放工作面围岩存在高应力束组成的宏观应力壳，应力壳位于采场四周未采煤岩体和弯曲带内，其形态随工作面推进采场结构的变化而改变.应力壳承担并传递上覆岩体荷载和压力，是最主要的承载体，应力壳拱脚处应力形成采场四周围岩支承压力.砌体梁结构位于宏观应力壳下的减压带内，砌体梁仅承担壳体下岩层部分荷载.综放工作面主要力学特征是位于上覆围岩宏观应力壳保护下的低应力区内，这正是综放工作面矿压显现趋于缓和的根本原因.基于对应力壳体的发现和开展的一系列分析，揭示了综放采场顶煤“垫层”作用的力学本质.     

大采高采场三维应力分布规律数值模拟研究

以谢桥煤矿1232(3)工作面地质条件为基础,利用数值模拟方法研究该工作面采场的三维宏观力学特征,揭示了大采高综采工作面开采过程中工作面煤岩层三维应力分布规律。研究表明:顶板岩层中的最大主应力作用位置位于煤层内最大主应力作用位置前方,采场空间围岩内存在椭球形状的应力拱壳结构,工作面位于压力拱壳结构内部的低应力区。     

不规则采场应力分布特征的面长效应

为了研究煤层开采过程中采场覆岩破坏与超前应力之间的关系,采用FLAC3D软件对不同面长条件下采场前方支承压力与水平应力的分布特征和动态演化过程进行数值模拟,并从理论层面分析了不等长工作面力学效应与岩层活动存在的规律。结果表明:工作面推进长度直接影响采场前方的应力分布,当工作面推进到"见方"期或推进距离是工作面斜长的整数倍位置时,应力急剧增大;采场覆岩的变形与破坏是水平应力和支承压力共同作用的结果;不规则工作面推进过程中,在对接面前后20~30 m的范围内应力过度集中,数值波动较大;等长工作面在顶板管理与围岩控制效果方面较不等长工作面有着明显优势。工程实例验证了结论的可靠性。     

顶板断裂机理的离散元数值方法研究

在总结分析我国顶板断裂方面研究成果的基础上，采用离散元数值计算方法，分析了回采工作面顶板的受力变化及破断位置的变化规律，验证了采场压力分布的拱式效应，提出了动态拱、稳定拱等概念，解释了顶板断裂机理。     

近距离煤层综采工作面侧向压力分布规律

为确定木瓜煤矿近距离煤层综采工作面区段煤柱的合理宽度,基于矿山压力与岩层控制理论,建立了侧向岩层断裂的三角块结构力学模型,确定基本顶沿工作面推进方向断裂长度和沿侧向断裂跨度为11.9 m,三角块在煤体中的断裂位置为11.5 m;同时应用数值模拟的方法,建立采场三维力学模型,得出随采场推进巷道侧向支承压力峰值为20 MPa、应力集中系数最高2.55和塑性区范围10 m左右,最终确定区段煤柱的合理宽度为18 m,经现场检验回采巷道受综采工作面采动影响小。     

薄基岩厚松散层深部采场裂隙带几何特征及矿压分布的工作面效应

针对薄基岩厚松散层深部长工作面矿压显现规律状况,在压力拱假说、应力壳理论和普氏理论基础上建立采场裂隙带几何模型,推导出工作面覆岩裂隙带计算公式,结合数值模拟对几何模型及工作面覆岩裂隙带公式进行验证,并对工作面覆岩裂隙带高度及矿压显现程度的影响因素进行分析。结果表明:采场裂隙带几何模型较为合理,与采场上覆岩层裂隙带空间分布特征相一致;工作面覆岩裂隙带公式具有一定的适用性,可解释工作面方向上"抛物线"状的矿压显现规律;工作面覆岩裂隙带高度和矿压的比例系数最小值及变化率与工作面长度呈负相关,与采高及采深基本不相关;工作面覆岩裂隙带高度及矿压,强线性相关于采高、岩层硬度系数,弱相关于工作面长度和采深。