短壁开采覆岩关键层黏弹性分析与应用

根据短壁开采条件下保护煤柱的布设特点，建立由保护煤柱支承的关键层力学分析模型。针对不同采场设计参数进行关键层受力及变形的弹性和黏弹性分析，得到弹性介质关键层下沉量的理论计算式，及黏弹性介质关键层变形随时间变化的表达式。评价不同采场参数对关键层随时间变形的影响，给出理想的建筑物下短壁开采设计参数范围，为“三下”开采设计和长期地表沉陷预计提供理论依据。     

一条受动压影响的巷道的变形规律研究

通过某矿一条巷道的实测及模拟实验结果，采用岩层移动理论－关键层理论及顶板回转理论等，对其变形进行了分析研究，得到了一些以前未曾揭示的规律，可供类似条件下巷道支护参考。     

锚索支护理论及参数确定方法探讨

探讨了巷道锚索支护的连续梁（连续板）减跨理论及软弱顶板悬吊理论，并以这两种理论为依据建立了拱形截面冒落体、三角形冒落体、关键层冒落体三种计算模型，研究了锚索支护参数的确定方法。     

覆岩组合运动特征及关键层位置研究

把煤矿覆岩的组合运动视为以坚硬岩层为依托的复合关键层的运动，运用弹性薄板理论和复合材料力学的层合板理论讨论了复合关键层的应力，从而为计算复合关键层的整体强度提供了途径；并且采用结构塑性极限分析方法解析得出了关键层失稳时的极限荷载，依据此极限荷载可以近似判断出覆岩中关键层的位置。     

深部采煤上覆关键层破断诱发矿震特征研究

随着煤炭开采深度的增加，强矿震频发，严重威胁着井下矿工和地面居民的安全，影响矿山生产力和开采效益。基于岩层运动关键层理论和矿震监测技术，研究东滩煤矿深部煤层开采过程中强矿震分布及演化规律，以及煤层开采导致上覆多关键层协同运移破断特征和诱发矿震的能量传播规律。结果表明，深部煤矿开采初期矿震大多集中在低位岩层，随着工作面的推进，矿震逐渐向高位岩层转移，高位厚硬岩层是强矿震的主要孕育、发生基地。深部煤层上覆往往孕育多层关键层，煤层采动易造成上覆多关键层协同断裂运动。随着破断岩层总厚度逐渐变大，岩层中积聚的弹性应变能被瞬间释放而诱发矿震。工作面回采后，关键层断裂一般会以“O-X”形式呈现，形成“O-X”型破断的范围由下向上逐渐增大，形成的破断结构亦有主亚之分。研究结果对类似条件下深部煤矿工作面的安全、高效开采具有借鉴意义。     

硬软交替岩层的复合顶板主关键层及其破断距的确定

采煤工作面顶板岩层主关键层及其破断距的确定对于采场矿山压力控制至关重要。以白皎煤矿采煤工作面硬软变替岩层的复合顶板为研究对象，采用相似模拟试验研究、关键层理论分析和数值模拟计算相结合途径确定复合顶板主关键层及其破断距。研究结果表明：该工作面顶板第1～3硬岩层依次破断，为顶板亚关键层；第4～6硬岩层组成的复合关键层为项板主关键层；计算得到的复合顶板主关键层的平均破断距为114m；当该工作面推进到108．2m时，主关键层的破断导致工作面出现异常矿压显现。工程实际应用情况表明，3种方法的有机结合，可以较准确地确定硬软交替岩层的复合顶板主关键层及其破断距，对采煤工作面的支护及矿山压力控制具有指导作用。     

岩层移动与控制的关键层理论及其应用

采用模型实验、 数值模拟、 现场试验和计算机图像分析等方法, 对关键层判别方法以及关键层运动对采场矿压显现、 覆岩移动与地表沉陷及裂隙场分布的影响规律等问题进行了深入的研究。 从两层坚硬岩层破断顺序的研究入手, 揭示了关键层上载荷分布规律及其对关键层破断顺序的影响, 并由此建立了判别覆岩中关键层位置的方法。 研究了关键层破断块度对“砌体梁”结构下沉曲线形态的影响, 并提出了“砌体梁”结构下沉曲线的拟合方程。 确定了关键层对采场矿压显现产生影响的判别条件与影响规律, 揭示了关键层破断前后煤柱支承压力分布规律。 揭示了表土层与关键层间耦合关系的一些基本规律及其对改进地表下沉预计方法的指导意义。 揭示了覆岩移动过程中离层与“导水、 导气”裂隙两阶段发育规律与“O”形圈分布特征。 编制了采动裂隙量化分析的图像处理软件FIMAGE。 将关键层理论应用于我国卸压瓦斯抽放实践, 建立了卸压瓦斯抽放的“O”形圈理论, 并在淮北、 阳泉矿区卸压瓦斯抽放中得到应用。 将关键层理论应用于地表沉陷控制实践, 建立了覆岩离层注浆钻孔布置的原则, 指导城下条带开采试验, 取得了显著的经验效益。     

