采场围岩整体力学模型及应用研究

 博士学位论文摘要　运用实验相似材料模拟、数值分析、理论分析等方法, 对采场支架2围岩关系中的老顶砌体梁结构的“S2R ”稳定条件, 直接顶岩层的破断角, 直接顶变形破坏特征, 直接顶内的应力场、位移场分布特征, 采场支架工作阻力2围岩下沉量关系等进行了细致深入的研究, 在此基础上建立了采场围岩整体力学模型, 给出支架临界工作阻力的确定方法。论文视直接顶为可变形体, 发现直接顶岩层破断角的大小与直接顶的强度及高度有关, 软弱直接顶的破断角为83°, 要远远大于坚硬直接顶的破断角(49°)。直接顶越坚硬, 破断角越小。随直接顶高度的增加, 坚硬直接顶破断角有一极限值。当直接顶高度为6 倍采高时, 此破断角的极限值为60°。直接顶顶部破断角的极限位置位于支架尾部垂直正上方, 不可能出现在此位置之后。分析了不同直接顶高度时的变形破坏特征, 得到传统的P 2$ l 双曲线关系并不适用于直接顶的高度成倍增加以后的情况。由此提出直接顶“临界高度”的概念, 即将老顶的给定变形压力为零时的直接顶的最小高度定义为直接顶的临界高度, 并将直接顶按临界高度分为三类: 零刚度、似零刚度、中间型刚度。应用弹性力学中能量原理分析了非零刚度直接顶的支架工作阻力与顶板下沉量的关系曲线为严格单调减少并且下凸的曲线, 具有类似于双曲线的变化性质, 即支架工作阻力与支架变形呈严格的非线性反变关系。由于综放开采条件下P 2$ l 双曲线关系不明显, 故应用顶板最大下沉量判别直接顶(含顶煤) 的稳定性已失去意义。论文首次应用离散元方法的最新成果UDEC 程序分析了综放开采端面顶板稳定性和支架工作阻力的关系。结果表明, 当端面距在一定范围之内时, 综放面端面顶板冒落状况与支架工作阻力及支护角度(即水平支护力) 密切相关; 加大支架工作阻力, 可以控制端面顶板的冒落。经计算得到的综放支架工作阻力P 和端面顶板下沉量$ ld 呈类双曲线关系, 完全不同于它的P 2$ l 关系。根据支架围岩的总体规律, 建立了采场直接顶为似刚度、似零刚度和中间型刚度三种条件下采场支架围岩的整体力学模型。在此基础上, 论述了支架合理工作阻力的确定原则。提出利用综放支架工作阻力2端面顶板下沉量曲线确定综放支架临界阻力的方法。对阳泉4 矿的计算结果表明, 当端面距为0. 5 m 时, 计算所得支架临界阻力和实测结果较为接近; 而当端面距为1 m 或1. 5 m 时, 支架临界阻力值却有较大幅度的提高。因此支架载荷为其额定工作阻力的一半时, 此时对端面空顶距的要求较高; 当支架载荷接近其额定工作阻力时, 则可以加大空顶距, 端面也不致于发生冒顶。因此在综放面实测的工作阻力尽管很小, 但从控制端面顶板的角度出发, 在设计综放支架时仍不能降低其工作阻力。

INTEGRAL MECHANICAL MODEL OF COAL FACE WITH THE STRUCTURE OF OVERLYING STRATA AND ITS APPLICATION