基于薄板理论的急倾斜工作面顶板初次变形破断特征研究

根据急倾斜煤层工作面顶底板地质赋存条件以及冒落矸石对工作面中下部采空区的充填特征,利用弹性薄板小挠度理论,建立了急倾斜工作面顶板的受力力学模型,研究了顶板在上覆岩层和下方充填矸石作用下顶板挠曲变形特征,得到急倾斜工作面下部采空区充填带宽度的理论计算公式和顶板变形挠度方程,结合龙煤集团七台河新铁煤矿工作面实际开采参数,分析出急倾斜工作面中上部顶板受力变形较大,下部顶板变形较小,最大挠度点距工作面上端头24 m处,最大变形量为320 mm,工作面中上部前方煤壁和后方煤壁处、上部顶板和中下部冒落矸石接触处将首先出现拉伸或剪切破坏,最后将形成"U"字型破断。研究结果与实际顶板受力变形相符。     

急倾斜采空区矸石充填顶板控制变形分析

根据急倾斜煤层采空区矸石充填开采下顶板受力特征,建立了顶板岩层梁式力学模型,得到了考虑充填矸石支撑作用的顶板挠度计算式,研究了不同充填量及强度的矸石对不同倾角顶板变形的控制作用。     

动荷载作用下采空区顶板安全厚度确定方法及其工程应用

基于Reissner厚板理论,考虑施工机械的动荷载作用,概化了采空区顶板力学模型,推导了在集中简谐动荷载作用下采空区顶板的挠度方程和内力表达式,揭示了动荷载作用下采空区顶板应力和挠度随顶板厚跨比、动荷载振动频率变化的规律。以顶板岩层抗拉强度为控制条件,推导了采空区顶板安全厚度计算公式,并结合实际工程,进行了验证分析。     

大倾角条件初次破断薄板挠度位移初探

本文提出了一种近似算法。通过对大倾角条件下简支板的挠曲位移分析，认为在大倾角煤层开采条件下，顶板挠曲变形为不对称分布，且最大挠度点偏向于采空区下方     

大倾角条件初次破断薄板挠度位移初探

本文提出了一种近似算法，通过对大倾角条件下简支板的挠曲位移分析，认为在大倾角煤层开采条件下，顶板挠曲变形为不对称分布，且最大挠度点偏向于采空区下方。     

水体下急倾斜煤层采空区矸石充填顶板控制

采用数值计算和物理模拟方法,分析了水体下急倾斜煤层开采采空区矸石自溜充填顶板控制效果。结果表明：采空区矸石充填可以有效降低工作面顶板下沉挠度,减小区段平巷围岩变形;矸石充填限制了相邻分带煤柱的横向变形,减小其变形破坏程度以及降低相邻分带回采时的矿压显现;矸石充填使覆岩内的应力发生转移和重新分布,有效降低了覆岩导水断裂带的高度,减少了防水煤柱的塑性破坏范围。     

急倾斜煤层充填机理梁式模型力学分析

针对在"三下"采煤或要求避免地表下沉量较大的工作面开采,通常采取采空区充填的开采方法。从力学梁式理论的角度分析采空区充填后工作面顶板受力特征,引入充填长度及顶板支撑均布载荷两参数,探讨了采空区充填范围以及填充材料在不同的压实程度过程中对工作面顶板挠曲下沉的影响,给出顶板挠曲计算式。并从数值分析的角度给出工作面顶板在采空区不同充填状态下的位移特征,说明采空区填充对工作面顶板挠度的影响。     

地面施工载荷对采空区顶板变形破坏效应分析

在地面机械施工载荷作用下,露天矿山下伏采空区顶板安全厚度不足时,将诱发采空区顶板产生突发性冒落和引起地表塌陷,对采空区上方作业人员和采掘设备构成潜在安全隐患。以安太堡露天煤矿下伏采空区工程为背景,应用FLAC3D构建三维数值计算模型,分析了在不同开挖高程下的采空区地表施加机械施工载荷作用下下伏采空区顶板变形破坏效应,提出了房柱式采空区破坏模式和采空区顶板稳定性判定依据。通过对下伏采空区顶板及采空区煤柱损伤破坏区域、应力集中程度和主应力值变化情况进行计算分析,并通过各监测点位移变化曲线,揭示了机械施工载荷作用下,采空区顶板及采空区煤柱的变形破坏过程和损伤演化特征,确保工程的安全施工。     

