放顶煤过渡支架关键部件设计研究

针对放顶煤过渡支架在冲击载荷的作用下易导致主要承载结构疲劳性失稳破坏的问题,以放顶煤过渡支架的主体结构件顶梁和底座为研究对象,运用Solid Works建立顶梁和底座的三维模型,利用ANSYS Workbench有限元软件对零部件进行疲劳寿命分析,通过分析顶梁和底座寿命云图、损伤云图以及疲劳敏感特性曲线,获得了顶梁和底座的疲劳累计损伤最大值和易发生疲劳破坏的部位。结果表明:所设计的顶梁和底座在载荷作用下变形量较小,累计损伤最大值低于可用寿命值。     

采场爆破烟尘浓度分布及扩散规律的数值模拟

针对采场爆破作业过程中烟尘浓度高且不易排出的特点,采用现场实测的方法对烟尘浓度进行实际测定,并依据气固两相流理论,运用计算流体力学的Fluent软件对采场爆破烟尘浓度分布及扩散进行数值模拟,通过对比分析,模拟结果与实测数据基本保持一致,极好地验证并完善了现场研究理论。通过研究发现：采场进路内有风流漩涡存在,在断面方向,烟尘浓度以断面中心为圆心径向逐步降低;在轴线方向,烟尘浓度随距工作面距离的增加逐步降低;随着时间的推移,烟尘浓度先迅速上升至最大值,后缓慢降低;联络巷风速为2 m/s时采场内烟尘排出效果达到最佳;此外,还可通过安装局部通风设施加强烟尘的排出效果。     

综采采场支架工作状态研究

以综采采场上覆岩层运动规律为核心,运用"传递岩梁"理论对采场基本顶进行了"给定变形"和"限定变形"的控制设计,并详细分析了支架在2种工作状态下的支护强度和活柱缩量的计算确定方法,并利用实测支架载荷和顶板下沉量等参数对采场支架的实际工作状态进行了判定。结果表明:采场顶板控制设计中对直接顶采用"给定载荷"的工作状态,根据不同的控顶要求对基本顶采用"给定变形"或"限定变形"的工作状态。实测采场来压结束后顶板下沉量小于极限下沉量,则支架处于"限定变形"的工作状态;否则,支架处于"给定变形"的工作状态。实测采场来压结束后支架载荷大于能对岩梁的位态起限制作用的支架下限承载值,则支架处于"限定变形"的工作状态;否则,支架处于"给定变形"的工作状态。     

综采采场支架工作状态研究北大核心

以综采采场上覆岩层运动规律为核心,运用"传递岩梁"理论对采场基本顶进行了"给定变形"和"限定变形"的控制设计,并详细分析了支架在2种工作状态下的支护强度和活柱缩量的计算确定方法,并利用实测支架载荷和顶板下沉量等参数对采场支架的实际工作状态进行了判定。结果表明:采场顶板控制设计中对直接顶采用"给定载荷"的工作状态,根据不同的控顶要求对基本顶采用"给定变形"或"限定变形"的工作状态。实测采场来压结束后顶板下沉量小于极限下沉量,则支架处于"限定变形"的工作状态;否则,支架处于"给定变形"的工作状态。实测采场来压结束后支架载荷大于能对岩梁的位态起限制作用的支架下限承载值,则支架处于"限定变形"的工作状态;否则,支架处于"给定变形"的工作状态。     

UDEC模拟软件在大柳塔矿大采高综采面的应用

以神东矿区大柳塔煤矿的52304综采工作面为工程背景,通过计算机数值模拟和现场实测等研究方法,对大采高综采面矿压特征和分布规律进行了研究,采用UDEC对不同深度和采高的采场进行数值模拟,分析比较浅部与深部采场在不同采高情况下超前支承压力的变化特征,为矿井大采高工作面的安全高效生产提供了指导。     

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。     

大规模采场开采稳定性模拟预测与实测验证

针对某地下金属矿山采场采用大直径深孔分步爆破开采的实际, 为了掌握采场围岩稳定性情况, 运用二维有限元模拟软件Phase²对采场回采过程进行了分步数值模拟, 分析采场的稳定性, 对采场可能发生冒落或垮塌处进行预测。运用空区三维激光探测系统(CMS)对采场进行了现场探测, 以CMS实测数据为基础生成采空区三维模型, 提取采空区二维实际边界与数值模拟的结果进行对比分析, 进而实现对采场稳定性模拟预测结果的实测验证。实践表明, 实测结果与预测结果基本一致, 验证了这种模拟预测方法的可靠性和有效性。该方法能有效地预计到大规模采场开采稳定性情况, 并据此进一步改进大爆破回采工艺, 从而实现安全、高效率开采。     

