顶板-锚拉支架系统稳定性的突变理论分析

本文对裂纹顶板系统的稳定性运用突变理论分析，其失稳模式可归结为突变理论中的尖点突变模型，并由该模型的分叉集方程导得顶板大面积冒落的临界条件。对照分叉集方程的图形，从几何上分析系统参数变化对顶板稳定性的影响。形象地观察到顶板岩体的流变特性和裂纹顶板应力集中部位的局部破碎累积量是导致顶板冒落的主要因素。在文中图2所示锚拉支架的补强充分的条件下，由系统参数决定的控制点路径无法达到分叉集右分枝，顶板冒落的临界条件得不到满足，相应顶板处于稳定状态。     

“折断式”顶板大面积冒落的尖点突变模型

用突变理论建立了“折断式”顶板大面积冒落的突变模型,得到顶板失稳冒落的临界条件。所得到的突变模型和临界条件,可以描述顶板大面积冒落前后所观察到的各种现象,并可为对难冒顶板进行强制放顶的方法提供理论依据。     

浅埋煤层组合关键层失稳临突变分析

应用突变理论的方法，对组合关键层的力学模型进行了分析，导出了系统的总势能函数表达式并建立了该系统的尖角型突变模型，得到了组合关键层在水平力和垂直力控制空间中时系统失稳的分叉集，定量地分析了顶板的台阶下沉量以及发生失稳的条件，得出的结论符合实际情况。     

浅埋煤层组合关键层失稳临界突变分析

应用突变理论的方法 ,对组合关键层的力学模型进行了分析 ,导出了系统的总势能函数表达式并建立了该系统的尖角型突变模型 ,得到了组合关键层在水平力和垂直力控制空间中时系统失稳的分叉集 ,定量地分析了顶板的台阶下沉量以及发生失稳的条件 ,得出的结论符合实际情况     

特厚急倾斜煤层水平分段开采顶板冒落研究

为了进一步减少由于煤矿开采而引发的冒顶安全事故,对煤矿开采过程中顶板的稳定性进行分析,建立了基于突变理论的特厚急倾斜煤层水平分段开采条件下采空区顶板稳定性分析模型。最后结合具体案例对模型进行了分析和验证,并求出顶板的压缩弹性能,得到顶板冒落破坏计算结果与现场实际情况相吻合,说明模型适用于采空区顶板稳定性的分析。     

下向进路式采场充填体顶板力学模型及稳定性分析

在应用下向充填采矿法的矿山中,回采工作直接在充 填体顶板下进行,研究充填体顶板的安全性和稳定性具有重 要意义.以甘肃某镍矿为工业背景,引入薄板模型和尖点突 变理论,构建了采场充填体顶板的力学模型,分析了充填体 顶板发生突变失稳的临界条件,确定了采场充填体顶板的安 全厚度,并进行反演推算得出该矿山目前所能承载的充填体 最大厚度.研究结论表明:影响充填体顶板稳定性的核心因 素是顶板厚度,某镍矿现有的采场结构参数能够满足持续下 向充填开采矿体的顶板厚度安全需求.研究方法为探究采 场充填体顶板稳定性问题提供了新的思路.     

断裂顶板锚拉支架支护系统的分叉行为

应用弹性系统稳定性理论对断裂顶板－锚拉支架系统建立了动力系统稳定性分析的力学模型．对该模型分别考虑因块ＡＢ（或ＢＣ）沿对角线变形和支座处的水平变形引起的稳定性进行了求解；讨论了解曲线即平衡路径的稳定性及系统的静态分叉特征；进而分析了断裂顶板结构的运动失稳机制，并给出了该系统的运动稳定条件，证实了借助当代非线性科学研究岩土工程问题的必要性和理论意义．     

深部巷道顶板软弱夹层对围岩稳定性的影响研究

为了研究深埋巷道顶板软弱夹层对巷道围岩稳定性的影响，采用理论分析和数值模拟的方法，对巷道顶板软弱夹层厚度、位置和数量进行系统性研究。研究结果表明：(1)将顶板简化为弹性体和西原模型构成的组合系统，可以较好地描述顶板软弱夹层变形，当软弱夹层受力大于其屈服应力时，顶板失稳；(2)顶板软弱夹层对顶板具有一定的应力弱化作用，且在软弱夹层位置存在明显的应力跳跃现象，随着夹层数量的增加，底板应力集中程度略微增加；(3)距离顶板较近的软弱夹层对巷道围岩变形量影响较大，且在软弱夹层位置存在变形突变，巷道顶板易发生离层。结合数值模拟结果，当巷道顶板存在软弱夹层时，应及时采取支护措施，防止软弱夹层超过屈服应力导致巷道失稳冒落。     

