小曲率拱型支架的研制与应用

介绍了小曲率拱型支架的制作、性能特征和其在工作面的应用，它有效地解决了近距离和下分层煤层巷道不可锚且在较强压力下难支护的问题。     

拱梯形金属支架的承载能力分析

为适应巷道支护的多种要求 ,研制开发了拱梯形巷道金属支架。针对其结构特征 ,采用曲梁力学模型进行了受力分析 ,求解出其最大承载能力的表达式 ,与梯形金属支架承载能力相比较 ,分析得到拱梯形金属支架的承载能力系数 ,研究得到了相应的支护特性。结果表明 ,拱梯形工字钢支架的承载能力比梯形支架有大幅度的提高     

拱梯形金属支架顶梁参数的研究

拱梯形巷道支架比传统的梯形支架有更高的承载能力和一定的变形能力,更适合沿空巷道的支护。通过对圆弧梁和抛物线梁进行受力分析,并分别对它们的承载能力进行比较,所研究内容可为曲梁的设计和制造提供理论依据。结果表明:圆弧梁存在最优的矢跨比(拱高与跨度的比值),跨度为3 m、4 m、5 m、6 m时,最优矢跨比分别为0.21、0.19、0.18、0.17;圆弧梁和抛物线梁的承载能力比直梁的大;矢跨比小于0.15时,抛物线梁和圆弧梁的承载能力差别不大,矢跨比大于0.15时,抛物线的承载能力更大。     

近距离煤层支护架型选择及参数优化

近距离煤层在我国分布广泛,近距离煤层支架选择是开采中的重要问题。根据理论分析和数值模拟方法,分析近距离煤层应力分布和液压支架选型依据,得到模拟工程条件下的合理支护强度为1.2 GPa,并得到液压支架架型选择和优化参数。     

松散煤层巷道U型钢支架补强技术分析

为解决松散煤层巷道支护难题,以淮北矿业集团涡北煤矿8100机巷为研究对象,对未补强和采用双排锚杆补强技术的U型钢支架承载能力进行理论的结构力学分析,得到了未补强和采用补强措施后的U型钢支架的内外边缘应力。研究表明:采用补强措施的U型钢支架的内外边缘应力显著降低,支护效果明显增强。     

复杂围岩条件下大断面煤巷支护技术研究

潞安集团常村矿S5-5工作面胶带运输巷围岩条件复杂,受动压及地质构造应力影响,导致巷道呈局域性破坏,顶板严重下沉、两帮内鼓,底鼓严重。该矿通过对原架梯形工字钢单棚支护设计存在问题的原因及全断面锚网(索)、架36U-5.6 m拱型可缩性支架、空帮预留变形联合支护工艺参数进行详细分析,对巷道顶底板相对移近量及底鼓位移变化曲线进行检测,提出采用全断面锚网(索)、架36U-5.6 m拱型可缩性支架、空帮预留变形联合支护工艺。     

基于真实煤层环境的液压支架运动虚拟仿真方法

为解决现有煤矿开采中液压支架无法根据井下煤层环境及时调整支护姿态的问题,提出了一种基于真实煤层环境的液压支架运动虚拟仿真方法。该方法在虚拟软件Unity 3D中基于真实煤层数据点直接生成顶底板煤层环境曲面,并结合液压支架模型对其进行物理组件的添加,实现了液压支架基于重力作用下对底板曲面的自适应贴合。通过对液压支架模型的运动学和煤层顶板曲面数据点的分析,确定出满足该顶板支护状态下的液压支架各部件角度信息值,在虚拟空间中预先实现液压支架对煤层环境运动姿态的调整。最后进行了试验,在试验中构建了煤层顶底板曲面模型,进行了液压支架在试验煤层情况下的支护姿态调整;同时在虚拟环境中生成相应的煤层顶底板曲面,并进行了虚拟环境中液压支架姿态的调整。试验结果表明,利用虚拟软件Unity 3D实现基于煤层环境的液压支架运动参数变化与实际液压支架运动参数变化基本相同。本方法为实现液压支架对围岩煤层环境的自适应调整提供了思路参考和应用实践。     

