基本顶弹性基础边界薄板模型分析（I）——初次破断

建立基本顶弹性基础边界弹性薄板力学模型,运用偏微分方程有限差分方法,研究了推进步距、弹性基础系数、基本顶厚度与弹性模量对基本顶主弯矩与破断位置的影响,得出：基本顶厚度或弹性模量增大时,中部最大主弯矩Mz增大、长边与短边绝对值最大主弯矩Mc,Md减小;步距增大时,Mz,Mc,Md均增大、Mz增长幅度较小;弹性基础系数增大时,Mz减小、Mc,Md增大;根据主弯矩破断准则得出：推进步距或弹性基础系数小时基本顶中部先破断、反之长边超前煤壁先破断;基本顶厚度或弹性模量小时长边超前煤壁先破断、反之中部先断裂。基本顶厚度或弹性模量越大超前断裂距离越大;弹性基础系数或步距越大超前断裂距离越小。弹性基础边界时,基本顶存在3类破断顺序：① 长边-中部-短边;② 长边-短边-中部;③ 中部-长边-短边。     

浅埋坚硬煤层工作面端头区域支护技术研究

 针对盛鑫煤矿浅埋坚硬煤层51101综采工作面端头区域的支护技术难题,通过现场调研及工程类比等方法,对其围岩变形的影响因素及破坏特征进行了分析,并确定出工作面端头区域支护参数。运用FLAC3D数值模拟软件,对支护前后巷道围岩位移场变化进行对比分析,分析得出顶板最大下沉量、底板变形量及两帮收敛值明显降低,支护参数合理可行。现场实践表明：51101工作面端头区域围岩变形速度及围岩变形量都在安全合理范围之内,实现了矿井的安全高效开采,同时为相似工程地质条件下的工作面端头区域支护技术提供一定借鉴。     

煤岩组合体破坏行为的能量非线性演化特征

利用MTS 815试验机对煤岩组合体进行单轴和循环加卸载试验,研究了煤岩组合体的能量演化特征及规律。试验结果表明:输入能密度与应力关系可分为3个阶段,即缓慢增长阶段、非线性增长阶段、峰后跌落阶段;单轴压缩下输入能密度和弹性能密度均随着应力的增大而增大,耗散能密度与应力关系比较复杂,其增长率逐渐减小,并趋于0,而后迅速增大,体现出明显的非线性特征;循环加卸载下输入能密度、弹性能密度和耗散能密度随着应力的增大而增大。当试样发生屈服时,耗散能比例增加,弹性能比例降低;研究结论为煤矿动力灾害的能量驱动机制提供一定的理论参考。     

厚松散层覆岩移动机理及“类双曲线”模型

现场大量工程实践表明厚松散层移动与常规基岩移动有所差异。目前岩层移动规律的研究主要侧重在两方面:一方面是采场岩层控制主要研究煤层附近顶板基岩的破断和移动规律,另一方面是地测工程主要研究地表松散层的沉降规律。将这两者有机相联,希望能更精准反映基岩和松散层的整体变形及移动规律。基于基岩初次断裂和周期断裂力学模型,获得了主拉应力的分布规律和破断迹线,揭示了基岩的倒漏斗型破断机理;结合概率积分法和剪切滑移理论分析了厚松散层的漏斗型移动机理。由此认为厚松散层覆岩的整体移动呈现"类双曲线"特征,并建立了岩层整体移动的"类双曲线"模型,可更好的预测地表沉陷范围。运用改进的采矿不连续变形分析程序MDDA模拟获得了厚松散层覆岩"类双曲线"型破断运移规律,一定程度上验证了理论模型的合理性。     

深部软岩巷道锚喷注强化承压拱支护机理及其应用

针对深部软岩巷道围岩总变形量大、收敛速率快、持续变形时间长以及支护系统损毁等矿压显现特点,分析了复杂应力场和高渗透压作用下的变形破坏机制,并结合深部巷道的"应力恢复、围岩增强、固结修复和主动卸压"控制原则,提出了集密集高强锚杆承压拱、厚层钢筋网喷层拱和滞后注浆加固拱于一体的锚喷注强化承压拱支护技术,并阐明其成拱及强化支护的机理。结合现场地质生产条件采用理论计算、数值模拟和工程类比法综合确定试验巷道围岩支护方案,并进行现场应用。现场实践表明,采用锚喷注强化承压拱支护技术后,巷道围岩总体变形量较小,围岩收敛率从扩刷修复前的2.6 mm/d降至0.56 mm/d,且支护系统亦无开裂损毁现象发生,实现了对深井软岩巷道的有效控制。     

