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。     

基本顶弹性基础边界薄板模型分析(Ⅱ)——周期破断

建立弹性基础边界基本顶薄板周期破断力学模型,采用有限差分理论,研究了基本顶厚度h、弹性模量E、边界弹性基础系数k以及k与h,E的比值关系对基本顶主弯矩与周期破断规律的影响,得出,E,h增大时,推进方向长边深入煤壁区及短边深入煤壁区绝对值最大主弯矩M_c与M_d、悬顶区后侧的最大主弯矩M_b均增大,M_d的增长幅度最大;k增大时,M_c,M_b,M_d均减小,M_d的减小幅度最大;依据主弯矩破断准则可得:E,h悬顶长度a_1较大或k较小时短边深入煤壁区上表面先破断,反之推进方向长边深入煤壁区上表面先破断;比值k/E或k/h~3不变时主弯矩M_c,M_b,M_d不变,起始破断位置不变。弹性基础边界基本顶周期破断类型为:(1)长边上表面→短边上表面→悬顶区后侧下表面;(2)短边上表面→长边上表面→悬顶区后侧下表面。     

充填采煤弹性基础边界基本顶薄板破断规律

建立充填开采基本顶弹性基础边界弹性地基薄板力学模型,依据差分理论及主弯矩破断准则,研究充填体弹性地基系数kf、基本顶厚度h、弹性模量E及边界弹性基础系数k_m对基本顶主弯矩及破断规律的影响,得出:(1)k_f增大时,短边、长边超前煤壁区及充填区中点绝对值最大主弯矩M_b,M_d,M_o均减小,M_o降低幅度最大,M_b深入煤壁距离b增大;(2)E或h减小时,M_b,M_d,M_o及b减小;(3)k_m增大时,b减小,M_b,M_d,M_o均增大;(4)充填区基本顶主弯矩存在分化效应:kf越大或h,E越小,充填区最大主弯矩逐步向周边转移,非中点区主弯矩逐渐大于M_o,k_m对分化效应的影响甚微。充填条件下基本顶主弯矩大于极限弯矩时,起始破断位置为长边深入煤壁上表面或中部下表面。当kf较小、充实率较低且上覆载荷较大时,基本顶断裂类型有:(1)长边上表面→短边上表面→中部下表面;(2)长边上表面→中部下表面→短边上表面;(3)中部下表面→长边上表面→短边上表面。     

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。     

长边采空与弹-塑性软化基础边界基本顶薄板初次破断研究

为研究长边煤柱（采空）条件下基本顶板结构的破断规律及工程价值,构建考虑长边煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性软化特性的基本顶板结构力学模型,全面计算探究该条件下基本顶板在长边煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态,并从6个层面、3个区域与传统模型对比,阐述模型所得新结论及意义。结论如下：（1）长边煤柱宽度与承载能力可显著影响实体煤区基本顶主弯矩大小及初次破断顺序,但是对实体煤区基本顶破断线所处区位（弹性区、塑性区、弹塑性分界区）影响小,长边煤柱也可显著改变基本顶在煤柱区的破断位态（3类）,且随基本顶的弹性模量E及基本顶厚度h增大,长边煤柱的支撑系数k_cm、宽度L_cm,实体煤的塑化范围L_t-s、塑化程度k_s-0、弹性煤体基础系数k_tt及工作面跨度L_d减小,其演变模式为：1条连续“长直线+两端短弧线”型（CM-N式）→2条临接对称“直线+短弧线”型（CM-L式）→2条大间距对称“短弧线”型（CM-D式）;（2）实体煤的长边与短边区基本顶破断线的区位特征有5类,且...     

伪斜工作面梯形采场的基本顶初次破断特征

采煤工作面伪斜布置时,采空区基本顶呈非矩形状,此时采空区上方基本顶的破断位置及其破断规律与矩形顶板有所不同。为研究伪斜工作面基本顶初次破断特征,根据弹性薄板力学理论建立直角梯形基本顶的板结构初次破断力学模型,同时推导出直角梯形薄板的弯矩公式,分析顶板破断位置及其破断规律;依据有限差分原理分析基本顶的应力极值大小及位置特征,对理论推导结果进行验证。结果显示,四边固支直角梯形薄板内力分布规律与矩形薄板大体相似,但在四条边界上,主弯矩极值的位置与矩形薄板有所差异,后者都位于中心部位,而前者整体向逆时针方向一侧移动,基本顶的初次来压呈椭圆状倾斜O-X型。     