矿工钢梯形支架结构优化与应用

根据可缩性支架原理，半圆竹背板与矿工钢梯形支架配套使用，并在矿工钢支架棚梁和棚腿铰接处焊接防滑装置，以优化矿工钢梯形支架结构。在给定初始支撑强度的前提下，加大支架的让压变形量，提高支架承载能力，大大改善了矿工钢梯形支架控制围岩的效果。     

U型支架承载能力及其优化分析

本文对U型钢支架的承载能力进行了理论计算分析,建立了偏载支架理论模型,计算分析了单侧偏载支架的承载性能,得出帮部、肩部、单侧整体偏载情况下,支架承载能力随着偏载程度的增加迅速下降,偏载载荷与均布载荷的比值为1.0-2.5时,支架承载能力下降最快,比值超过2.5之后,下降速度开始平缓,但已经处于较低的承载水平;对支架承载能力进行优化,使得支架承载能力得到改善,成功应用于工程实践,取得了良好的支护效果。     

济东矿区某矿液压支架选型设计

针对济东矿区某矿煤层赋存情况,通过液压支架与煤层赋存条件适应性分析,对综采工作面液压支架的主要结构进行选型设计,并通过工程类比法和顶板分类法对液压支架的支护强度进行了理论计算,确定了支架的主要参数和结构形式,为国内类似煤层条件下的液压支架选型设计提供了依据。     

浅埋煤层采场围岩力链演化规律及工程应用

浅埋煤层回采过程中,矿山压力显现剧烈,压架事故时有发生。针对回采过程中易突发剧烈的矿压现象,系统研究了煤层围岩力学特征及支护结构的受力状态。首先采用颗粒元计算软件模拟分析采场围岩力链演化特征,随后分别建立了覆岩强力链拱失稳前、后力学模型,工作面支架受力模型,推导出强力链拱迹线方程,获得强力链拱在失稳前、后支架荷载的计算表达式,并在此基础上结合现场实测对工作面支架荷载进行了分析。研究结果表明:煤层开挖前,煤岩体受力架构由力链网络组成,围岩的承载作用主要来自于强力链,广泛分布的弱力链仅对围岩起辅助承载作用;煤层开挖后,强力链集结成束形成力链拱,力链拱是承载采场上方煤岩体重量的主要力系,工作面支架仅承担位于强力链拱下方的煤岩体重量;且随工作面的推进,强力链拱不断调整,先后经历了"形成—扩展—稳定—破断"的动态演化过程。随强力链拱拱顶的不断发育,当其承担荷载超过自身强度极限后便会失稳破断,导致剧烈的矿压现象,工作面支架荷载大幅增加,强力链拱的失稳断裂是工作面产生强动载现象的本质原因。研究成果合理解释了浅埋煤层工作面突发的剧烈矿压现象,为煤层的安全高效开采提供借鉴。     

锚杆拱形托板承载力试验与分析

为深入认识拱形结构对钢托板力学特性的影响,及其与不同锚杆匹配的承载适用性,基于球壳结构弹性力学与极限平衡分析构建了2种拱形托板承载力理论关系式,结合工程实践详细论述了其中5个影响参数。采用实验室加载试验研究了不同板厚、不同拱高的方形托板承载力与变形特征。结果表明:托板承载力与钢板厚度、拱高与拱底圆直径之比呈正增长关系;试验承载力较好地验证了理论计算式的适用性;此外,调向球垫尺寸与强度对托板承载与支护的充分发挥非常重要。综合以上研究与煤炭行业标准,提出常用锚杆规格与拱形托板尺寸的合理匹配表,以供矿山支护工程参考使用。     