顶板厚度对顶板-岩柱系统应力分布规律的影响研究

为了提高房柱式采空区顶板稳定性评价的精度和可靠性,在对弹性薄板理论分析的基础上,建立了采空区二维模型,运用有限元数值模拟的方法,研究了顶板厚度对顶板-岩柱系统应力场的影响。结果发现,随顶板厚度减小,岩柱应力呈先增后减趋势,顶板应力先缓慢增大后急剧增大,据应力场特征及顶板挠度变化规律,建立了顶板厚度H与顶板各破裂阶段之间的定量关系:H6.67 m,顶板处于弹性变形阶段;3.2 mH≤6.67 m,顶板主要处于"O"型破坏阶段;H≤3.2 m,顶板主要经历"X"型破坏阶段,结合实例分析表明,顶板各阶段挠度的临界值数值模拟结果与理论分析结果吻合,且模拟结果与现场监测资料相符。     

急倾斜走向分段充填顶板初次断裂应力分布规律

根据急倾斜煤层综采走向分段充填开采采空区下部自然冒落矸石和充填柱体布置特点,利用弹性薄板理论建立了急倾斜综采走向分段充填的力学模型,推导了顶板在上覆岩层、自然冒落矸石和采空区分段充填共同作用下的变形挠曲方程。以湘永煤矿2463工作面为背景,分析了顶板应力分布及演化规律。结果显示:(1)顶板产生应力集中和最大不均衡力均出现在工作面中上部位置,说明工作面顶板应从中上部位置最开始变形破坏;(2)在不同充填比条件下,采空区分段充填比越大,顶板受力就越大,挠度反而越小;(3)顶板应力平均值随着充填体强度和煤层倾角的增大而增大,而剪切应力平均值却是随着充填强度的增大而减小,剪切应力随着煤层倾角增大而增大。充填体强度越大对改善顶板受力状态的作用也越大;而煤层倾角越大,顶板的应力和剪切应力值增大,且分布更为不均。利用FLAC3D进行数值模拟得到的应力分布结果与通过挠曲方程得出的应力分布与演化结果基本一致。     

降雨诱发采动滑坡物理模拟试验研究

采动滑坡是岩土工程中极具挑战性的问题之一,采动滑坡为矿区地质灾害的主要类型,其危害性相较于其他类地质灾害更加严重。采煤会诱发平缓结构斜坡发生强烈的地面变形,研究结果表明天然状况下采煤结束后一定时间内地面变形将趋于稳定,采动滑坡的发生受降雨影响显著。以贵州马达岭滑坡为地质原型,马达岭斜坡为平缓倾内的层状结构斜坡,具有上硬下软和上陡下缓结构特征,是受采矿和降雨影响诱发的滑坡。采用物理模拟方法,应用模型箱和相似材料根据相似比建立滑坡模型,采用土压力监测计、孔压力监测计和三维激光扫描仪对模型进行监测,研究了模型在开采与降雨两类工况下变形及内部应力的变化情况和在开采与降雨共同作用下斜坡变形破坏过程,再现了滑坡从孕育到发生的全过程,分析强降雨诱发采动滑坡形成的机制。研究表明:采空区形成后,坡内原有的应力平衡被打破,发生应力重分布,采空区顶板应力卸荷,边界部位应力集中,顶板位置首先发生弯曲沉陷,产生大量离层裂缝,裂缝不断向四周扩展,逐渐形成大量竖向拉张裂缝,采空区的边界部位出现多条斜向裂隙;同时采动的影响不断向上传播,采空区顶板处产生裂缝多与上覆岩体中发育的裂缝贯通形成大型裂缝;降雨作用下,坡内裂缝...     

