充填体协同支架控顶效应研究

固体充填开采中充实率是控制岩层移动的关键,充填工作面中煤壁、液压支架与充填体形成体系协同承载上方载荷、控制顶板变形,该体系中支架的合理工作阻力与充实率密不可分。基于充实率与岩层破断关系,建立了煤壁-支架-充填体耦合控顶力学模型,给出了高、低充实率(kg=4.16×108,kg=2.15×107 N/m3)下支架立柱的合理工作阻力公式,分析高、低充实率下顶板的变形和受力特征受上覆岩层载荷、煤壁地基系数与支架工作阻力的影响规律,研究结果表明:由于不同充实率导致工作面覆岩破断结构形态不同,充填支架工作阻力与充实率并非为线性正相关;相比煤壁地基系数、支架工作阻力,采空区上方载荷对顶板变形、弯矩分布影响较为显著。     

固体充填开采顶板多跨超静定结构分析与充填支架 控制作用研究

为解决不同地质与开采条件下充填支架的关键参数确定问题,以充填开采条件下岩层移动的实际变形形态为基础,将基本顶作为研究对象,建立了基于多跨超静定结构的“顶板-支架-充填体”相互作用力学模型,煤壁和充填体为主要承载体,充填支架对顶板起限定变形作用,据此建立了连续顶板的力学平衡方程和变形协调方程,在充填支架支撑载荷未知的情况下进行问题的求解,将充填体分布弹性地基支承离散为若干跨等效弹性支承,取单跨隔离体进行分析,建立截面切口形变分量方程,进而推导得出跨间截面切口形变分量的矩阵表达式,得到的n+2个变形协调方程与3个平衡方程构成n+5个求解方程,对应n+5个未知约束,所求问题全部得解;为了更真实地反映顶板载荷的分布,更合理地分析顶板、支架和充填体的相互作用关系,尝试将力学模型与数值模型相结合,改变以往力学模型中将顶板载荷作为均布载荷的简化分析方法,建立与力学模型中充填支架作用和充填体参数一致的数值模型,将数值计算得出的覆岩应力曲线作为顶板载荷q(x),代入“顶板-支架-充填体”相互作用力学模型,由此解出模型中所有支座的反力、梁体内力、梁端弯矩等未知量,从而得出顶板载荷、支架和充填体支撑作用力的相互作用关系,通过具体算例分析了不同充填体弹性地基系数和不同顶板限定变形量条件下双顶梁结构充填支架前顶梁和后顶梁支护强度的变化规律,为充填支架关键参数的确定提供有效依据。     

基于铁木辛柯梁理论的端面冒顶机理及相似模拟试验研究

为研究端面冒顶机理及支架与围岩相互作用关系,采用铁木辛柯梁理论建立了工作面直接顶稳定性力学模型,并开发了新型分布式顶梁荷载监测系统和数字图像覆岩位移监测系统,开展了端面冒顶及覆岩切落大比例相似模拟试验,获得了不同因素影响下的工作面顶板变形变化规律,以及端面顶板冒落全过程、覆岩位移场演化规律和液压支架工作阻力曲线。研究结果表明：提高支架刚度或当直接顶弹性模量较大时,工作面顶板挠度和转角显著降低;随着煤层埋深的增大,工作面顶板挠度和转角变形参量也逐渐增大。直接顶岩层泊松比与直接顶的变形成正比,但对工作面顶板稳定性影响较为有限。根据模型试验中端面顶板(煤)的稳定性将相似模拟工作面的推进过程划分为端面稳定阶段、端面冒顶阶段和覆岩垮落阶段。在端面稳定阶段,顶板逐渐破碎且切顶线前移至支架上方,造成支架低头和接顶不实,支架最大工作阻力由2.5 kN逐渐降低至1.7 kN;在端面冒顶阶段,端面冒顶向上延展并发生3次冒落,冒落形态由“扁梯形”演化为“三角形”,工作阻力进一步降低为1.3 kN;在覆岩垮落阶段,支架上方岩层沿煤壁发生整体切落并向采空区倾倒垮落,模型支架模拟出现场完整的增阻过程,工作阻力增加...     

