考虑两侧煤柱与弹性煤体基础的基本顶板初次破断特征

建立考虑两侧煤柱支撑与实体煤作为弹性基础的基本顶板初次断裂力学模型,采用差分算法及主弯矩破断准则计算研究得到如下结论。① 基本顶初始断裂位置为偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面(弹性基础系数k较小,基本顶厚度h、弹模E较大时),反之为偏较弱煤柱侧的长边实体煤区上表面;② 两侧煤柱的宽度L1,L2及支撑系数km1,km2改变时,基本顶中部区与实体煤区的主弯矩及位置几乎不改变,而两侧煤柱区的主弯矩及位置变化显著;③ E,h大,而L1,km1,L2,km2小时,基本顶在两侧煤柱区不断裂,破断顺序为:偏较弱煤柱侧的悬顶区中部下表面→偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面,断裂特征为非对称“=-X”型;反之基本顶在煤柱区会断裂,破断顺序为:偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面→偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面→较强煤柱区上表面→较弱煤柱区上表面,断裂特征为非对称“O-X”型;而L1,km1较小,L2,km2较大时,只较弱煤柱侧基本顶不破断,最终断裂形态为非对称“U-X”型;④ 比值k/E或k/(Eh3)不变(k,E,h改变时,km1及km2与k保持某个任意比值不变),基本顶破断规律不变。     

长边两侧采空(煤柱)弹性基础边界基本顶薄板初次破断

建立长边两侧采空(煤柱)与短边两侧弹性基础边界基本顶板结构力学模型,根据薄板主弯矩破断准则并结合偏微分方程有限差分算法计算研究了基本顶破断的影响因素及权重关系。得到:① c1与c2煤柱的支撑系数 kc1, kc2及宽度 Lc1, Lc2不仅显著影响基本顶在两侧煤柱区的主弯矩大小及位置且显著影响短边区及中部区主弯矩大小及位置;② 基本顶的弹性模量E与厚度h越大,短边实体区及两侧煤柱区的基本顶断裂线深入煤体距离越大;Lc1,Lc2越大,kc1,kc2越小,煤柱区断裂线深入煤柱距离越大;③ Lc1,kc1,Lc2及kc2较小而E,h较大时,基本顶在c1与c2煤柱区均不断裂,最终断裂形态为非对称“||-X”型;④ Lc2及kc2较大而h,E,Lc1及kc1较小时,基本顶在c1煤柱区(较弱煤柱)不断裂而在c2煤柱区(较强煤柱)会断裂,最终断裂形态为非对称“C-X”型;⑤两侧煤柱支撑系数及宽度均较大而E,h较小时,断裂形态为非对称横“O-X”型;⑥ k,kc1,kc2,E及h均改变而比值k/(Eh3)不变时（其中,比值k/kc1与比值k/kc2也不变）,主弯矩大小不变且初次破断位置不变。     

基本顶板结构初次破断与全区域反弹时空关系

为了研究基本顶初次破断与全区域反弹压缩场的时空关系,建立弹性基础边界基本顶板结构初次破断扰动力学模型,基于有限差分理论与主弯矩破断准则计算研究了基本顶板结构初次破断时全区域反弹压缩场的基本形态特征以及基本顶破断长度、破断发展过程及破断程度对全区域反弹压缩场的影响。结果如下:①基本顶深入煤体断裂时,在破断线外侧依次产生"半椭圆形反弹I区"、"椭环形压缩区"、"椭环形反弹II区"及"椭环形压缩区";②断裂线前侧反弹I区中部位置的反弹量最大,断裂线的两端部为压缩区;③首次断长与二次断长均较小时,破断线外围依次为"M形反弹I区"、"椭环形压缩区"及"椭环形反弹II区";首次断长与二次断长均较大时,断裂线外围依次为"M形反弹I区"、"环8字形压缩区"及"环8字形反弹II区";④基本顶破断程度越大,反弹量越大,而反弹压缩的分区特征与破断程度无关;⑤反弹II区包围了"悬顶区"且贯穿两巷及邻侧巷道区,反弹II区的内、外边界线的垂距基本相等,所以基本顶深入煤体破断时可在邻侧巷道及两巷区监测到反弹压缩信息。采用特制高精度位移传感器实验与工程实践验证了结论的合理性。形成预警基本顶大面积初次破断的"一同时与两滞后"原理及"两区域与两指标"监测位置及方法。     

充填开采采场球应力壳分布及演化规律研究

针对传统矿压理论中对采场承载体系的解析所存在的问题,本文提出采用球应力这一表征岩体三维应力及完整性状态的力学参量进行工作面围岩稳定性控制分析。基于充填采场上覆岩层结构及球应力分布的相互关系研究,认为采场围岩中存在对其稳定性起主控作用的球应力壳结构。采用FLAC3D数值软件建立了充填开采的全应变软化数值模型,模拟分析了充填开采采场球应力壳的空间分布形态及其随工作面推进的演化规律。研究表明:球应力壳由低球应力值的应力核区及核外区域所组成,球应力壳随工作面推进呈现阶段性时空演化特征,其趋稳过程历经上壳发展、上壳稳定、下壳发展及应力壳稳定4个阶段;工作面推进距离小于工作面长度时,球应力壳受开采进度影响明显,并且相对上壳而言下壳的发展具有明显的滞后性;顶底板塑性区的破坏范围与球应力核区域范围相同且随工作面的推进保持同步协调关系,扩展空间由下及上,破坏深度由表及里,破坏形式由拉及剪。     

弹性基础边界基本顶板结构周期破断与全区域反弹时空关系

为了提出预警基本顶大面积周期来压灾害的方法,采用理论计算、相似模拟与工程实践相结合的方法研究基本顶板结构周期破断与全区域反弹压缩场的时空关系并得到如下结论:(1)基本顶板结构深入煤体周期破断时,断裂线外围依次产生"Ⅰ级半椭圆反弹区"→"C形压缩区"→"Ⅱ级C形反弹区"→"C形压缩区"。(2)断裂线前侧的Ⅰ级反弹区中部反弹量最大,断裂线端部为压缩区;Ⅱ级反弹区内外边界线的间距基本相等,且反弹量先增大后减小。(3)一次破断形成的反弹压缩区形态与分次破断形成的不同。(4)基本顶的破断程度越大反弹量越大,但基本不改变反弹压缩区的分布形态。Ⅱ级反弹区"包围"整个"悬顶区",所以在邻侧巷道及两巷区可监测基本顶深入煤体周期断裂产生的反弹压缩信息。采用特制高精度位移传感器相似模拟试验和工程实践验证了结论的正确性。形成了预警基本顶大面积周期来压灾害的"1同时、2滞后、2区域、2指标及2控制"的方法体系。