倾斜煤层沿空掘巷柔性锚杆控制技术研究

倾斜煤层沿空巷道围岩应力状态复杂,围岩控制难度增加。通过理论分析、数值模拟与工程实践相结合的研究方法,对不同倾角下巷道的围岩应力状态、破坏特征及控制技术进行研究。结果表明:随着煤层倾角的增大,巷道两侧侧向支承应力集中峰值不断增大,应力集中区逐渐扩大,且偏载效应明显;提出采用柔性锚杆高预紧长锚固的支护方式,增大巷道的有效承载圈层,确定了不同煤层倾角的2种支护方案。现场矿压观测表明,巷道顶板最大下沉量为22mm,两帮最大收敛变形量为31 mm,沿空巷道围岩结构稳定,整体变形量小,能够为相似条件下的沿空掘巷提供参考。     

缓倾煤层采空区滑坡形成机制数值模拟研究

以贵州都匀马达岭滑坡为例,采用离散元方法,研究了缓倾煤层采空区滑坡的变形发展过程,提出了该类矿区滑坡防治建议。研究结果表明:采空区顶板塌陷导致上覆岩层弯曲-沉陷,地表产生沉降变形,同时采空区边界部位产生倾倒式拉裂,在地表形成深大拉裂;采空区上部岩体沉陷变形导致坡脚部位岩层往坡外剪切滑移;中部滑面沿变形后倾向坡外的层面和陡倾节理组合形成阶梯状滑面。滑坡形成机制可概括为由采空区顶板变形引发的阶梯状蠕滑—拉裂—剪切滑移式滑坡。缓倾煤层采空区滑坡的防治应从防止采空区顶板塌陷入手,通过回填矸石或加强顶板的永久支护来防治采空区上覆坡体的变形。     

综放工作面煤柱巷道软岩底板非对称底臌机理与控制

针对综放工作面煤柱巷道非对称底臌剧烈、支护维护困难、起底工程量大等难题,以大南湖一矿综放工作面煤柱巷道为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场试验等综合研究方法,分析了煤柱巷道围岩周边应力环境特征及其作用下的变形破坏形态。结果表明:煤柱巷道底板强度低下以及在采动影响下围岩应力环境出现非均匀现象,进而导致巷道底板塑性区出现非均匀分布,是造成非对称底臌的内在原因;底臌变形规律监测结果显示,非对称底臌程度与放煤厚度有内在联系,放煤厚度在5.9 m范围内,放煤厚度越大,基本顶岩层破断偏转角度亦越大,巷道围岩周边主应力比值、主应力旋转角度等参数越大,底板塑性破坏引起的非对称底臌变形越剧烈;底板最大塑性破坏深度位置随着主应力方向旋转角度的增加,逐渐向巷道中部位置移动,导致底臌变形最大位置分布不同,同时,煤柱巷道的这种底臌变形可控性较差,现有技术条件下企图采用高强支护是不可行的,控制上应以适应底臌变形为主;然而,当放煤厚度超过5. 9 m,基本顶岩层有沿煤柱边缘失稳切落的可能,巷道围岩应力环境趋于原岩应力状态,巷道围岩塑性区分布范围大幅降低,底臌变形较小。据此,以巷道非对称底臌规律为依据,提出了以调整采掘关系、优化巷道底臌硬化方案为主的底臌控制对策,现场应用效果良好,底臌变形量有效减少的同时,巷道底臌处理工作量亦大幅降低。     

黄土沟谷区浅埋煤层开采斜坡变形破坏机理

为了分析浅埋煤层开采条件下黄土沟谷两侧斜坡的变形破坏机理,基于隆安煤矿深岩沟区域煤层开采地质条件,采用三维数值模拟计算以及理论分析相结合的研究方法,研究了煤层开采后上覆岩土体的应力分布规律、两侧坡体位移分布规律、变形破坏特征以及失稳破坏过程等。结果表明：沟谷两侧斜坡位移以竖直方向为主,水平方向位移均指向采空区中心。斜坡根据变形特征可分为4个变形区：采空区上方一定高度范围内的覆岩冒落塌陷区|采空区中部的松散土体弯曲沉陷区|松散土体弯曲沉陷区和地表移动边界之间的拉裂-倾倒区|地表移动边界之外的未影响区。斜坡的失稳破坏过程可以分为4个阶段：中部沉陷—两侧及后缘拉裂—剪切变形—失稳破坏。研究成果可以为黄土沟谷区域地质灾害评价、采动边坡变形破坏预测以及地表保护提供借鉴。     