采场压力对瓦斯涌出量和煤与瓦斯突出的影响

从实测采场压力和瓦斯涌出量曲线中，发现二者多数峰值变化基本步距一致，通过分析论证，找出了采场压力与瓦斯涌出量、煤与瓦斯突出三者的变化规律。     

300 m超长综放工作面整体顶梁支架受力及参数分析

针对300m超长综放工作面ZFS6800／18／35型整体顶梁支架阻力实测结果，分析了支架阻力的分布特点及前柱阻力大于后柱的原因，以此为基础对顶梁上载荷分布进行了理论研究，最后对影响支架性能发挥的主要参数进行了敏感性分析。研究结果表明：整体顶梁综放支架在兴隆庄煤矿4326综放工作面的应用是成功的，用二次多项式分布来模拟整体顶梁载荷分布是合理、可行的。前柱支设倾角对顶梁载荷大小的影响最敏感，而前柱支设位置则对起支撑作用的顶梁起始点位置最敏感，通过调节最敏感性参数可实现对顶梁载荷分布的控制。     

基于弹性地基梁采场坚硬顶板变形与内力的解析计算

将煤层、直接顶处理为弹性地基,考虑开挖扰动产生的支承压力影响,建立采场顶板的力学分析模型,采用分段函数描述工作面前方顶板所受的支承压力,结合连续条件和自然边界条件求解模型并获得了岩梁的弯矩、剪力和挠度的解析表达式;采用matlab软件得到坚硬顶板的变形与内力曲线。通过分析可知:1)在支承压力最大值处,岩梁的变形、最大正(负)弯矩都近似与应力集中程度成正比关系,同时也是岩梁可能发生断裂的关键位置;2)在开挖影响范围内,随着Winkler地基系数k的增大岩梁变形减小;3)随着开采宽度的增大,原点距应力集中区域较远,所以变形较小,但是最大变形处至煤壁距离不变。     

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。     

矿房与矿柱稳定性的断层影响数值模拟研究

运用连续介质快速拉格朗日差分法,对某金属矿山有尤断层及不同位置、倾角断层等4种方案条件下的采场稳定性进行分析。数值计算中采用平面应变模型和莫尔一库仑屈服准则,分别就各方案的最大主应力、矿房顶板中央下沉量、矿柱中央剪应变增量及整体安全系数模拟结果进行对比分析。结果表明：断层对最大主压应力影响不明显,但对最大主拉应力影响较大;断层对采场位移影响较大,尤其是穿过矿柱的断层对采场位移影响最为明显;有无断层及不同断层倾角、位置对采场剪应力影响不大,但对采场整体稳定性有很大影响。     

采矿顶板最小安全厚度及地面沉陷变形研究

主要研究计算某矿山采场顶板保护层最小安全厚度和矿山开挖的地面沉陷变形量。具体的方法是按抗弯和抗剪2种结构力学模型分别推导出顶板最小厚度理论计算公式,进而计算出顶板最小安全厚度;利用Auto CAD建立矿山开采区精细的工程地质三维模型,利用ANSYS有限元软件建立数值计算模型,再导入数值模拟软件FLAC3D中进行计算,以此来模拟矿山开挖的全过程。最后,模拟得到的地面沉陷变形量满足规范要求。     

急倾斜采场上盘顶板预应力锚杆条网带支护间距设计方法研究

针对某矿急倾斜采场上盘顶板局部冒落,提出采用2～3排预应力锚杆加条网构成的锚杆条网带沿倾向间隔一定距离支护该顶板。应用材料力学建立该顶板的锚杆条网带支护力学模型,分析其冒落机理,并基于三弯矩方程推导锚杆条网带支护间距设计公式。应用FLAC^3D正交数值模拟各种赋存条件下上盘顶板锚杆条网带支护的最佳间距,系统分析矿体埋深、倾角、厚度及顶板岩梁高度对锚杆条网带支护间距的影响,并多元线性回归修正了该支护间距设计公式,最后将修正的公式应用于该矿深部留矿法采场上盘顶板锚杆条网带支护间距设计。研究结果表明:急倾斜采场上盘顶板中央弯矩最大,是冒落控制的关键部位;锚杆条网带支护该顶板具有减跨效应,可以有效减小其中央的集中拉应力,经济有效地避免其冒落。     

“煤体-支柱(架)-胶结体”联合作用下顶板超静定梁模型

针对胶结充填开采中工作面煤壁、控顶区与胶结体形成区间上方的顶板受力问题,考虑胶结体强度前期快速增长、中期缓慢增长和后期稳定的形成特性,以及胶结体对顶板的支撑作用随距离工作面的长度增长而增大的特性,建立“煤体-支柱（架）-胶结体”联合作用下顶板超静定梁模型。基于结构力学解析方法,得到该模型及其2种特殊情况下的岩梁两端支座反力、两端弯矩和整个岩梁剪力、弯矩分布的表达式;确定最大剪力位于煤壁处;加快充填体强度形成的速度,能减小岩梁两端及支座所受应力。模型算例表明：① 支柱和胶结体的介入,较大地改变了顶板应力分布,岩梁剪力和弯矩分布均具有非对称性;② 煤壁处支座剪力和弯矩均大幅高于采空区侧支座的剪力和弯矩;③ 与垮落法开采相似,充填开采岩梁最大剪力和最大弯矩所在位置仍然在煤壁处,但量值均大幅减小,岩梁应力波动幅度小;④ 胶结充填开采有利于减少煤壁片帮,有利于工作面超前支护和顶板管理。     

