液压支架群组支护原理与承载特性

根据液压支架支护特性,建立液压支架群组弹性基础梁力学模型,得出顶板挠度与支护阻力解析关系式,在此基础上研究不同巷帮条件、支架刚度、顶板岩性、岩厚、采高等参数对顶板下沉量和液压支架支护阻力的影响,分析支架上方顶板来压特性与工作面长度的关系,解释普通长度工作面顶板来压特性以及超长工作面顶板来压规律。实例表明,基于弹性基础梁的液压群组计算模型具有实用价值,可以揭示液压支架群组支护阻力以及工作面支架上方顶板挠度变化情况与岩层破断规律。     

基于弹性独立支座的液压支架群组支护应力场分析

基于弹性独立支座构建了液压支架群组模型,并且通过对比,分析了基于弹性独立支座的液压支架群组在不同工作面长度、采高、顶板厚度、巷帮刚度以及顶梁前后比等情况下的支护应力场特征。     

超前液压支架群组–锚固耦合支护力学特性研究及实验验证

为了研究超前液压支架群组与锚杆(索)耦合支护围岩的力学特性,采用中厚板理论对围岩力学特性进行描述,结合能量泛函对等效支架群组支撑力和锚杆(索)作用进行描述,建立超前液压支架群组–锚固耦合支护围岩力学模型,引入罚函数对模型边界条件进行约束,基于Hamilton原理变分获得系统控制方程。依据山西阳泉集团平舒公司温家庄煤矿15106工作面回采巷道超前支护参数,运用Ritz法对模型求解,获得锚固支护、等强支护、非等强支护三种策略下顶板变形量、弯矩、应力分布情况。通过对比3种支护策略下支护效果表明:超前液压支架群组耦合支护下顶板最大位移相对比锚固支护降低36.87%、弯矩降低35.85%、应力降低47.81%,耦合支护能够有效的维护顶板的稳定性;非等强耦合支护相对比等强耦合支护顶板最大位移降低10.29%、弯矩降低12.2%、应力降低29.53%,证明了非等强耦合支护策略对维护围岩稳定的有效性,进而提出超前液压支架群组–锚固耦合"连续渐变"非等强支护策略。采用辽宁省教育厅矿山沉陷灾害防治重点实验室设计的三维相似模拟实验台进行物理实验分析,验证"连续渐变"非等强耦合支护策略的有效性,并将实验结果与理论结果对比分析,等强支护位移最大误差7.2 mm,最大应力误差0.48 MPa,非等强耦合支护位移最大误差5.9 mm,应力最大误差0.19 MPa,考虑实验的复杂性认为误差在控制量范围内,验证所建立的超前液压支架群组–锚固耦合支护围岩力学模型的准确性和揭示耦合支护力学特性的有效性。最后,在温家庄煤矿15106工作面对"连续渐变"非等强支护策略进行现场应用实验,验证研究结果的有效性,研究结果为深部矿井围岩的安全稳定维护和智能化支护控制提供理论支撑。     

大倾角综采工作面液压支架刚柔组合倾覆力矩平衡的支护原理及其应用

基于液压支架失稳特点,着重研究液压支架姿态失稳及其控制方法,提出液压支架"自撑、临拉、底推、顶挤"倾覆力矩平衡的三维支护原理和刚柔系数概念,采用倾覆力矩评定液压支架倾倒失稳条件,利用刚柔系数评价液压支架调节能力,基于静力学平衡条件建立液压支架下滑失稳和倾倒失稳2种姿态失稳的矩阵方程,定量分析大倾角综采工作面液压支架稳定性及其调节能力,给出大倾角工作面液压支架与围岩稳定性耦合状态方程,得出大倾角工作面液压支架保持稳定的基本条件。     

复杂地质条件下岩锚吊车梁结构三维数值分析

根据岩锚吊车梁与围岩联合工作原理,提出了岩锚吊车梁与围岩联合受力的分析方法;通过对复杂地质条件下拉西瓦水电站地下厂房岩锚吊车梁的分析计算,给出了岩锚吊车梁的受力特性,说明了所选择的吊车梁结构参数和锚杆支护参数是基本可行的,论证了吊车梁结构的合理性,为复杂地质条件下地下厂房岩锚吊车梁的结构受力分析提供了一种有效的分析方法.     