新型四柱式充填液压支架的力学分析

通过分析综采充填工作面上覆岩层运动规律,将充填液压支架后方直接顶结构简化为悬臂梁结构,确定充填液压支架与直接顶之间的相互关系,建立四柱式充填液压支架的力学模型。在对支架力学模型分析的基础上,得到液压支架前后排立柱以及千斤顶的工作阻力。将四柱式充填液压支架应用于唐山矿工程实践,现场近3年的应用实践表明,四柱式充填液压支架可以有效解决六柱式充填液压支架中存在的立柱受力不合理问题。相关研究成果可为液压支架发展研究及设计提供参考。     

膏体充填液压支架工作阻力确定

利用煤矿膏体充填开采工作面覆岩运动规律,指出膏体充填液压支架应能支护顶板和平衡膏体充填料浆侧向压力,提出了膏体充填液压支架工作阻力的计算方法,膏体充填工作面液压支架工作阻力观测与计算值基本相符,为膏体充填液压支架设计提供了相应的参考。     

近直立巨厚煤层覆岩活动规律及支架工作阻力研究

为研究近直立巨厚煤层开采覆岩活动规律,指导近直立巨厚煤层开采实践及支架选型,基于相似材料物理模拟试验,建立了覆岩呈散体结构的"支架-围岩"相互作用力学模型,得到支架工作阻力的计算式。研究结果表明:在大尺寸开采空间和多次分层重复扰动影响下,覆岩块体将呈现"散体"结构状;工作面支架所承受的载荷为上覆岩层自然平衡拱内松散岩体自重,支架的支护阻力不仅与支架宽度、控顶距及松散岩体抗压强度有关,还与工作面长度相关,且随着煤层工作面长度的增加呈线性增加。结合工程实例,验证了理论推导的合理性,研究成果对于分析近直立巨厚煤层的支架工作阻力,合理选择支架具有重要的工程意义。     

条带煤柱膏体充填开采覆岩结构模型及运动规律

以岱庄煤矿2351膏体充填工作面为例,研究了条带煤柱膏体充填开采覆岩时空结构模型及运动规律。结果表明：随着工作面的推进,覆岩由“C”型空间结构逐渐转化成不等高支撑的铰接岩梁;工作面的直接顶板即为基本顶,初次来压步距33.6 m,前4次周期来压步距分别为18.3、8.8、13.7、9.0 m;覆岩重力主要作用在工作面前方煤壁和充填膏体上,顶板超前应力和影响范围较小,主要影响范围小于15 m;2351工作面在现行工艺技术条件下,最大合理控顶距为8.8 m,充填支架合理工作阻力为27 MPa、合理初撑力为21 MPa。     

特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征

针对大采高综放工作面覆岩活动空间大、开采扰动强烈的特点,以不连沟煤矿特厚煤层大采高综放开采为背景,采用现场实测和理论分析等方法对大采高综放采场矿压及顶板运移破断特征进行分析,建立了大采高综放采场周期来压岩层破断的力学模型,得出了液压支架工作阻力的计算方法。结果表明:大采高综放工作面来压时安全阀开启频繁、顶板快速下沉,额定工作阻力13 800 kN的液压支架不能满足顶板控制的需要;开采空间的增大、直接顶厚度增大,低位基本顶转化为直接顶成为悬臂结构、高位基本顶形成砌体梁,二者形成"上位砌体梁-下位倒台阶组合悬臂结构";工作面来压强烈、动载明显、持续时间短的矿压现象是由于高位砌体梁结构滑落失稳造成的,据其力学特征确定了液压支架的工作阻力。     

采场厚硬顶板破断失稳与能量聚散演化研究

针对采场厚硬顶板强矿压问题,在采场厚硬顶板采动失稳影响特征分析基础上,运用力学理论构建采场厚硬顶板采动承载力学模型,分析采场厚硬顶板采动承载状态及能量积聚演化发布规律,从能量转化角度分析采场厚硬顶板破断致积聚能量释放与强动压显现关系,推导出工作面液压支架动载响应估算方程,揭示厚硬顶板破断失稳强矿压显现影响特征。研究结果表明,1)厚硬顶板在破断失稳前处于覆岩承载状态和自身弹性势能积聚,在破断瞬间显现略高于重力作用的加速运动失稳,加之悬伸跨度较大,导致厚硬顶板条件工作面动压显现尤为强烈;2)悬伸跨度、上覆岩层荷载是厚硬顶板采动承载和能量聚散演化的关键影响因素,上覆岩层荷载、自身厚度和强度是厚硬顶板极限悬伸跨度的关键影响因素;3)在工作面液压支架动态阻力响应的力源构成中,厚硬顶板破断积聚能量释放所形成的动态阻力占比最高,上覆岩层荷载做功转化所形成的动态阻力占比次之;4)在工作面液压支架动态阻力响应的影响因素中,厚硬顶板的悬伸跨度、上覆岩层荷载起直接加剧影响,岩层厚度增加厚硬顶板极限悬伸跨度,进而间接加剧动态阻力响应,直接顶厚度可对动态阻力响应起缓冲降低作用,支架控顶距的加剧影响程度不明显。     