基于集对分析的采煤工作面顶板稳定性评价

论文提出的基于集对分析的工作面顶板稳定性评价方法,以集对分析理论为基础,将顶板稳定性看成一个确定—不确定系统,建立了集对分析的评价模型。将其运用在唐山矿8451工作面顶板稳定性评价上,并与聚类分析的评价结果作比较,得出一致结论。证明了集对分析的科学性与合理性,提供了一种在工作面顶板稳定性评价上的新方法。     

矿山开采过程中顶板冒落冲击振动规律 相似试验研究

以某矿山无底柱分段崩落法采场结构参数为参照，以相似理论为基础，设计相似试验物理模型，研究 采空区顶板在不同冒落高度、不同冒落量、采场有无安全垫层以及不同材料强度 4 种情况下顶板冒落冲击下部采 场的振动变化规律。试验结果表明：①振动速度大小和冒落高度、冒落量、材料强度呈正相关的关系；②振动速度 大小随着冒落高度的增加存在一个突变期，在突变期内振动速度增长最快；③采场内存在适当厚度的散体垫层对 冒落体具有良好的缓冲作用；④在各个试验条件下，距离冲击位置越近的测点速度变化越明显；⑤随着振动波在岩 体中的传播，存在某一临界深度，当超过这一临界深度时，上部采场顶板冒落造成的冲击振动影响很小。     

采空区坚硬顶板破断机理与灾变塌陷研究

以坚硬顶板下的房柱式和条带式采矿工程为背景,建立了表征采空区内矿柱支撑顶板的弹性基础板力学模型,研究顶板不同阶段的破断模式与突变失稳的力学过程.研究表明：当煤柱的有效承载面积逐渐减小到临界值时,非线性控制参数即可穿越分岔点集,顶板位移突跳产生极限点失稳,煤柱-顶板系统出现突然塌陷失稳.     

建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析

为了给煤矿塌陷区土地的治理利用提供理论依据,对建筑荷载作用下采空区顶板岩梁的稳定性进行了分析研究。采空区顶板岩梁突变失稳过程是比较典型的偏离平衡态的非线性过程,将浅部开采老采空断裂的顶板岩梁概化为三铰拱式力学结构模型。通过力学分析,建立了顶板岩梁力学系统的总势能方程,利用突变理论,构建了采空区顶板岩梁失稳的尖点突变模型,获得了采空区顶板岩梁突变失稳的条件,并通过工程算例进行了分析和验证。研究结果表明,煤矿塌陷区地基的稳定性不仅与采动岩体受地面建筑荷载的影响程度有关,也与老采空区顶板岩层的稳定性有关。采空区顶板岩梁在地表建筑荷载扰动下,若满足稳定的条件,则顶板岩梁回转后仍然处于稳定平衡状态。否则,采空区顶板岩梁将发生突变失稳。     

Analysis of mechanism of shock bump due to roof fall

According to the characteristics of the shock bump due to roof fall, a simple mechanics model has been established by applying the catastrophic theory and the law of energy conservation. The author suggests that the shock bump may be induced by the sudden energy release in the roof falling after underground mineral extractions, and through the systematic analysis of actual examples on site, the empirical formulae for the roof falling and energy release are derived, which would provide a new way for the study of the origin and mechanism of mine tremor due to fallen-in roof structure. It is of a great importance to enrich the shock bump theory and production safety in mine.     

工作面支护与液压支架技术理论体系

工作面支护是安全高效综采的首要条件,液压支架是综采系统的核心。笔者和其合作团队持续30多年致力于综采工作面支护与液压支架技术理论的研究和实践,建立了综采工作面支护与液压支架技术理论体系框架,提出了液压支架与围岩耦合原理,建立液压支架与围岩耦合模型,分析了液压支架与围岩的强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合规律,阐述了液压支架合理工作阻力、临界护帮力和支护系统稳定性控制策略,提出液压支架三维动态优化设计理论和方法,将围岩下沉、断裂等力、力矩以及边界条件的变化通过液压支架骨架模型传递和分解到具体的液压支架结构上,借助三维设计平台动态模拟仿真液压支架与围岩耦合作用的力学特征,优化得出对围岩最优支护效果的液压支架结构参数。提出液压支架系列型谱和工作面支护系统液压支架群组的自组织协同控制方法,将支护系统群组自组织协同控制分解为围岩自适应控制和队列保持推进控制两个控制线程,同步实现群体系统协调控制。建立了工作面支护设备技术标准体系。     