软岩巷道交岔点钢管混凝土组合支架支护技术研究

为解决膨胀性软岩巷道交岔点支护难题，以清水营煤矿主斜井与2~#给煤机检修联络巷交岔点为工程背景，在针对性分析交岔点地质特征和变形原因的基础上，提出基于矩形钢管混凝土组合支架的返修支护设计。通过数值模拟分析支架承载力，发现组合支架直梁段抗弯承载力不足，以钢管混凝土直梁抗弯性能试验分析结构优化依据，试验表明：在直梁受拉区焊接抗弯圆钢可以有效提高钢管混凝土直梁的抗弯承载力。采用φ50 mm的抗弯圆钢对矩形组合支架进行结构优化，模拟表明优化后的组合支架整体承载力提高了36%。在工程实践中，基于矩形钢管混凝土组合支架的支护方案应用3年来无明显变形，膨胀性软岩巷道交岔点长期保持稳定，对类似条件下的交岔点支护具有重要指导意义。     

房式采空区下特殊岩梁结构支架工作阻力分析

通过改进台阶岩梁结构,提出"单回转岩块"结构,并得到该结构中支架工作阻力计算公式。对神东矿区石圪台煤矿31201工作面在实体煤下、房式采空区下和过上覆房式采空区集中煤柱3种不同条件下回采时,分别提出"砌体梁–单回转岩块"、"小错位砌体梁–单回转岩块"和"严重错位砌体梁–单回转岩块"3种覆岩错位砌体梁结构,并利用单回转岩块结构的支架工作阻力计算公式得到3种覆岩错位砌体梁结构下支架合理工作阻力。结果表明:理论计算结果与现场实测数据较吻合;工作面过上覆房式采空区集中煤柱期间,无法单纯通过提高支架阻力来避免压架灾害的发生。     

浅埋大采高工作面顶板关键层结构稳定性分析

我国西部浅埋厚煤层普遍采用大采高综采方法回采,大采高综采工作面顶板关键层结构形态及其稳定性对采场矿压及围岩控制具有显著影响。通过建立等效直接顶对采空区充填度的计算模型,将等效直接顶分为"充分充填型"和"一般充填型"。基于物理相似模拟和UDEC数值模拟,分析了大采高采场覆岩单一关键层"高位斜台阶岩梁"结构和双关键层"斜台阶岩梁+砌体梁"结构的稳定性,揭示了单一关键层工作面来压迅猛和双关键层工作面存在大小周期来压的机制,得出工作面支架以等效直接顶静载为基本载荷,以关键层结构失稳动载为附加载荷,给出了工作面支护阻力的计算公式。通过工程实例分析得出,支护阻力随采高、岩层破断角、关键层厚度及关键块长度的增加近似呈线性增大,随关键块回转角的增加近似呈线性减小,采高相同时支护阻力随等效直接顶厚度增加明显增大,等效直接顶静载是大采高支架压力的主要部分,同时验证了支护阻力计算公式的可靠性,表明此计算公式可为类似工作面支架选型及岩层控制提供借鉴。     

沿空巷道围岩破坏规律研究

为研究回采条件下沿空留软岩巷围岩变形与破坏,采用理论分析方法总结了沿空留巷围岩应力场分布规律及围岩大变形的破坏机理,通过室内试验方法获得工作面不同围岩的物理力学性质,根据围岩的受力特征及岩性的力学特性,设计了矩形巷道断面的支护结构设计。采用有限差分方法建立回采条件下软岩巷道的数值模型,并数值模拟开采影响下不同支护条件的软岩巷道变形和破坏规律,通过建立锚杆和锚索的数值单元来模拟不同支护方案下围岩的变形和破坏规律,最终得出了一些有意义的结论。     

软岩隧道不同支护方法的数值分析和效应探讨

通过对软岩隧道各种支护方法及其机理的理论分析,本文结合重庆某高速公路软岩隧道,采用有限差分法(FLAC2D)分别建立了五种支护方案的平面计算模型,针对五种支护方案的计算结果深入分析在不同支护条件下隧道周边围岩的位移场、应力场,并探讨各种支护方法的支护效应,得出了锚杆注浆喷射混凝土能有效控制拱顶沉降和拱腰收敛,及时回填仰拱能有效控制底板隆起及抑制仰拱和墙脚塑性区开展的结论,探讨结论可为同类隧道的开挖支护提供参考。     