液压支架与围岩力学相互作用及支架选型研究

讨论了长壁工作面液压支架与围岩力学相互作用的实验室和现场测定研究结果。包括：掩护式支架对顶板的主动和被动水平支撑作用;实验室和现场观测得到的顶梁和底座载荷分布规律等。讨论了不同支架结构对顶底板控制效果的比较和支架结构选型依据;考虑不同地质采矿条件支架最佳支撑能力确定的理论研究结果,其中包括直接顶不同裂隙类型和坚硬难垮落顶板压力显现条件下的支架阻力计算。     

大倾角工作面液压支架稳定性机理分析

为研究大倾角工作面液压支架稳定性的影响因素,采用理论分析的方法建立大倾角工作面支架横向、纵向稳定性力学模型,通过平衡方程的求解,得出了影响支架稳定性的主要因素:支架质量、底座与煤层的摩擦因数、支架工作阻力、底座宽度、四连杆参数、顶梁平衡载荷区.并在石槽村矿11201工作面进行了支架稳定性分析,得出了支架稳定性临界条件:下滑临界角26°～42°,倾倒临界角31°～50°,顶梁平衡载荷区270 mm,并从采煤工艺和支架设计方面提出了支架稳定性控制措施.     

深埋煤层覆岩结构与支架工作阻力研究北大核心

针对深埋煤层大采高工作面覆岩结构复杂,矿压现象强烈的特点,以羊场湾煤矿为工程背景,采用理论分析、相似模拟、现场实测等方法,建立羊场湾矿大采高覆岩结构力学模型,对大采高综放工作面覆岩结构的断裂和液压支架工作阻力进行综合性研究。研究表明:正常回采期间,基本顶未达到极限垮落距之前,直接顶和部分基本顶破断并不能充填采空区,以至工作面上方形成倒台阶式的“悬臂梁”结构,液压支架主要作用于防止悬臂梁结构发生回转失稳;来压期间,基本顶连同上部两岩层破断垮落充填采空区,工作面上方形成“砌体梁-悬臂梁”结构,液压支架一是提供防止直接顶“悬臂梁”结构发生回转失稳的压力,二是提供防止基本顶“砌体梁”结构回转的压力。     

浅埋煤层工作面弱胶结顶板破断结构模型研究

通过对鄂尔多斯盆地矿井2-2煤层综采工作面支架循环末阻力增长规律分析,建立浅埋煤层工作面弱胶结顶板破断结构模型,推导了工作面顶板不同运动阶段综采支架支护强度计算公式,并与现场观测结果进行对比。研究发现浅埋煤层弱胶结顶板中存在着由若干小断块岩块挤压构成的"岩块挤压岩梁",这部分岩层可称为"类基本顶",其不仅能够传递水平力,而且可起到减缓上覆岩层对支架的冲击作用;在浅埋煤层工作面开采期间,弱胶结顶板破断运动过程可分为3个阶段:阶段I,直接顶垮落,上方砂质泥岩断裂、挤压、离层;阶段II,类基本顶"岩块挤压岩梁"结构形成阶段;阶段III,基本顶冲击沉降阶段;随着工作面推进,液压支架循环末阻力增长过程也呈现工作阻力初次升高段、缓慢升高段和显著升高段3个阶段。研究可为鄂尔多斯盆地浅埋煤层工作面顶板控制设计、支架选型等提供借鉴和参考。     