不同地质条件下的采场结构参数优化

为了确定不同地质条件下较为合理的采场结构参数,采用理论计算与数值模拟相结合的方法,对不同矿岩稳定性条件下的采场跨度进行选择与优化。以程潮铁矿西区作为研究的工程背景,采用简支梁理论、矿房宽度计算公式对合理跨度与临界跨度进行了计算,并通过FLAC3D数值模拟软件对不同跨度参数的采场稳定性进行了分析。结果表明：矿岩条件为稳固、中等稳固、稳固性较差时的矿房合理跨度分别为18.87、14.93、8.08 m。多矿房回采,位移及拉应力的最大值通常出现在区域中间部位,且矿房跨度的增加极易引起开采区域最大沉降值的迅速增加。矿柱顶板沉降值对矿房跨度也非常敏感。数值模拟结果与理论计算值相符,这表明数值模拟能很好地反映地下开采的真实状态,为采场结构参数确定提供依据。     

大冶铁矿同阶段崩落法转充填法开采隔离间柱合理宽度确定

为保障同阶段崩落法转充填法开采顺利过渡,过渡段处须设置竖向隔离间柱。以大冶铁矿龙洞采区-170 m同阶段崩落法转充填法梯形隔离间柱为研究对象,将其简化为变惯性矩固支梁,并以间柱的水平应 变量允许值为判据,初步确定梯形隔离间柱上端的初始宽度。以梯形隔离间柱上端的初始宽度为基础,采用数值模拟方法,计算了不同梯形隔离间柱上端宽度与不同充填体灰砂比协同作用下的充填采场顶板围岩沉降 量,并对不同灰砂比下梯形隔离间柱上端宽度与顶板围岩最大沉降量进行了数据拟合,由顶板围岩允许沉降值得到与不同充填体灰砂比协同匹配下的梯形隔离间柱上端的合理宽度。数值计算结果表明：与充填体灰砂 比分别为1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12协同匹配的梯形隔离间柱上端合理宽度分别为16、19、21、25、29 m。研究成果可为合理确定矿山同阶段崩落法转充填法开采过渡段隔离间柱宽度提供参考。     

基于有限元强度折减法的采场结构整体稳定性极限分析

以铜陵某铜矿开采设计稳定性研究为例, 利用有限元强度折减法对采场结构的整体稳定性进行了极限分析。计算结果表明, 由于采场结构布置和受力复杂, 仅靠数值计算解的不收敛性作为整体失稳判据是值得商榷的, 而以顶板塑性破坏带大面积贯通、关键点位移突变、破坏单元体积突变和塑性应变最大值突变作为整体失稳判据则具有一致性, 可作为采场结构整体失稳的判据, 由此得到采场结构的整体安全系数, 对地下矿山采场结构稳定性分析具有一定参考作用。     

顶板崩落变形破坏过程的数值分析

采用数值方法建立三维计算模型,分11个步骤对采场开挖的全过程进行数值模拟,得到开挖后空区围岩的水平位移、竖向位移和塑性区分布情况,进而分析矿区顶板自然崩落规律的变形破坏情况。由于采场的开挖,导致岩体内部应力释放,围岩位移指向空区内部,水平位移最大处出现在采场采矿区的两侧边帮处,位移方向均指向采空区内部。随着开挖宽度的扩大,竖向位移呈圆弧曲线形式由采场顶板向岩体内部不断扩张。开挖过程中,空区顶板首先由剪切破坏导致岩体破裂下落,出现采场顶板冒落现象,采场采空区的顶板中央上部岩体随着顶板冒落不断往下变形,出现一定高度破坏区域的岩体。当采场开挖面积进一步扩大时,采场顶板上方的岩块将无法维持稳定状态,出现持续崩落现象。     

马路坪矿中深孔分段矿房不同跨度的稳定性分析

马路坪矿是世界少有、国内目前唯一不经选矿便可直接生产高浓度磷肥的优质原料产地,矿山采用脉内采准中深孔落矿嗣后充填采矿法开采。通过FLAC3D有限差分软件,分析分段采场不同开采跨度下的采场位移与变形特征、顶板最大主应力、顶板垂直应力分布、采场塑性区分布等数值计算结果,得出合理的采场跨度为20 m。