非均布载荷下充填开采岩层连续弯曲移动力学模型

为了通过采空区充填控制顶板岩层连续弯曲移动,实现保护矿区生态,提出了充填开采覆岩移动"四带"划分:充填体压缩带、连续弯曲下沉带、关键层承载带和生态保护稳定带。试验研究了不同配比(2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1)矸石和粉煤灰的压缩力学特性,得出充填体的"应力-应变"关系近似呈抛物线关系。充填体压缩初期(0～2 MPa)快速变形,压缩后期(>6 MPa),变形量增长较缓慢,可知充填体初期捣实对岩层变形控制起重要作用。当矸石和粉煤灰配比为4∶1时,充填体抗压变形性能最好。分析了工作面后方应力降低和近似线性恢复的关键层承载保护机制。基于充填体压缩特性和工作面后方应力非均匀分布,建立了非均布载荷作用下充填顶板岩层连续弯曲力学模型,得出了充填开采顶板岩层连续弯曲变形的力学条件,实现对充填开采顶板连续弯曲移动的准确判定。数值模拟分析了不同充填率时上覆岩层移动规律,得知当充填率大于90%时,顶板岩层近似发生连续变形移动,且直接顶和地表最大下沉量的模拟结果与理论预测非常接近。     

综放工作面过空巷时支架－围岩稳定性控制

通过分析综放工作面过空巷时支架－围岩稳定性控制的技术难点,提出在过空巷合理的时空节点上实施停采等压、强力锚杆索支护、注浆固结修复和支架支撑力保障的综合控制技术,并阐述了相应的控制机理。建立了综放工作面过空巷时基本顶破断的结构模型,分析得出过空巷时长关键块条件下的支架临界工作阻力;采用数值模拟方法分析综放工作面过空巷时采动影响下围岩应力分布、变形与破坏特征,确定综合控制技术实施的时空节点与相关参数,进而结合现场地质生产条件与矿压规律确定相应技术方案,并进行现场应用。现场实践表明,采用综合控制技术后,未发生大范围冒顶、支架压架等恶性支架－围岩事故,解决了9102综放工作面过空巷的相关技术难题。     

浅埋坚硬煤层工作面超前支护技术研究

针对盛鑫煤矿浅埋坚硬煤层51101综采面超前支护区域巷道的支护技术难题,通过现场调研及工程类比等方法,对其围岩变形的影响因素及破坏特征进行了分析,并确定出工作面超前支护区域巷道支护参数。运用FLAC3D数值模拟软件,对支护前后巷道围岩位移场变化进行对比分析,分析得出顶板最大下沉量及底板变形量收敛值明显降低,支护参数合理可行。现场实践表明:51101工作面超前支护区域围岩变形速度及围岩变形量都在安全合理范围之内,实现了矿井的安全高效开采,同时为相似工程地质条件下的超前支护技术提供一定借鉴。     

岩层移动理论与力学模型及其展望

随着社会对开采沉陷与生态环境问题日益重视,"科学采矿"势在必行。面对新形势,需要在学习前人研究成果的基础上,进行更系统、深入的研究。首先系统总结了国内外垮落法和充填法处理采空区2种情况下的岩层移动理论、优缺点及其适应条件等,重点阐述了关键层理论在岩层移动方面发挥的重要作用。基于采动岩体力学,系统分析了基本顶断裂位置和断裂步距"正态分布"变化的原因。基于采动岩层破断移动的全过程分析和前人的研究成果,提出了充分采动覆岩整体移动的"类双曲线"模型,认为岩层"类双曲线"的焦点位于主关键层位置,该模型通过关键层把砌体梁理论及地表沉陷理论有机联系起来,描述了煤层上覆岩层整体移动规律,是关键层理论的继承和发展。     

深部煤岩组合体整体破坏的非线性模型研究

煤是一种复杂的地质体,其内部具有大量的微裂隙及孔隙。煤岩组合体中,岩石为较硬的部分,煤及其内部微裂隙、孔隙及岩-煤之间的界面共同组成较软的部分。根据工程应变和自然应变(真实应变),建立了表征煤岩组合体的非线性理论模型。该理论模型与煤岩组合体的单轴压缩试验数据吻合度较好。对该理论模型进行简化并对参数进行了讨论,发现参数a约等于1;参数b、参数c与煤样尺寸、弹性模量有关,参数b越大,非线性段逐渐延长,且增大速率基本保持不变;参数c越大,非线性段同样逐渐增长,但是增大速率逐渐减小,并且随着轴向荷载的增加,线性段逐渐重合。