高地应力软岩隧道合理支护方案研究

 基于高地应力软岩隧道明显流变效应的特点,提出在喷锚网支护的基础上增设U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充层的支护方案。利用建立的U型钢连接件力学模型和围岩与支架接触模型,分析2种支护方案下,宜昌-巴东(宜巴)高速公路峡口高地应力软岩隧道的长期稳定性。研究表明：(1) 建立的U型钢可压缩支架的连接件力学模型和围岩与支架之间的接触模型可以很好地反映支架缩动性与摩阻力之间的关系;(2) U型钢可压缩支架和泡沫混凝土填充层的联合支护既可以吸收围岩的流变变形,减小二次衬砌上的形变压力,又可以提供稳定的支护力,有利于高地应力软岩隧道的长期稳定。     

深井软岩巷道钢管混凝土支护结构性能试验及应用

 深井软岩及动压巷道支护难度大,传统的支护方式已难以满足需要。为此研发钢管混凝土支架,在实验室测试支架的力学性能,试验支架采用f140 mm×4.5 mm钢管和C40混凝土,由4段构成,接头采用套管连接。在侧向约束、纵向点载荷加压条件下,试验支架的极限承载力为1 504.1 kN,纵向极限压缩变形为82.65 mm,破坏方式为钢管材料屈服破坏。与U型钢支架相比,钢管混凝土支架支护反力大、性价比优越。钢管混凝土支架在煤矿井下巷道支护应用效果良好,有着广泛的推广应用前景。     

复采工作面过冒顶区顶板断裂特征及控制研究

 针对复采工作面过冒顶区时工作面易发生煤壁滑帮、端面冒漏以及顶板来压强度大等特点,以晋煤集团圣华煤业3101复采工作面为工程背景,运用相似模拟对复采工作面过冒顶区时顶板破断特征、支承压力分布特征以及支架受力状态进行研究,依据相似模拟结果建立复采采场力学模型,推导液压支架支护强度的计算公式,提出复采工作面过冒顶区时的围岩控制技术。研究结果表明：(1) 工作面过冒顶区时采场顶板易形成大厚度、长跨距的超前大断裂;(2) 冒顶区弱化了顶板岩梁的应力传递,加剧了支承压力的荷重集度;(3) 液压支架受顶板超前大断裂的影响,支架工作阻力在通过冒顶区前呈突变性增加,模拟结果支架支护阻力最大值为16 200 kN,理论计算支架支护阻力为16 110.5 kN;(4) 复采工作面在通过冒顶区前必须对冒顶区进行注浆充填,同时给出支架工作阻力随充填体强度变化的关系式,为复采采场顶板控制提供理论依据。     

海下强膨胀软岩动压巷道恒阻让压耦合支护技术研究

为解决北皂煤矿强膨胀软岩回采巷道在超前动压力作用下引起的开挖初期变形量大、全断面持续大变形、U型钢支架破坏严重等问题,采用微观物化分析、地应力测试等手段,揭示围岩强度低、强膨胀性、强吸水软化、围岩应力四周来压、支护与围岩变形不耦合的失稳机制,提出恒阻锚杆支护方法,并揭示恒阻锚杆可通过高阻、高预紧力、可变形让压结构特征支护强膨胀软岩的支护机制,最终提出锚梁结构强化顶板+恒阻锚杆加固两帮+注浆锚固支护底角的恒阻让压耦合支护方案,并采用数值模拟进行支护效果对比分析。现场试验表明:恒阻让压耦合支护能够较大幅度减小巷道围岩变形量和超前动压影响范围,其中变形量最大282 mm,超前动压影响距离70 m,分别较普通螺纹钢锚杆+锚梁支护变形量减小64.8%、动压影响距离减小10 m,较U型钢架棚壁后浇筑混凝土支护变形量减小54.7%,动压影响范围减小20 m。在同类软岩巷道中具有良好的推广应用价值。     

