液压支架与围岩耦合关系及应用

基于“砌体梁”理论力学模型,对支架所受顶板岩层载荷进行分类,采用理论分析方法对支架与围岩耦合作用关系进行研究,提出支架与围岩之间存在刚度耦合、强度耦合、稳定性耦合关系,并分析了酸刺沟煤矿大采高综放液压支架失稳破坏原因。认为顶板动载荷主要受破断基本顶岩块与随动岩层自身质量、回转空间共同影响,直接顶（含顶煤）-支架-底板的整体刚度可以影响基本顶的断裂位置,从而降低基本顶来压对支架的作用力与作用时间;合理的支架支护强度可以降低顶板下沉量与下沉速度,减轻顶板动载冲击对支架的影响,支架支护强度还对底板及煤壁片帮冒顶产生影响;支架自身稳定性及对围岩失稳的适应性是支架-围岩系统稳定性耦合的关键。     

液压支架与围岩刚度耦合理论与应用

从刚度耦合方面对液压支架与采场围岩耦合关系进行了研究,给出了液压支架刚度定义并进行了增阻刚度测试,分析了液压支架与煤壁及顶底板刚度耦合关系,建立了相应的耦合方程,修正了现有液压支架支护强度计算公式,将液压支架与采场围岩的耦合关系由目前的定性分析深入到定量研究。结果表明,液压支架增阻刚度主要与立柱刚度有关,液压支架应当与采场围岩条件协调匹配,传统的液压支架支护强度计算是基于煤壁和支架都为刚体的假定前提条件下得出的结论,没有考虑支架刚度、顶板岩性和煤层硬度的耦合作用与影响,计算结果偏低。实践表明,刚度耦合理论能够很好地揭示液压支架与采场围岩的相互作用关系,可以对液压支架设计提供指导。     

8.8 m超大采高工作面支架与围岩相互作用关系

8.8 m超大采高综采工作面一次开采高度及开采强度大,采场围岩控制困难。采用立柱压力传感器、位移传感器对工作面回采期间支架工作阻力、顶板下沉量进行了全程系统监测,对工作面矿压显现规律、支架工作阻力循环曲线、顶板下沉量及割煤循环内下沉曲线进行了分析,对支架工作阻力、初撑力、支架刚度与顶板下沉关系进行了研究。研究结果表明：超大采高工作面开采具有来压区域性明显、来压急增阻、非来压恒阻、大小周期来压的宏观特征;工作面顶板下沉具有明显的时空差异性,空间上呈现工作面“两端小-中部大”的特征,时间上呈现来压期间大、非来压期间小的特点;工作面支架ΔF-T和顶板下沉ΔS-T均化循环曲线具有高度的一致性,来压期间2者均呈对数-大斜率线性复合增长,非来压期间呈现近常数或小斜率线性增长;顶板下沉与支架工作阻力呈线性对应关系,随支架工作阻力的增加而增大,安全阀开启后,顶板下沉速度明显增大,最大下沉速度为安全阀开启前的4.3倍,安全阀长时开启时顶板下沉速度由急增逐渐过渡至缓增状态,ZY26000/40/88液压支架在来压期间一定时间内可以将顶板下沉控制在一定的范围内,但并不能阻止其继续下沉;初撑力及支架刚度大小对...     

采场支架与围岩耦合作用机理研究

从研究采场支架受力特点出发，将支架与围岩视为有机的整体，深入分析了它们之间的耦合作用，认为老顶断裂后形成的给定变形与支架作用力无关，而与采空区处理方法及采高等有关，支架承受的给定变形压力则与直接顶的整体力学性能有关，并反比于直接顶（含顶煤）厚度∑ｈ．从而在理论上进一步揭示了支架工作阻力与顶板下沉量之间的耦合关系。     

基于微震监测的千米深井厚煤层综放面支架围岩关系研究

基于高精度微地震监测技术,并结合岩石力学理论进行分析,得到滕东生建煤矿3107工作面回采过程中覆岩运动规律,对千米深井厚煤层开采条件下小采宽综放工作面支架围岩关系进行了研究。结果表明,微震事件在低位岩层高密度分布,在高位岩层低密度分布;微震事件在空间和时间上的周期性分布规律与顶板岩层的周期运动过程相一致,高位岩层的断裂强迫低位岩层断裂;工作面支架围岩关系随着基本顶的周期性断裂运动存在2种情况:1)基本顶非周期来压期间,支架压力来源于厚度4.4 m的顶煤、厚度20 m的下位直接顶和部分厚度15 m的上位直接顶共同产生的静压;2)基本顶周期来压期间,支架压力来源于基本顶断裂产生的动压以及顶煤和直接顶产生的静压。动压对支架产生冲击载荷,这是工作面支架被压死的主要原因,通过提前减小顶煤放出率、减小支架控顶距等措施,可减弱动压对支架的冲击影响。     

网格支架高档放顶煤工作面围岩控制

通过孔庄矿井网格支架高档放顶煤工作面矿压观测与数据分析,得出了工作面矿压显现特征,研究了ＺＷＭ网格式液压迈步放顶煤支架与围岩关系,并提出工作面围岩控制措施及支架改进意见。     