考虑煤体弹-塑性变形的基本顶板初次破断结构特征

建立考虑煤体弹-塑性变形的基本顶板结构初次破断力学模型,依据有限差分原理和主弯矩破断准则,系统计算研究了弹-塑性基础边界基本顶板结构初次破断位置、破断顺序以及全区域破断形态特征的影响因素及权重关系,并阐述了该力学模型的工程意义,得到:①基本顶厚度h、弹性模量E较大,而弹性煤体基础系数k_t及悬顶跨度较小时,基本顶的破断位置及顺序为:开采悬顶区中部下表面→深入未塑化的弹性煤体区上表面→短边深入未塑化的弹性煤体区上表面,在弹性煤体区上覆形成"O"型断裂圈;反之,基本顶的破断位置及顺序为:深入塑化煤体区上表面→开采悬顶区中部下表面→短边深入塑化煤体区上表面,在塑化煤体区上覆形成"O"型断裂圈,最终均形成"O-X"型破断形态;②煤体塑化范围b₀及塑化程度增大时,基本顶断裂线深入煤体的距离与基本顶各个区域的主弯矩绝对值均增大,即基本顶悬顶跨度会减小;③b₀及浅部塑化煤体基础系数k₀较大时,基本顶的破断位置及顺序为:开采悬顶区中部下表面→长边深入塑化煤体区上表面→短边深入塑化煤体区上表面,在塑化煤体区上覆形成"O...     

基于薄板理论的孤岛工作面基本顶变形规律及破断距研究

为研究三面环空孤岛工作面基本顶的变形及破断规律,以河南某煤矿MZ201工作面为研究背景,通过弹性薄板小挠度弯曲理论,构建了基本顶破断力学模型,分析了工作面基本顶的破断力学特征,得到了基本顶初次来压和周期来压步距。研究结果表明:初次来压时,基本顶岩层变形较小,顶板下沉量最大点位于采空区中后部,变形量为360 mm;周期来压时基本顶岩层变形较大,顶板下沉量最大点位于基本顶中心,变形量为807 mm;初次破断时,岩层最先从两长边中部发生拉伸破坏;周期破断时,基本顶从下表面中心位置开始破断,后沿倾向方向不断发展,在短边近端处分叉,形成“X”型破断;基于拉应力破断准则计算得到基本顶初次破断距和周期破断距分别为49.3 m和27.9 m。     

弹-塑性基础边界一侧采空基本顶板结构初次破断研究

为了研究一侧采空条件下基本顶板结构的破断规律,构建考虑煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性变形的基本顶板结构力学模型,全面计算探究了侧方采空条件下基本顶板在煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态等。结论如下:(1)煤柱区基本顶的破断形态有3类且随着基本顶厚度h、弹性模量E及弹性煤体基础系数k_t增大,而煤柱宽度L_m与煤柱基础系数k_sm、煤体塑化范围L_ts与塑化程度ξ_s及跨度L减小时的破断形态变化规律为"单一连续长弧形"→"临界对接双长弧形"→"分隔式双短弧形";(2) L_m及k_sm主要影响煤柱区基本顶的破断位态;L_m及k_sm增大,实体煤区主弯矩减小;(3)实体煤区基本顶破断位态有5类且随着h,E及ξ_s增大,而L_ts,k_t及L减小时的断裂模式演变规律为:"长边与短边断裂线均处于塑化煤体区"→"长边断裂线处于塑化煤体区而短边处于煤体弹塑...     

急斜煤层初次破断后基本顶稳定性分析

针对急斜煤层水平分段综放开采的特点,将沿倾向初次破断后的基本顶视为三边固支一边自由,受纵横载荷共同作用的斜置矩形板力学模型.应用Kirchhoff薄板理论,考虑中面内力对弯曲的影响,运用能量法得到了顶板挠度的解析表达式.探讨了基本顶的挠曲变形特征,分析了煤层倾角、水平分段高度和基本顶厚度对挠曲变形的影响.研究发现：在急斜煤层岩层控制中,煤层倾角存在介于55~65°之间的临界区域,据此可推断在上覆岩层中是否存在“上三带”（危险性离层带）;通过选取合理的水平分段高度,尽可能满足生产的需求,又可有效地控制顶板的变形;顶板厚度大于4 m可作为急斜煤层关键层的几何特征.结合新疆六道湾煤矿的具体开采情况,验证了模型和结论的合理性.     