弹性薄板理论在地下采场顶板变化规律研究中的应用

以大同矿务局四老沟煤矿8402工作面为工程背景,根据地下采场中围岩结构和岩体中存在着各种结构面的力学特征,假设关键层沿工作面方向上被结构面族分割成一系列相互作用的矩形岩板,以此建立弹性薄板组的力学模型;应用数值模拟技术研究该模型的挠曲和应力分布,结合工程现场实测数据,总结出来压时沿工作面方向上工作面中部极限强度较小的岩板首先发生破断,相邻岩板的支承边界变得不利,随着工作面的推进和载荷的增大,相邻岩板相继破断,依此类推直至岩板破断到工作面两端的关键层破断规律;合理解释工作面中部的支架工作阻力大于其端部支架工作阻力的现象和关键层来压比较强烈的原因。     

坚硬顶板厚煤层卸压开采覆岩运移特征试验研究

为研究多组厚硬顶板厚煤层开采覆岩运移特征及其对上煤层卸压范围的影响,结合潘二煤矿3煤和4煤开采地质及工程条件,构建了相似材料模拟试验模型。试验观测与数据分析表明,受煤层倾角和多组厚硬岩层影响,覆岩运移中出现非对称“台阶”断裂现象,应力卸压角、膨胀变形卸压角与经验法计算结果相差较大,应力卸压角小于理论计算卸压角平均13°,变形卸压角小于理论卸压角平均7.5°。应用关键层理论分析表明,卸压层和被卸压层间两个关键层是引起覆岩“台阶”断裂、运移不协调及卸压范围减小的主要原因,揭示了多关键层组合对覆岩运移的非对称及卸压特征的差异性的作用机理。     

基于瓦斯抽放的顶板冒落规律模拟试验研究

为了给采空区瓦斯抽放高位长钻孔的设计提供依据，采用相似模拟试验与关键层理论分析采空区顶板产生裂隙、断裂、冒落和离层情况及其变化规律。随工作面的推进，关键层的弯曲变形经历从缓慢-剧烈-缓慢-破断的过程：亚关键层的弯曲下沉范围明显小于主关键层。关键层破断后，其下采空区两侧垫层的弹性变形得到恢复，下沉位移出现反弹。关键层的承载作用和岩层力学特性的差异使关键层间顶板的垮落角不同。覆岩关键层的破断使工作面顶板垮落角减小、周期垮落步距和来压强度都增大。依据覆岩关键层的破断形态、顶板的垮落角和周期来压（垮落）步距可以确定瓦斯抽放钻孔的终孔位置和钻场间钻孔的压茬距离，并预测钻孔的抽放瓦斯效果。     

上覆高位岩浆岩下离层空间的演化规律及其预测

针对工作面上覆高位硬厚岩浆岩条件,采用相似材料模拟试验研究了主关键层下离层空间的演化过程与形态特征,分析了离层空间的层位演化与横向扩展规律、覆岩与主关键层的运移规律;通过理论分析揭示了离层空间形成的机理与条件,提出了离层空间演化特征的确定方法,建立了主关键层底部最大离层空间的分析模型与预测方法。研究表明:岩层组合失稳运移形成"月牙"形离层空间,以间歇式跳跃上升至岩浆岩底部,岩浆岩底部存在较大的离层空间,并由"月牙"形逐渐转变为"一字"形,岩浆岩破裂运移导致离层闭合。离层空间在亚关键层及主关键层底部自下而上动态发育与闭合,层位高度及发育范围与推进距离呈正相关性,可采用"多梯形"方法确定其演化过程。覆岩运移经历下位关键层沉降、运移向主关键层底部发展、底部盆地沉降、岩浆岩运移及整体稳定等5个状态,覆岩下沉形态先后呈"V"型、"√"型及"U"型。岩浆岩运移过程分为下部支撑、底部离层扩展、破裂随动、失稳运移及离层闭合稳定等5个阶段。建立了最大离层空间的覆岩结构及弹性基础梁模型,得到其断面积和体积的预测计算式,为高位岩浆岩下安全开采提供了理论依据。     

覆岩主关键层对地表下沉动态的影响研究

在对岩体内部移动与地表沉陷实测资料进行对比分析的基础上,采用物理和数值模拟方法,就覆岩主关键层对地表下沉动态过程的影响进行了研究。研究结果证明,覆岩主关键层对地表移动的动态过程起控制作用,覆岩主关键层的破断将引起地表下沉速度和地表下沉影响边界的明显增大和周期性变化。在此基础上,提出将控制覆岩主关键层不破断失稳作为建筑物下采煤设计原则的观点。     