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。     

近浅埋煤层大采高工作面双关键层结构分析

根据实测统计分析,近浅埋煤层大采高工作面支架载荷普遍较大,且随采高增大有增加的趋势,工作面来压存在大小周期,厚度较大的等效直接顶静载是工作面支架的基本载荷。通过物理模拟实验,揭示了大采高工作面直接顶变厚和顶板结构铰接点上移的机理,提出了"等效直接顶"的定义,建立了近浅埋煤层大采高工作面顶板"双关键层"理论。近浅埋煤层大采高工作面顶板主要表现为"双关键层"结构,根据等效直接顶对采空区的充填程度,双关键层顶板结构分为"双砌体梁"和"斜台阶岩梁-砌体梁"两类,常见的是"斜台阶岩梁-砌体梁"双关键层结构。建立了双关键层顶板结构模型,揭示了工作面出现大小周期来压的机理,给出了支架初撑力和工作阻力的计算公式,可为近浅埋煤层大采高工作面顶板控制提供理论依据。     

顶板动载冲击效应的相似模拟及理论解析

研制了工作面覆岩破断预测实验平台,对浅埋薄基岩条件顶板动载冲击效应进行了模拟;建立了顶板破断的弹性地基梁理论模型,计算出了基本顶破断时与煤壁的相对位置,得到了动载冲击的作用范围;建立顶板动载冲击的力学模型,结合岩石压缩曲线,应用功能原理得到了不同条件下的最大冲击载荷和支架伸缩量的解析表达式,得到了不发生压架事故的判别准则,验证了相似模拟实验结果。结果表明：基本顶多超前直接顶支撑边界破断,且冲击易发生液压支架上方完成;冲击载荷大小与直接顶厚度与裂隙发育程度、支架刚度和初撑力大小等因素有关,其值远大于工作面静载荷形成对液压支架的压力,动载冲击效应模拟实验验证了理论分析结果。     

大采高液压支架初撑力与额定工作阻力合理比值研究

基于连续介质力学的离散元方法,建立液压支架数值模拟模型,将该液压支架置于工作面开采的实际物理过程中,实现综采工作面开采过程中液压支架与围岩耦合的动态数值模拟。以鄂尔多斯矿区某矿综采工作面覆岩条件及液压支架实际工作特性为基础,进行了综采工作面液压支架不同工作阻力条件下的数值开采试验。直观地反映了液压支架在不同初撑力、额定工作阻力条件下对上覆岩层下沉量变化和液压支架运行工况的影响。数值计算结果表明,液压支架初撑力对控制顶板岩层下沉量的作用比额定工作阻力大,当液压支架初撑力与额定工作阻力的比值为0.65~0.70时,具有最佳的运行工况。为类似条件下的大采高液压支架工作阻力选定提供了参考。     

厚硬顶板条件下综采面液压支架工作状态分析

收集分析了桑树坪煤矿3105综采面矿压监测资料,计算了液压支架的初撑力、工作阻力和循环末阻力等分布特征值,发现该工作面支架受力各特征值偏小;进一步分析工作面的地质资料得知,距煤层顶板10m处的位置存在21m厚的石英砂岩,该岩层属厚硬岩层;建立了支架-围岩相互作用模型,进一步探讨支架工作状态与厚硬顶板之间的关系。结果表明:正常回采时,由于厚石英砂岩抗弯曲能力强,基本顶下沉不明显,认为支架只承载直接顶的载荷;周期来压时,由于基本顶厚硬和采空区充填充分,基本顶给定变形量小,致使工作面来压强度小。研究结果对同类条件下的液压支架设计和综采面矿压管理具有指导意义。     

固体充填工作面液压支架合理工作阻力确定

通过深入研究某矿建下固体充填工作面矿压显现规律,进一步分析了充填采场覆岩移动规律,并通过建立力学简化模型来分析充填支架与围岩的关系,直接顶和基本顶由于受到固体充填体的支撑作用,直接顶的初次垮落步距增大,采场周期来压现象不明显,但仍有周期来压现象,且来压步距增大,从而合理确定充填液压支架的工作阻力。研究成果为充填支架选型提供依据,也促进了固体充填开采工艺的发展。     

急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理

我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显,且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理,建立覆岩力学模型,分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据,分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布,分析了岩层运动和能量释放规律。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采,顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系,当煤层倾角大于60°时,破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构,随着下位分段开采和放煤,平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程,对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下,工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布,靠近顶板侧为封闭夹持状态,应力集中程度高,靠近底板侧为开放夹持状态,煤体易破坏卸压而处于塑性状态,在非对称支承压力作用下,工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用,且处于底板弹塑性交界区,易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,覆岩破断步距大,顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强,扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现,...