大埋深采准巷道围岩拱梁支护结构研究

以桑树坪2号井煤矿3303工作面大埋深采准巷道为背景,采用"拱-梁"结构模型对该巷道进行支护优化,借助FLAC3D数值软件对原支护和改进支护的支护效果进行对比分析。结果表明:改进方案不仅能够提高浅部顶板的稳定性,而且还能有效控制巷道围岩变形。锚索压缩拱承载作用下,巷道围岩竖向应力呈拱状形态,帮部锚杆的存在可以缩小巷道两帮破坏范围,表明顶板的有效支护有利于提高巷道围岩的承载能力。顶板上方围岩所形成的"拱-梁"结构模型,对大埋深采准巷道的支护作用有明显改善。     

基于黏结颗粒模型的特厚坚硬煤层综放开采数值模拟研究

基于榆神矿区特厚坚硬煤层超大采高综放开采技术条件,针对散体颗粒模型在埋深较浅的坚硬煤层综放开采模拟中顶煤冒放情况与实际不相符的问题,对比黏结颗粒模型与无黏结散体颗粒模型力学性质,讨论两种模型适用条件,得出黏结颗粒模型更适合坚硬煤层综放开采模拟。阐述了黏结颗粒模型的建模和模拟过程:岩层内部采用平行黏结颗粒模型以模拟层内整体块体力学特性,层间采用光滑节理模型以模拟结构面力学性质;通过Fish语言和伺服控制原理实现液压支架初撑阶段、增阻阶段和恒阻阶段不同工况的模拟;根据支架顶梁位态采用逆向运动学方法更新支架整体位姿;通过Fish语言实现尾梁的不同幅度摆动。数值模拟结果表明:覆岩可形成下位基本顶不稳定砌体梁结构和上位基本顶稳定砌体梁结构,顶板来压步距介于10~20 m;顶煤破碎度和冒放性具有双周期性(走向周期与周期来压步距一致,表现为来压期间顶煤破碎较充分、冒放性好,优于非来压期间;垂向周期与顶煤层位相关,表现为下位顶煤破碎充分、冒放性好,优于上位顶煤);工作面煤壁整体稳定性较好,来压期间会出现煤壁破坏现象;液压支架总体处于较高的工作阻力状态;不同块度的顶煤冒放过程中可能形成小块度瞬时动态松散拱结构、中等块度不稳定拱结构和大块度稳定拱结构,尾梁成拱可采用“小拱小摆、大拱大摆”对策高效破拱,掩护梁成拱则需移架才可破拱。超大采高综放开采实践表明数值模拟结果与现场情况一致,黏结颗粒模型能较好地模拟埋深较浅的坚硬煤层综放开采顶煤冒放特征和矿压显现规律。本研究可为坚硬煤层顶煤冒放性和顶板覆岩结构数值模拟研究提供力学模型选择依据,为模拟过程实现方法提供借鉴。     

倾斜综放面支架防倒防滑技术研究

为研究大倾角综放面支架稳定控制措施,文章从支架稳定性影响因素分析入手,探究了支架倾角与立柱支撑力的失稳临界条件,并基于孟家窑矿11508工作面地质条件确定了支架稳定性控制措施。研究表明,ZF4600/17/32支架的临界煤层倾角为16°,所需残余支撑压力为223kN,将工作面调斜5°~8°或留设15m防倒圆弧煤柱能够有效降低煤层倾角带来的不利影响,支架间安装防倒千斤顶和柔性支护装置,能够有效增强支架带压能力,保障支架不出现失稳现象。11508工作面工程实践表明支架额定工作阻力能够充分发挥作用,月进尺量提升15%,能够满足工作面技术经济要求。     

浅埋煤层群采场周期来压顶板结构及支架载荷

现场勘查发现,神府矿区浅埋煤层群间隔岩层厚度大多在15～45 m时,间隔岩层易存在单一关键层结构。文章通过现场实测得出了浅埋煤层群开采周期来压的基本特征:来压步距减小、强度增大、煤壁片帮严重,动载现象、台阶下沉现象和大、小周期来压现象明显。物理相似模拟实验揭示了间隔岩层关键层与上煤层已扰动关键层同步与非同步破断的大、小周期来压机理,发现了间隔岩层关键层与已扰动关键层共同形成的"梁-拱-壳"结构形态,给出了上煤层已扰动关键层结构形态的判别方法,得出了浅埋煤层群开采顶板周期破断可形成"台阶-台阶"、"砌体-台阶"、"砌体-砌体"的基本结构。综合建立了浅埋煤层群开采间隔岩层周期破断结构与力学模型,给出了支架受动静载荷作用的工作阻力计算方法,并得到了现场验证。     