超长综放工作面覆岩关键层破断特征及对采场矿压的影响

从模拟试验和现场实测发现；随着综放工作面长度的增加，采场覆岩关键层的破裂块度将相应减小，因而采场来压均匀，便于顶煤破碎和放出，但会发生主关键层来压现象，必须采取相应措施，将其加以有效控制。     

采场上覆大厚度坚硬岩层破断规律的力学分析

利用两端嵌固梁考虑体积力的力学模型，对厚层坚硬顶板的破断规律进行分析。利用岩层中应力场的分布，提出了大厚度坚硬岩层3种破坏方式的力学判断方法，分别为：(1)大厚度坚硬岩层中存在弱面和不存在弱面时两种状态下的剪开，从而导致其“关键性”下降；(2)全厚度范围内的压剪破坏；(3)紧靠端面的拉断破坏。从而为煤矿控制大厚度坚硬岩层的破断规律提供理论依据。现场实例检验表明，此方法可用于老顶初次断裂形态和步距的预测。     

上提工作面支架围岩关系及其对矿压显现的影响

 针对淮南矿区提高回采上限工作面易于发生压架事故,采用理论分析和现场实测对上提工作面特殊的覆岩结构及其压架机制进行了研究。建立了不同覆岩结构围岩–支架力学模型,推导出了上覆基岩及松散层作用在关键层上的载荷,确定了支架临界工作阻力,并提出了相应的工作面压架防治措施。研究结果表明：以直接顶充填系数、覆岩关键层结构、基岩面表土层水文地质结构为判据,可将上提工作面覆岩结构分成4大类6种。单一关键层结构上提面压架危险性要比多层关键层结构高。对于单一关键层结构,当工作面临近松散承压含水层时,关键层距离含水层越近,水压越大,则作用在关键层上的载荷越大,关键层“砌体梁”结构越容易发生滑落失稳;当基岩面为厚黏土层时,采动影响下黏土层内部形成自然平衡拱结构,在“拱”结构保护下,“砌体梁”不易发生滑落失稳。     

接触面模型对面板与垫层间接触变形及面板应力的影响

对某在建面板堆石坝进行了三维有限元静、动弹塑性计算,分析了接触面模型对面板与垫层间接触面变形及面板应力的影响。面板与垫层接触面分别采用:双曲线(仅静力计算)、理想弹塑性及广义塑性接触面模型。结果表明:竣工期,3种模型计算的面板应力是基本一致的。满蓄期,3种模型计算的面板顺坡向应力分布规律基本一致,但面板坝轴向应力的分布规律和量值有较明显的差别。蓄水时广义塑性接触面模型计算的接触面的应力路径和剪切位移与双曲线和理想弹塑性存在较大的差异。在地震荷载下,理想弹塑性和广义塑性接触面模型计算的地震后坝体残余变形引起的面板顺坡应力基本一致,但面板坝轴向应力差别较大。理想弹塑性模型只有当应力达到峰值时才产生塑性变形,这样会低估接触面的残余变形,不能与坝体残余变形相协调,高估了坝体残余变形对面板应力的影响。广义塑性接触面模型能更好的反映三维条件下接触面的剪胀、剪缩、硬化、软化、循环残余变形及颗粒破碎特性,更符合实际情况。     

软岩地层地下铁矿开采岩体移动影响范围及变化趋势分析

 在我国官庄东矿北采区,采用分段崩落法进行回采,虽然矿区地表建筑物远离设计的地表移动影响范围,但仍受到影响。结合官庄东铁矿北采区进行分析,对深部开采引起的动态岩体移动变形问题进行具体计算,分析深部开采的岩体移动变形规律及特点,实际观测和理论分析均表明,深部开采工作面的覆岩破坏,具有整体移动变形均匀的特点;软岩地层深部铁矿开采引起的地表移动变形发展缓慢且周期较长。     

采场覆岩厚关键层破断与冒落规律分析

具有良好分层性的采场覆岩破断规律己被基本掌握，但对于厚关键层(特厚层砂岩老顶)覆岩的采场矿压规律还需深入研究。运用岩体破裂过程分析系统，结合某矿区实际覆岩构造特征，分析了具有厚关键层的采场覆岩的破断与冒落规律。研究表明：厚关键层的破断、垮落规律与长梁(或薄板)矿压理论存在根本差异，其初次破断与冒落形态为拱形，周期破断与冒落呈不等长的短块状。厚关键层来压具有多样性和随机性，不同形式的采场来压对支架的作用不同，大块滑落失稳对采场支架的威胁最大，对采场矿压控制提出了严峻的挑战。该研究成果为实际采矿设计与矿压控制提供了理论依据。