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。     

急斜煤层开采老顶破断力学模型分析

运用弹性力学古典狭长薄板理论 ,建立了急斜水平分段放顶煤开采顶板变形力学模型 ,分析了其变形特征及破断规律。得出了煤层倾角、水平分段高度对顶板变形的影响关系曲线 ,同时 ,给出了顶板破断的判据。     

基于薄板理论的急倾斜工作面顶板初次变形破断特征研究

根据急倾斜煤层工作面顶底板地质赋存条件以及冒落矸石对工作面中下部采空区的充填特征,利用弹性薄板小挠度理论,建立了急倾斜工作面顶板的受力力学模型,研究了顶板在上覆岩层和下方充填矸石作用下顶板挠曲变形特征,得到急倾斜工作面下部采空区充填带宽度的理论计算公式和顶板变形挠度方程,结合龙煤集团七台河新铁煤矿工作面实际开采参数,分析出急倾斜工作面中上部顶板受力变形较大,下部顶板变形较小,最大挠度点距工作面上端头24 m处,最大变形量为320 mm,工作面中上部前方煤壁和后方煤壁处、上部顶板和中下部冒落矸石接触处将首先出现拉伸或剪切破坏,最后将形成"U"字型破断。研究结果与实际顶板受力变形相符。     

急斜煤层开采老顶破断力学模型分析

运用弹性力学古典狭长薄板理论，建立了急斜水平分段放顶煤开采顶板变形力学模型，分析了其变形特征及破断规律。得出了煤层倾角、水平分段高度对顶板变形的影响关系曲线，同时，给出了顶板破断的判据。     

综放开采工作面基本顶侧向破断位置机理分析

阐述了基本顶侧向断裂引起的支承压力内外应力场效应,基于弹性地基梁理论推导出了基本顶侧向破断的力学判据。以某矿N2103工作面地质条件为工程背景,研究了基本顶沿侧方向弯矩变化情况,并与现场钻孔窥视仪勘测结果进行了对比,结果表明理论计算弯矩在采空区边缘内5.6~7.4 m位置达最大值,现场勘测破坏区距离采空区边缘5.454~6.847 m,这与理论计算结果基本一致。研究结果表明该力学模型能够很好的对基本顶侧向破断位置进行判定。     

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。     

采场老顶初次破断机理与破断形态分析

依据典型浅埋煤层工作面的实测和模拟，发现了采场老顶初次破断的非对称现象。运用相似模拟和理论分析相结合的方法，揭示了采场顶板初次破断机理，确定了有关参数。     

孤岛工作面顶板破断的薄板模型分析

为了研究孤岛工作面的顶板破断机理,利用理论分析和数值模拟的方法建立了两对边简支两对边固定、三边简支一边固定的顶板薄板力学模型。分析计算得出薄板的极限破断准则和应力分布情况,并通过极限破断准则计算出顶板破断初次来压步距和周期来压步距。通过现场观测顶板断裂的初次来压步距和周期来压步距,其结果与理论分析计算的结果较吻合,可为类似的工作面来压预报提供依据。     

不同厚度岩层破断模式实验研究

顶板破断是采场矿压显现的根本原因,现有很多成果是基于梁或薄板模型而来,而顶板的厚度直接影响了顶板的破断行为。自主研制了采空区顶板破断模拟实验装置,在均布载荷作用下对四边固支不同厚度顶板进行了破坏实验研究。实验结果验证了薄板基本以沿长边的"O-X"型断裂模式为主,而厚板不仅有沿长边的"O-X"型和沿短边的"O-X"型断裂模式,还有"O-?"型的断裂方式。研究结果表明:薄板破断主要受到最大弯曲应力的影响。随着板厚度增加,横向剪切力的作用在加强,此时厚板的破坏主要受到弯曲和剪切耦合作用,导致其破坏行为更为复杂。     

俯伪斜采煤法基本顶破断的力学分析

为弄清俯伪斜采煤法基本顶破断的具体情况,以某俯伪斜采煤法的悬露基本顶为研究对象,应用弹性薄板理论,建立了俯伪斜基本顶的力学模型,分析并得到了充填体对基本顶的支撑载荷函数,运用李滋法和挠度的叠加原理,推导出基于采空区充填的俯伪斜基本顶挠曲函数,并对基本顶的破断过程进行了分析。研究结果表明：由于冒落矸石在采空区的不完全充填,导致俯伪斜基本顶的挠度沿倾向不对称,最大挠度为60.9 cm,位于倾斜中上部;基本顶沿倾斜方向由上向下分段破断,并且形成相对稳定的铰接结构,分段岩块沿走向破断距也有差别,倾斜中上部破断距小于下部。理论计算分析的结果与现场的矿压监测情况基本一致。