长壁面膏体充填采场覆岩结构及其运动演化规律

采用相似材料模拟方法,研究了长壁工作面膏体充填采场覆岩结构演化和覆岩移动规律,研究结果表明:充填采场覆岩结构演化和覆岩移动有别于常规采场,充填采场覆岩结构主要是以拱的形式进行演化,而不是铰接岩梁的形式;覆岩移动则主要是以离层的形式由下向上逐渐发展,并且上位岩层的离层是在下位岩层离层闭合的基础上产生的。     

大采高顶板控制模型及支架合理承载研究

运用"传递岩梁"理论建立了大采高采场结构力学模型,探讨了大采高采场的覆岩结构及运动规律,修正了大采高下直接顶及基本顶概念,确立了支架载荷的计算方法.研究表明:"给定变形"状态,支架缩量应大于顶板下沉量;"限定变形"状态,支架阻抗力与岩梁位态有关.采高增大,直接顶厚度可能大幅度增加,直接顶中出现大跨度悬顶坚硬岩层的几率增大.影响采场矿压显现的"传递岩梁(基本顶)"范围相对减少,相关"岩梁"距采场的高度增大.准确地确定悬顶位置、厚度及可能的最大悬跨度是大采高采场顶板控制设计及支架选型计算的关键.     

大采高采场力学模型及支架工作状态研究

以大采高岩层运动及应力分布规律为核心,运用“传递岩梁”理论对大采高综采工作面上覆岩体破断类型及其平衡结构进行分析,研究建立了大采高采场结构力学模型,探讨了大采高采场的覆岩结构及运动规律,详细分析了“给定变形”、“限定变形”两种力学状态下支架工作荷载即缩量确定方法,修正了大采高下直接顶及基本顶概念,确立了支架载荷的计算方法。研究表明：采高增大,直接顶厚度可能大幅度增加,直接顶中出现大跨度悬顶坚硬岩层的几率增大。影响采场矿压显现的“传递岩梁（基本顶）”范围相对减少,对采场矿压有明显影响的岩梁距采场的高度增大。准确地确定悬顶位置、厚度及可能的最大悬跨度是大采高采场顶板控制设计及支架选型计算的关键。     

大采高工作面冒落带动态分布特征及确定方法

根据大采高工作面采空体积大及其矿压活动特点,将工作面覆岩分为直接顶内有结构岩层和无结构岩层两类,考虑采空区冒落矸石自重压缩和结构岩层失稳向采空区施加荷载,建立了两类结构不同开采阶段冒落带动态分布方程,揭示了采空区冒落带动态分布特征。结果表明:大采高工作面覆岩采空区冒落带呈明显的动态变化特征;冒落带高度变化与覆岩结构岩层厚度、容重、工作面开采时间、冒落矸石初始碎胀系数及压缩模量相关;基本顶砌体梁结构破断前冒落带在短时间内急剧增大,并达到极值,该阶段冒落带矸石自重压缩增加了采空高度使冒落带进一步增加;基本顶砌体梁结构回转载荷和直接顶内结构岩层滑落失稳施加的动荷载,对采空区矸石压缩作用受岩层厚度、容重及持续时间决定;整体下沉阶段冒落带高度随开采时间的增加而缓慢下降,一定时间后趋于稳定。     

特厚煤层大采高综放工作面覆岩上层活动规律的相似模拟研究

新疆哈密煤业集团硫磺沟矿4号煤层厚度为14～20m,为掌握该特厚煤层综放工作面上覆岩层活动规律以及支承压力分布特点,采用物理相似模拟方法进行了研究,研究结果表明,特厚大采高综放工作面的上位岩层可以形成稳定拱结构,而在稳定拱大结构之下,断裂岩梁形成多跨梁的结构.大采高综放采场上覆岩层的这种结构的变形和失稳将决定采场的支承...     

采动覆岩活动规律的非连续变形分析动态模拟

在现场观测的基础上,采用非连续变形分析（DDA）,分别对初次来压前和周期来压前采场上覆岩层的变形、结构模式、形态与关键层等进行动态模拟。结果表明：DDA模拟显示了随着工作面的推进,上覆岩层变形、破裂、结构、运动的动态过程,模拟是可行的;初次来压前,上覆岩梁移动间步协调一致,且布置在梁中部咬合处下方的监测点1和2的垂直位移几乎相等,说明断裂岩梁在此处互相联锁咬合而取得平衡,从而形成了具有3个咬合点的“三咬拱”结构;周期来压前,各监测点垂直方向的位移、速度、加速度特性曲线形状极为相似,表明断裂岩梁在移动下沉过程中,同步协调一致,仍然处于联锁咬俣状态,且随着岩梁的下沉运动,位移与速度有趋于定值的趋势,说明岩梁形成了咬合岩梁结构;采场上覆岩层中的关键层在上履岩层活动的一某一阶段起主要承载作用。     