基于摆型波理论的防冲支护设计

 针对当前煤矿支护方面不能有效解决冲击地压防御这一工程难题,分析并指出煤矿支护形式、支护方法上存在的根本问题。基于深部非连续自平衡应力岩体介质的等级块系构造理论,建立一维非连续自应力块系上覆岩体与支护互馈作用的理论模型,研究在冲击扰动下岩体中摆型波传播时支护性质对支护端岩块动力响应影响上覆岩块动态响应受不同性质支护作用的影响。分析得到：对于刚性支护当支护为刚性时,支护端岩块动力响应的加速度幅值随支护刚度的增大而降低;当刚性支护中具有柔性阻尼耗能机制时,岩块动力响应时间会随阻尼系数的增加而缩短。由此推论：在煤矿支护中,利用刚性支护与柔性阻尼耗能机制相结合的方式可以增强围岩稳定性、增加支护–围岩系统抵抗冲击的能力,以防止冲击地压的严重显现。由此提出刚柔耦合快速吸能让位防冲支护设计理念,并对基于该理念研制的新式巷道防冲吸能液压支架进行简要介绍,对其中核心吸能构件进行初步分析,为进一步研制系列防冲支护设备,形成新式防冲支护技术与方法,改善当前煤矿防冲支护设计,形成新式防冲支护技术与方法,奠定一定的理论基础。     

立井煤矿TBM掘进巷道围岩稳定性数值计算

针对立井煤矿TBM掘进施工硬岩巷道的施工现场情况,采用FLAC~(3D)有限差分法数值计算软件分别对无支护工况和现场实际工况两种工况进行了模拟及巷道围岩稳定性分析。通过研究两种工况支护条件下的应力场和位移场的分布规律,说明现场支护方案可有效保证巷道的稳定性,为今后立井煤矿TBM掘进硬岩巷道支护方案设计提供了理论依据。     

大同煤矿集团综采设备之液压支架概论

煤炭在我国的经济发展中占据重要的战略地位,同时也是支撑我国能源的主要品种。大同煤矿集团有限责任公司主要开采的侏罗纪煤层,煤种以低灰、低硫、高发热量、挥发分适中、煤质稳定的特点享誉世界。而在煤矿生产中,液压支架扮演了非常重要的角色,是综采工作面支护的关键设备之一。液压支架技术的好坏直接影响到同煤集团的发展,同时它还标志着同煤集团煤机装备的高低,在液压支架技术的重大创新和进步上,都将会推动机械化采煤技术的前进和发展。由于采煤工作面的底顶板条件、煤层厚度、煤层的物理机械性质等的不同,对液压支架的要求也不同。因此,为了有效的支护顶板,必须科学利用不同类型和不同结构尺寸的液压支架。     

黑梁煤矿综采工作面液压支架选型设计研究

通过对黑梁煤矿几个主要的首采煤层的工程地质条件进行分析,并对液压支架主要参数进行理论计算,选择了能够满足现场综采需求的支架类别和结构形式,实践证明,合理的选择适应生产的液压支架,是实现矿井高产高效、取得最佳经济效益的前提条件。     

坑内预留土作用下多支点支护结构的变形内力计算

基坑围护结构内侧预留土可有效减小围护结构内力和变形,且设置灵活,在工程中应用日益广泛。为了分析坑内预留土对多支点支护结构的作用效应,首先,基于三参数地基弹性梁模型,根据支护结构沿竖向受力模式的不同,给出了一种考虑坑内预留土作用影响的计算分析模型及控制方程组;在此基础上,通过桩身离散和矩阵传递法,推导建立了多支点支护结构内力变形计算的矩阵表达式,并给出半解析解答方法;最后,采用该方法对工程实例进行计算,并对坑内预留土设置宽度、高度的影响规律进行了分析,验证了方法的可行性,可为支护工程设计施工提供参考。     

组合式地质力学模型试验系统及其在分岔隧道工程中的应用

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法。地质模型是客观物理实体的再现,在满足相似原理的条件下,能够真实反映岩土介质的基本力学变形特性。要进行模型试验,就必须有相应的模型试验装置。根据地质力学模型试验的特点,本文研制出一种能实施同步非均匀加载的组合式地质力学模型试验系统。该系统主要由盒式台架装置、变荷加载板和液压加载控制试验台组成,其具有尺寸可调、加载规模大、持荷稳定的显著优点。应用该系统对一大型分岔隧道工程进行了三维地质力学模型试验研究,有效揭示了分岔隧道围岩位移场、应力场的变化规律和岩锚支护效应。