固体充填开采支架与围岩关系研究

分析了充填开采支架与围岩关系和上覆岩层移动特征,确立顶板载荷估算方法,并通过充填开采实例进行验证。研究表明：充填工作面周期来压步距大,来压强度不明显;直接顶随着工作面推进逐渐冒落,垮落步距相比于普通综采工作面显著增大;基本顶以缓慢下沉形式发生弯曲变形,上覆岩层移动范围明显减小。支架高工作阻力可以控制顶板的下沉量,保证良好的充填效果,进而减小覆岩破坏高度,控制地表变形。     

控顶区支撑力系对围岩与支架力学关系的影响

为了更全面地揭示围岩与支架的力学关系,分别从控顶区支撑力系的组成及特性、力系中各环节刚度相对大小角度,利用解析法和综合分析法探讨了支撑力系在围岩与支架的力学关系中发挥的作用。结果表明:忽略支撑力系中任何一个环节,都不能全面地揭示围岩与支架的作用关系;通过改变力系中支架抗压缩刚度及工作阻力可以显著影响直接顶的断裂位置和综放工作面顶煤的弹、塑形区分布。     

大倾角综采工作面液压支架参数设计及其与围岩关系

基于云南观音山煤矿已有的煤层地质条件,确定了合理的支架高度、支护强度及合理的额定工作阻力。在顶板分类原则基础上选定支架为ZQY4400/17/36型大倾角掩护式液压支架。采用数值模拟软件FLAC3D,建立了大倾角软顶底板煤层数值模型,模拟研究了所选支架在工作面的支撑应力分布规律,分析了工作面回采时煤壁内应力分布,顶板下沉及底板鼓起情况。采用ANSYS数值模拟软件,建立了支架与围岩关系的力学模型,模拟研究了支架所受载荷情况,对支架与围岩的力学关系进行了分析。结果表明：根据实际地质情况选择的ZQY4400/17/36型大倾角掩护式液压支架使用时,顶板下沉量和底板鼓起量能满足安全开采要求,支架以前梁变形为主,支架顶梁变形较小,支架底板尖端比压满足支护要求,支架整体选择适合实际条件。     

基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术

超前感知综采工作面顶板来压并预判冒顶事故、自主评价支护参数的适应性,是提高综采工作面安全高效及智能化水平的基础。围绕综采工作面支架与顶板状态智能感知的核心问题,基于综采工作面电液控制液压支架海量监测数据,开发了综采工作面支架与顶板状态智能感知系统(SSRI);结合大数据挖掘及工作循环分析技术,提出了用于支架压力分析的多因次工作循环特征参数;研究了安全阀开启、割煤及邻架移架、地质等多种因素影响下的单台支架承载特征及支架群组载荷转移分布规律;在深入解读支架阻力及活柱下缩时序曲线所蕴含的支架与围岩相互作用关系的基础上,构建了支架与顶板状态智能感知模型,实现了对顶板来压的预测、冒顶预警、支架适应性及支护质量评价,初步建立了基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术体系。结果表明:①额定工作阻力不应作为评价支架承载能力的惟一或主要指标,初撑力、额定工作阻力及安全阀开启特性等参数共同决定了支架的承载特性及承载能力;②充分挖掘分析海量矿压监测数据,可以实现采场顶板灾害智能预警、支护质量评价及故障诊断等研究目标;③对海量监测数据的深入分析与利用是实现综采工作面支架围岩耦合自适应控制、支护参数自适应调整等智能化开采目标的前提与基础。     

综采工作面支架与围岩双周期动态作用机理研究

为揭示液压支架与围岩的动态作用机理,将工作面开采过程分为若干个顶板活动周期,将每一个顶板活动周期分为若干个采煤循环周期,在研究支架载荷变化特征的基础上,综合"砌体梁"理论、弹性基础梁理论以及牛顿第二定律,提出了支架与围岩在双周期内的动态作用模型。在顶板活动周期内,研究认为"砌体梁"结构中的关键块A触矸是判断循环末阻力变化趋势的关键节点,关键块A触矸前循环末阻力逐渐增加,触矸后逐渐减小。在采煤循环周期内,研究认为"砌体梁"结构主要由煤壁、液压支架和采空区矸石组成的不同弹性模量支撑体共同承担,根据增阻特征的不同,将采煤循环内支架与围岩的作用过程分为给定变形和给定载荷两个阶段研究,提出了液压支架动态增阻函数,认为在给定变形阶段液压支架时间序列曲线符合对数函数,在给定载荷阶段符合指数函数。通过寺河矿及新元矿综采工作面实测数据分析,认为现场实测与理论分析结果一致。以上研究成果可为顶板灾害预测预报及顶板岩层控制实践提供参考。     