极近距离煤层下层煤采场顶板结构与控制

为进一步发展顶板岩层控制技术,针对极近距离煤层开采时下层煤的顶板岩层结构特点,构建了"散体-块体"顶板结构模型。运用散体和块体理论,对极近距离煤层下层煤工作面下位直接顶岩层结构的稳定性进行了力学分析,揭示了下层煤开采时端面顶板冒落的机理。以下层煤顶板岩层结构和工作面支架载荷为研究对象,通过力学分析研究了工作面的支架载荷,得出了支架载荷的确定方法,在此基础上以大同矿区极近距离煤层为研究对象,通过现场实测进一步论证了该方法的客观性与实用性。     

岩体声发射智能监测设备及矿山安全预报技术

对岩体声发射智能监测设备进行了完善和改进研究,并且应用灰色系统理论,系统地分析和评估了评价岩体稳定性的声发射 参数及岩体冒顶临界值的确定方法;建立预测模型,对岩体冒顶的数列预测及矿山大规模灾害预测进行了探讨。实践证明,上述方法和采取的措施是切实可行的。     

顶板断裂瞬间煤体稳定性的动力学分析及数值模拟

为了研究顶板突然性断裂诱发煤层失稳的致灾条件,本文采用动力学方法分析了顶板断裂瞬间煤岩系统的受力状态和力学响应。首先推导了顶板断裂时惯性力、惯性力矩的计算公式,进而得到顶板断裂瞬时转动加速度与惯性力、惯性力矩的关系,利用数值模拟计算了顶板断裂前后以及不同转动角加速度条件下的煤岩体应力、变形和两帮位移。计算结果显示:当顶板断裂瞬时转动角加速度较小,即顶板断裂释放能量较小时,工作面煤壁两帮移近量随顶板瞬时转动角加速度的增大而增大;当顶板断裂瞬间转动加速度达到某临界值时,煤岩系统出现失稳分支点,具体体现为工作面处煤体的应力基本不变,煤壁顶部竖向下沉激增,煤岩系统的平衡须依靠煤壁回缩方可维持。因此顶板断裂可以诱发煤岩体系统的失稳,但并非失稳的充分条件。     

煤矿冲击地压与冒顶复合灾害研究

随着煤矿向深部发展,矿井动力灾害既表现出冲击地压的部分特征,又表现出冒顶的部分特征。2种典型的灾害打破以往冒顶与冲击地压的发生具有一种互为逆向性的认知规律,在深部高应力煤巷,特别是留顶煤巷道中出现了相互诱导、复合发生的新灾害类型。在总结山东、山西和新疆矿区典型巷道冲击致顶板(顶煤)动力灾害特征的基础上,提出了深部巷道冲击地压与冒顶复合灾害的概念、机理与分类,指出复合灾害机理关键点在于揭示巷道整体系统和破碎区子系统的稳定原理及其2者间的相互影响。建立了巷道发生复合灾害的力学模型,根据扰动响应失稳判据,提出并得到了巷道发生复合灾害的临界应力Pcr、临界软化区半径ρ_cr和最大容许采扰应力增量σ_max,厘清了灾害发生的主控因素,分析了煤岩冲击倾向指数K、支护强度ps、巷道半径ρ₀、煤岩强度σ_c等对灾害发生的影响规律,同时阐明了围岩塑性软化、破碎深度随地应力增加的发育规律。研究结果表明,破碎发育巷道的动力失稳主体为弹性区、软化区与破碎区构成的不稳定系统,垮落主体为破碎区;稳定的破碎区提升了巷道冲击启动临界值,使其启动难度增大,但破碎区的发育又易引起顶煤垮落;巷道稳定支护是解决复合灾害的关键,科学合理支护既能有效调控围岩破碎防冒,又能提升冲击启动临界值。通过理论研究,揭示了巷道冲击地压与冒顶复合灾害的发生机理,阐明了巷道软化与破碎区及其稳控支护对深部破碎发育巷道动力灾害防治的重要性。