采场覆岩悬跨稳定性计算模型及其应用

本文在原有现场实测资料基础上，建立了将采场上覆坚硬岩层组视为多层组合含跨弹性基础岩梁的计算模型，并编制了专门计算分析程序。运用该计算模型着重分析了坚硬岩层组的各层挠度增减交叉特征、层间离层条件、层间作用力分布和岩梁载荷计算的新方法，使得顶板覆岩的极限跨距和老顶初次来压步距的计算预测方面取得新的进展。     

大倾角煤层俯斜开采覆岩运动规律相似模拟

以大倾角煤层俯采采场为研究对象,采用相似材料模拟和理论分析的方法研究了采场覆岩垮落规律以及空间结构动态演化规律,以此为基础建立了覆岩空间结构力学模型。结果表明:俯斜开采顶板来压步距较长,基本顶初次来压步距约50 m,周期来压步距约25 m;采场覆岩空间结构是不断演化的,最终将形成多个不同层位的基本顶岩梁结构和1个横贯整个采场的"非对称裂隙拱结构",采场中上部原下位基本顶岩梁会转化为冒落带,基本顶岩梁呈"阶梯状"沿倾向向上位岩层发展。采场下部区域,拱脚支承位置低,约束程度强,但容易产生煤壁片帮和架前冒顶,需加强"支架-围岩"系统的稳定性控制。     

浅埋煤层群重复采动覆岩运移及裂隙演化规律研究北大核心

为了准确掌握单一煤层和煤层群开采覆岩裂隙演化规律及分布形态特征,通过物理相似模拟实验、现场钻孔勘探、理论计算等方法分析煤层开采过程中覆岩运移破断特征及采动裂隙的分布形态。结果表明:在重复采动条件下,覆岩出现离层裂隙和纵向裂隙并伴随超前裂隙的产生,形成“采空区-工作面”和“采空区-采空区-工作面”结构时,覆岩裂隙经历产生、扩张、闭合、再产生、贯通、再闭合等6个动态循环变化阶段;煤层群在一次采动时形成“梯形”裂隙区,二次及多次采动下,覆岩受上覆载荷作用,裂隙区向工作面两侧煤柱扩展,上煤层受本煤层边界煤柱和下煤层开采形成的“悬臂岩梁”支撑影响,使工作面两侧裂隙明显高于工作面中部,覆岩形成“M”形裂隙分布形态;覆岩受采动影响产生周期性破断,以单岩层或多岩层同时产生变形、运移、破断垮落,由此可见,覆岩中存在控制上部岩层的硬岩层和其控制岩层以组合梁的形式同步运移、破断。根据覆岩破断特征建立了基于Winkler弹性地基煤层群重复采动覆岩破断特征的组合岩梁力学模型,由模型计算得到覆岩裂隙演化高度和相似模拟实验及现场所测高度相近,由此表明,该模型可作为浅埋煤层群重复采动覆岩裂隙演化高度计算的依据。     

采场覆岩破断与应力演化的梁拱二元结构及岩层特性影响机制

长壁采煤方法在我国井工煤矿得到了广泛应用,其回采过程伴随着覆岩运移破断与采动应力演化的耦合作用过程.针对这一伴生性科学问题,以典型地层的采场覆岩为例,揭示了采动应力场宏观形态的演化特征及产生机理,阐释了厚硬岩层对于宏观应力场演化的影响机制.研究结果表明,覆岩破断表现为梁拱二元结构,即:上覆岩层破断后块体堆积形态外表似梁,而以裂隙带为代表的覆岩呈应力拱式传力机制,无论是破断前还是破断后,以关键层为代表的厚硬岩层都是采动应力场内重要的承载骨架.究其原因,一是岩层内部主应力迹线呈拱形分布特征;二是同步弯曲的岩层组内各岩层的弯矩、最大弯曲正应力均与岩层自身的厚度、刚度呈正比关系,故此关键层等厚硬岩层的受力明显高于厚度小、刚度低的邻近岩层,致使其破断前后形成拱形、反拱形等主体承载结构,对覆岩运移破断及采场矿压显现有显著影响.     

