大倾角伪俯斜采场顶板运移规律实验研究

为研究大倾角伪俯斜采场顶板垮落运移及其与支架相互作用关系。采用大比例三维物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究手段,深入分析了伪俯斜采场初采阶段和正常回采阶段顶板应力演化与变形破坏规律,垮落顶板充填特征以及"支架-顶板"相互作用规律。结果表明,大倾角伪俯斜采场顶板应力分布与位移具有非对称性,顶板具有非对称"O-X"破断特征,且具有明显的时序特征,其中"O"破断顺序为:采空区侧边界—采煤工作面侧边界—上部边界—下部边界;"X"破断顺序为:工作面倾斜上方基本顶先发生破坏,随后基本顶沿顺时针方向依次破断。顶板周期性来压与垮落均具有分区特性与时序性,沿走向工作面各个区域顶板的垮落位置与支架相对位置不同,其中,工作面倾斜中部支架直接受到垮落顶板的作用,具体为"砸—压—推",而倾斜上部与下部垮落顶板仅在下滑过程中对支架产生倾向向下的推力,未出现明显的砸、压现象,上部作用最弱,破断顶板使支架发生不同程度的"倒"、"扭"现象;垮落顶板对采空区的充填可分为4个阶段,各个阶段交替转化的过程对工作面中、下部支架的稳定性产生了影响,矸石堆积区最终沿走向形成充填稳定区域与动态运移区域。为大倾角煤层伪俯斜采场岩层控制提供科学依据,也丰富了大倾角煤层采场岩层控制理论。     

俯采采场顶板破断运动特征和矿压显现规律研究

为研究俯采采场顶板破断运动特征和矿压显现规律,对袁店某矿7211俯采工作面进行了矿压监测,分析了工作面液压支架支护阻力的循环变化规律及支架的适应性。建立了俯采采场老顶初次破断和周期破断力学模型,得出了破断准则和破断步距理论计算式。采用UDEC软件模拟了7211工作面推进过程中顶板运动破坏和煤壁稳定性规律。研究表明:俯斜开采时沿层向分力与煤壁压缩变形位移方向相反,煤壁稳定性增强;层向分力使直接顶压裂裂隙受到挤合,其整体性得到加强,俯采有利于顶板管理。研究结果为今后类似条件下开采、巷道布置与支架选型提供了科学、可靠的依据。     

大倾角特厚煤层综放开采采场顶板破断特征

针对大倾角特厚煤层综放采场冒落矸石下滑充填及顶板破断特征,将大倾角煤层采场上覆岩层视为倾斜弹性板,利用"板"的理论对大倾角综放采场顶板矿压显现规律进行了研究。研究表明,大倾角特厚煤层综放采场顶板的破断特征与冒落矸石的下滑、充填程度有密切关系,且受矸石影响较大。根据采场顶板的不同条件对其破断特征进行了研究,得出大倾角特厚煤层综放采场矿压显现规律及顶板破断特征。     

大倾角煤层俯斜开采顶板破坏机理研究

以葛亭煤矿2317工作面大倾角煤层俯采采场为研究对象,采用相似材料模拟和理论分析的方法研究了顶板运动规律、采场覆岩离层的产生、直接顶破坏规律以及基本顶结构动态演化规律。结果表明:大倾角俯斜开采基本顶初次来压步距约50m,周期来压步距约25m,比同等条件下工作面沿倾向布置时的来压步距较长;采场离层带呈"锐角三角形状",离层由下位岩层开始产生,形成组合结构向上有规律地运动;直接顶不规则冒落的岩石滑向工作面,对工作面不利,同时使原来是基本顶的岩层在工作面推进到一定距离后变成了直接顶,使直接顶位置上移,基本顶结构发生明显运动的区域主要处于倾斜中上部,其在垂直岩层层面内顶板的破断和运动是稳态的,并沿倾向向上位岩层发展呈"阶梯状"。     

基于弹性薄板理论的采场顶板破断特征分析

针对煤层开采过程中采场覆岩形成的特定空间结构和变形破断形态,运用弹性薄板小挠度理论构建四边固支、两边固支两边简支和四边简支3种支承边界条件下的顶板力学模型,通过理论计算得出了基本顶断裂前后的挠度、弯矩和应力解析表达式,并从理论层面分析了顶板破断的内在机理与显现特征,揭示了采场顶板横“O-X”破断的力学本质。采用三维数值模拟软件FLAC3D系统分析了顶板应力场的演化特征和分布规律,模拟结果与理论分析较为吻合。     

大倾角煤层长壁伪俯斜采场围岩应力演化及顶板破断特征

以绿水洞煤矿3132俯伪斜工作面为工程背景,研究了大倾角伪俯斜采场围岩应力演化、顶板破断及采场空间尺度特征。结果表明,大倾角伪俯斜采场围岩存在应力拱特性,沿走向呈对称性应力拱,沿倾斜方向呈非对称性应力拱;在工作面推进过程中,基本顶应力演化形态依次为楔形→倒立桃形→倒立梯形等主要形态;基本顶岩层在中上部区域呈拉、压破坏,在下部区域呈压破坏;伪俯斜采场支承应力峰值较真倾斜采场支承应力峰值略大,随开挖次数的增加支承应力峰值逐渐叠加产生累积效应;伪俯斜采场受顶板断裂、垮落"时序性"以及矸石充填"负约束效应"的影响,易形成空间尺度上大、下小的非对称性采场空间。     

基于薄板理论的巷道层状顶板破断模型分析

基于弹性薄板理论,对巷道单层厚度较小的层状顶板进行力学分析,建立不同边界条件下层状顶板岩层的薄板力学模型,通过推导四边简支板和两对边固支板边界条件下顶板岩层所受的最大弯矩理论解,依据第一强度理论建立顶板岩层最大拉应力方程,并结合数值模拟分析得到了顶板岩层应力分布特征与破断机理。     

大倾角煤层矿压显现立体相似模拟

通过设计立体模型架 ,实现了在不同倾角条件 ( 0°～ 75°)和不同开采体系 (真、仰、俯伪斜 )下 ,大倾角煤层矿压显现的模拟研究 ,得到不同结构条件顶板在煤层开采时活动、破断和稳定规律及其力学行为特征 ,并对大倾角煤层开采方法及支护方式提出相应的建议。     

大倾角大采高综采工作面支架工作阻力分布特征研究

以攀煤集团花山煤矿4238工作面为工程背景,利用弹性力学薄板理论,分析了大倾角大采高工作面顶板沿走向和倾向的破断特征;通过模拟大倾角大采高工作面顶板垮落高度,考虑工作面对应段支架承受动、静载荷的不同,分析确定了工作面支架工作阻力呈现中间大、两端小的明显分区特性。根据KJ21矿压监测系统对工作面支架进行实时监测,分析工作面支架阻力规律,基本符合理论分析的分布特征,验证了理论计算和数值模拟的可行性和正确性。     

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。