冲击载荷作用于掩护梁对液压支架的影响分析

为研究液压支架掩护梁受到冲击载荷之后对支架运动趋势、受力状态以及掩护梁结构的影响,利用多体动力学分析软件ADAMS建立支架的数值仿真模型。模型中掩护梁通过Hypermesh前处理软件进行柔性化设置,立柱与平衡千斤顶由弹簧阻尼系统等效替代,其中立柱刚度设置为变刚度,支架初撑力由立柱等效弹簧预载荷提供,顶板压力采用某静载荷垂直施加于顶板上方,直接顶和基本顶岩块垮塌砸落于掩护梁所产生的冲击载荷由某阶跃载荷进行模拟。基于上述模型,分析了冲击载荷作用于掩护梁不同位置时,顶梁水平前移变化、顶梁与顶板接触力变化、各处铰接点力变化以及掩护梁应力变化,结果表明,载荷作用位置不同所引起支架的各种变化趋势也不同。这可以对支架的稳定性控制和结构强度设计提供参考。     

Calculation of rock mass stresses considering rock mass–support interaction in mines

The article describes a proved method to calculate stress state of support and surrounding rock mass, considering roof and wall rocks displacement until the contact with the support. The method is based on the use of the intact rock mass stiffness matrix formed prior to mining. Modeling of drivage using the method of initial stresses allows splitting the problem into two subproblems: the first subproblem is on mechanical state of rock mass during roof and wall rocks displacement, the second subproblem describes joint deformation of roof rock, walls rocks and support. The cases of stress calculation for rocks and support, considering support installation conditions, are described. The stress behavior depending on the value of roof and wall rocks displacement until the contact with the support is determined. The features of the method application in case of greatly different mechanical characteristics of rocks and support are discussed.     

深部挤压性地层TBM掘进卡机孕育致灾机理

为揭示TBM通过深部高地应力挤压性地层发生卡机的孕育致灾机理,基于TBM卡机孕育致灾机理的理论分析,通过FLAC3D计算护盾区域围岩的三维应力场、位移场,从而计算出护盾前移所受的摩擦阻力,并根据卡机状态判据判断护盾是否被卡。同时分析了TBM护盾长度L、超挖量ΔR对卡机的影响,结果表明:①护盾前移所受摩擦阻力Rf随护盾长度L增加而非线性增大;②护盾长度一定时,超挖量ΔR越大,护盾前移所受的摩擦阻力越小,但超挖量ΔR的增大将受到超挖技术水平和机械制造水平的限制;此外,考虑掘进工作面空间效应,将护盾分节阶梯式设计,加大尾护盾与围岩间的间隙ΔR,可以很大程度上减少围岩对护盾的挤压力,减少护盾被卡的风险;③可从护盾长度和超挖量及两者的合理组合角度提出TBM卡机的预防措施。     

浅埋沿空留巷切缝顶板断裂条件及移动规律研究

根据浅埋煤层顶板断裂后岩块间水平挤压力较小难以形成砌体梁的特点,分析了切顶卸压沿空成巷下的巷道顶板断裂结构,建立了下位切缝上位弯曲裂缝的双边悬臂梁的断裂力学模型,推导了沿空巷道侧向基本顶沿切缝结构面裂缝扩展断裂时的切顶工作阻力;建立了侧向基本顶两种不同顶板断裂位态下围岩结构数值模型,得出了两种断裂位态下的结构移动变形规律。当切顶阻力Q?ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,空区侧弧形三角板直接顶的倒台阶悬臂结构可向沿空巷道围岩传递较大破断动载和覆岩移动压力;而当切顶阻力Q≥ql并与切缝联合切顶同时作用时,则可使得垮落带内直接顶和低位基本顶沿切缝结构面断裂滑落失稳,实现顶板断裂位态主动控制,减小弧形三角板侧向悬臂传递覆岩荷载的结构长度,优化顶板承载结构和围岩应力,降低巷旁支护体承受的附加荷载。同时切落后碎胀的矸石及时充填空区将上覆岩触矸点前移,减缓了上覆岩下沉和旋转变形作用力。哈拉沟矿浅埋薄基岩大断面复合顶板切顶成巷试验结果表明:沿空巷道超前切缝可减小侧向顶板区域支架工作阻力和直接顶垮落步距,降低岩板破断引起的冲击动载,实际切顶阻力与理论计算分析结果较为吻合。     

采场直接顶对支架与围岩关系的影响机制

把采场直接顶视为可变形介质，分析了其变形破坏特征。根据采场直接顶的承载能力将其分为非承载区，承载区和弱承载区，提出了采场直接顶刚度的概念及其计算方法。认为在采场支架与围岩系统中，由于直接顶介质的影响，支架阻力并不能限制老顶的最终位态，支架工作阻力和顶板下沉量的关系是老顶给定变形条件下支架和直接顶作用的结果。     

新疆某矿回采巷道最佳锚杆布置参数研究

以新疆某矿Ⅰ1采区回采巷道为研究背景，基于FLAC有限差分软件，对比分析了回采巷道有支护和无支护时的塑性区范围、应力和位移变化规律；对顶板中点和右帮中点分别进行了竖向位移监测和水平位移监测，对比分析了不同锚杆布置参数条件下的围岩位移变化量；对应力集中系数和围岩位移进行了无量纲化处理，得到了综合评价指标。综合FLAC数值模拟结果和综合评价指标，得出了最优锚杆布置参数，可为现场回采巷道掘进和维护提供参考。