深部软弱破碎复合顶板煤巷稳定控制技术

针对深部软弱破碎复合顶板矩形断面煤巷易冒顶、大变形、难支护等特点,基于锚杆和锚索支护理论,提出了兼具组合梁和组合拱承载效应的梁-拱锚固承载结构,分析了梁-拱锚固结构的几何特征,揭示了不同锚固参数条件下梁-拱锚固结构的形成过程及演化规律,反映了不同支护形式下煤巷顶板的锚固结构效应。采用FLAC~(3D)模拟研究了4种支护技术方案条件下深部软弱破碎复合顶板煤巷围岩位移与塑性区损伤扩展演化规律,揭示了不同支护技术方案对矩形断面煤巷围岩的控制效果,验证了采用基于梁-拱锚固结构的深部软弱破碎复合顶板矩形断面煤巷支护技术方案的合理性,并进行了井下工业性试验。监测结果表明,采用"梁-拱锚固结构"支护技术方案有效地控制了深部软弱破碎复合顶板煤巷离层与大变形,维持了深部软弱破碎复合顶板煤巷围岩与支护结构的稳定及安全。     

薄煤层开采软弱煤岩体巷道变形特征与稳定控制

针对百色矿区薄煤层开采条件下半煤岩巷道大变形及难控制等问题开展了一系列研究工作。首先,在巷道工程资料与数据的基础上,开展了薄煤层回采巷道工程地质特征的分析,发现薄煤层巷道围岩地质构造普遍较为复杂,岩体完整性差;现场监测了回采巷道围岩的变形全过程,分析了掘巷影响阶段、掘巷影响稳定阶段和工作面回采期阶段等时期的围岩工程行为及变形特征。然后,根据所收集的岩样和自制的煤岩组合体试样,分别进行了点载荷强度和不同高度比的煤岩组合体力学强度试验,结果表明,此类岩石力学强度较低,煤体与岩体破坏呈不均匀性。最后,在现有的理论基础上,分析了半煤岩巷道的滑移机制,推导了煤岩体层间滑移与巷道围岩失稳的本构方程,根据锚索的挤压承载和锚杆抗剪作用机理等阐明了软弱半煤岩巷道控制原理和支护要点,提出了以"顶板预应力长锚索+帮高刚度桁架锚索"为主体的"锚、网、索、梁"整体支护技术。支护试验表明:所提出的支护技术对于半煤岩巷道的控制效果较好,围岩变形在可控范围之内。     

锚网索联合支护在大断面煤巷中的支护参数研究

根据锚杆支护理论进行锚杆支护设计,明确了应充分利用锚杆周围煤岩体自身的承载能力;以理论计算为主要依据,同时考虑工程类比和工程监测情况,在总结以往回采工作面支护效果的基础上,进一步优化设计,成功解决了大断面、全煤巷道的锚索网支护的技术问题,明确了全煤回采巷道支护参数和支护材料,为以后的类似巷道支护设计提供了重要参考依据;生产实践表明,设计的锚杆支护参数达到了预期效果,取得了良好的经济效益.     

斜井穿越流砂层支护结构承载特性分析

采用数值模拟及现场实测相结合的方法,对斜井穿越流砂层支护结构承载特性进行了分析,结果表明,混凝土强度与结构厚度对支护结构的极限承载力影响明显,底拱半径次之;存在合理的边墙高度可使结构极限承载力达到最大;配筋率达到一定值后对整体承载影响不明显。支护结构极限承载力与混凝土强度、结构厚度呈线性关系,与底拱半径呈二次关系,与边墙高度呈三次关系。研究结果不仅对斜井的安全施工具有指导意义,而且可为斜井支护结构的设计提供依据。