不稳定残余支承压力影响下沿空巷道围岩变形规律

由于采掘接替紧张,有的煤矿在上区段回采完毕后不待采空区顶板活动稳定即采取留小煤柱沿空掘巷。在不稳定残余支承压力影响下,巷道掘进期间即出现大变形,给巷道支护带来很大困难。对鲍店煤矿103下03工作面轨道顺槽不稳定残余支承压力影响下沿空掘巷的巷道表面位移、顶板离层和围岩深部位移的监测结果进行了分析,结果表明窄煤柱的变形没有导致悬臂梁的回转失稳,仍起到支撑悬臂梁的作用;窄煤柱塑性变形较大,导致回转岩块支撑点向实体煤壁移动,从而致使巷道实体帮变形加大;巷道上部老顶的稳定情况对巷道变形影响较大。     

采空区顶板破坏机理研究及安全厚度确定

采空区是造成我国矿山灾害事故的重要原因,其顶板安全厚度的确定是一直未能得到很好解决的难题。首先基于薄板理论提出采空区顶板厚度计算新方法,揭示空区顶板安全厚度与顶板几何尺寸及矿石力学特性指标的关系。在得到理论解的基础上,从力学角度分析顶板破坏原因和过程,采用ABAQUS有限元分析软件建立采空区顶板的数值力学分析模型并进行模拟,分析采空区顶板破坏过程和各因素的影响规律。通过数值模拟对采空区顶板进行应力、应变及顶板位移的塑性分析,得到不同顶板厚度、不同采空区跨度等对应力场、位移场的影响规律和采空区顶板安全厚度与采空区跨度的回归曲线及方程。最后通过理论解与数值模拟的比较确定齐大山某空区的顶板安全厚度。     

采动地表移动变形与建筑物损坏程度评价的再认识

实测数据分析的目的是认识地表移动规律和确定预计参数,而沉陷预计的目的是评价采动损坏程度。无论实测数据分析还是形变预计,地表倾斜、曲率和水平变形等主要指标都是基于下沉和水平位移2个移动分量;不均匀下沉在引起地表倾斜和曲率变形的同时,也会导致采动建筑物水平变形和破坏。通过分析起伏地形和不均匀沉陷在实时位形上对地表变形的作用关系,建立了地表水平和起伏条件下采动地表倾斜变形引起的地表水平变形表达式;以采动地表正曲率变形为例,分析确定了建筑结构长度、高度、最大挠度、挠度比与地表曲率的关系,定性给出了建筑结构顶部伸长量、拉伸变形及其影响规律;进一步分析了建筑结构与地基相互作用的反力分布以及拉伸和剪切作用下建筑物损伤破坏特征。在继承我国现行规范中采动建筑物损坏评价优点的基础上,针对硬性分级存在的不足以及I,IV级损坏再划分的模糊性,借鉴英国沉陷工程师手册中考虑建筑物结构长度影响的思想,建立了综合考虑水平变形、建筑物结构长度和挠度比的采动损坏分等定级指标体系;实验结果分析表明,同等采动地表变形条件下建筑结构越长其损坏越严重,证明该指标体系的损坏程度评价结果比现行规范中单纯考虑地表变形的方法更科学、客观,同时消除了原来I,IV级损坏再划分的模糊性和不确定性。     

卢安夏铜矿露天开采下采空区顶板安全厚度研究

地下采空区给露天生产带来了极大的危害,采空区顶板安全厚度的确定是露天生产的重要安全保障。为了研究卢安夏铜矿露天开采下采空区顶板安全厚度,通过对矿山原有采矿技术条件和地质资料的分析及现场实地测量和调查并结合钻孔探测等手段,确定了露天矿下采空区的分布情况。以此分析地下采空区与露天境界空间关系并对露天边坡危险区进行区划,利用理论计算和数值模拟手段对最危险区域的采空区顶板安全厚度进行研究。结果表明:在最危险区域范围内,对不同采空区范围,不同位置的采空区进行模拟结果分析,露天开采的采空区隔离层安全厚度为16m(2个台阶高度),采空区对露天开采的影响较小。