岩层移动理论与力学模型及其展望

随着社会对开采沉陷与生态环境问题日益重视,"科学采矿"势在必行。面对新形势,需要在学习前人研究成果的基础上,进行更系统、深入的研究。首先系统总结了国内外垮落法和充填法处理采空区2种情况下的岩层移动理论、优缺点及其适应条件等,重点阐述了关键层理论在岩层移动方面发挥的重要作用。基于采动岩体力学,系统分析了基本顶断裂位置和断裂步距"正态分布"变化的原因。基于采动岩层破断移动的全过程分析和前人的研究成果,提出了充分采动覆岩整体移动的"类双曲线"模型,认为岩层"类双曲线"的焦点位于主关键层位置,该模型通过关键层把砌体梁理论及地表沉陷理论有机联系起来,描述了煤层上覆岩层整体移动规律,是关键层理论的继承和发展。     

大采高综采面坚硬顶板破断特征相似模拟研究

为保障神农煤业15102工作面安全高效回采,采用相似模拟的方法,研究了大采高综采面坚硬顶板破断特征。研究表明,工作面推采初期,低位岩层逐渐出现离层,垮落岩块充实采空区,随着工作面推辞,低位岩层层间裂隙逐渐闭合,高位覆岩出现层状垮落,工作面推采结束后,在工作面端头形成传递岩梁结构,研究成果为工作面开采工艺和支架选型提供参考。     

关键层理论在采场底板突水危险性评价中的应用

基于岩层控制中的关键层理论,采用砌体梁理论对底板关键层破断块体的稳定性进行了分析,从而对采场底板突水危险性做出评价。结果表明,底板关键层破断岩块的高长比越小,其形成的砌体梁结构抗滑落失稳的能力越大;关键层破断后互相咬合中间上浮量达△时,就形成了岩块结构的变形失稳。所以根据底板关键层破断岩块的高长比及岩块间咬合中间上浮量,可以判断采场底板突水的危险性。     

沟壑地貌对上覆岩层破断角的影响研究

基于沟壑地貌对采场矿压显现有较大影响的工程实际,以王家岭煤矿12309工作面为研究对象,采用理论计算与相似材料模拟的方法,针对沟壑地表对岩层破断角的影响规律进行了研究。结合弹性力学及岩石力学理论,建立了岩梁破断角力学模型,推导出了包含岩梁破断角α与岩梁承载载荷q、岩梁抗拉强度R_T及岩层内摩擦角φ的岩梁破断角的理论公式。岩层破断角α随抗拉强度R_T的增加而呈对数函数形式增加。岩层破断角α随岩层载荷q的增加呈现二次函数形式减小,且岩层破断角α范围在60°～70°之间。相似材料试验表明:谷底处应力大于坡顶,上坡开采阶段裂隙更为发育,且关键层下沉量较大,谷底处有应力集中现象,同时通过相似模拟试验验证了破断角计算公式的合理性。     

采场覆岩悬跨稳定性计算模型及其应用

本文在原有现场实测资料基础上，建立了将采场上覆坚硬岩层组视为多层组合含跨弹性基础岩梁的计算模型，并编制了专门计算分析程序，运用该计算模型着重分析了紧硬岩层组的各层挠度增减交叉特征，层间离层条件，层间作用力分布和岩染载荷计算的新方法，使得顶板     

《采场上覆岩层活动规律》研究获国家自然科学三等奖

第四次国家自然科学奖评选最近在北京揭晓。中国矿大钱鸣高、李鸿昌、朱德仁、赵国景研究的《采场上覆岩层活动规律》荣获三等奖。《采场上覆岩层活动规律》系统地研究了采场矿山压力及其控制问题,发现了已破断的岩块互相挤压后形成“砌体梁”平衡结构,根据老顶所处的各种边界条件,获得了老顶作为“板”形式的各种破断方式及规律,提出了弹性板和梁的力学模型。这一研究成果达到国际先进水平。     

含水流层下采面矿压显现

通过对葛店矿２４０２１面的实测，得出了工作局矿压显现的一般规律，特别分析了冒高与采高之间的关系，初步给出了上覆岩层岩梁的结构模式，对指导含水波层下开采及改善采场支架布置提供了依据。     

含水流砂层下采面矿压显现

通过对葛店矿２４０２１面的实测，得出了工作局矿压显现的一般规律，特别分析了冒高与采高之间的关系，初步给出了上覆岩层岩梁的结构模式，对指导含水流砂层下开采及改善采场支架布置提供了依据。     

充分采动阶段覆岩多层空间结构支承压力研究

将采场上方直至地表的岩层视为采场上方的覆岩空间结构,基于微地震定位监测,圈定采场覆岩多层空间结构的范围,研究覆岩空间结构岩层运动发展规律,建立覆岩空间结构走向支承压力模型;利用力学方法,得到走向支承压力计算公式;利用上述计算方法,研究了新汶矿业集团华丰煤矿1410工作面走向超前支承压力分布规律,并与现场微地震监测结果进行了对比分析.研究表明：上述方法适用于深部采场岩层运动范围扩展后的充分采动阶段采场走向支承压力的估算和预测.     

顺层边坡岩体结构变形分叉灾变特性研究

视顺层边坡岩层为岩梁结构，讨论了岩梁变形的前屈曲状态和后屈曲稳定状态的分叉特性，建立了岩层结构发生灾变的判据。