综放采场围岩复合结构力学模型及其控制研究

根据综放采场顶煤冒放形式和顶板移动结构,提出5种煤岩复合结构,研究了其形成条件,并建立了相应的力学模型:拱—拱组合模型、拱—砌体梁组合模型、拱—传递岩梁组合模型、台阶悬臂—砌体梁组合力学模型、台阶悬臂—悬臂梁组合力学模型,并由此推导其控制方程,计算支架载荷;针对不同顶板、煤层条件,运用相应力学模型分析支架—围岩关系,计算综放工作面支架载荷,确定综放采场支架合理工作阻力,从而有效控制综放采场围岩;通过对10个不同条件综放工作面支架载荷的计算与实测比较,计算值的安全系数为1.06,表明根据综放采场围岩组合结构力学模型计算支架载荷比简化的岩重计算更为合理,从而为综放采场围岩控制提供了理论基础。通过一个工程实例详细阐述了根据综放采场煤岩结构为学模型计算支架载荷的方法。图5,表2,参10。     

厚煤层大采高综采工作面煤壁稳定性研究

根据龙泉煤矿4号煤的围岩力学条件,对大采高煤壁片帮机理进行了理论分析,通过数值模拟得出了煤壁片帮和支架工作阻力的函数关系,研究结果认为本矿4号煤若采用大采高一次采全高,煤壁片帮较严重,不利于回采工作面煤帮和端面顶板管理。根据数值模拟结果和工程类比结果确定了在这种具体条件下的合理采煤方法。     

“势能方程”及其应用

研究采场支架工作阻力,历来是研究“支架—围岩”关系的一项重要内容。本文从能量转换的观点入手,导出了确定回采工作面支架阻力的“势能方程”,并结合现场实例对其实用性加以论证。     

大倾角走向长壁开采“R—S—F”动态稳定性实验

通过平面应力走向、倾斜和三维可加载块体模型等手段，较系统地研究了大倾角煤层走向长壁工作面(倾斜布置)开采过程中矿山压力显现规律、围岩变形、破坏与移动特征和工作面支架与设备的下滑机理；分析探讨了顶板破断岩块运动、底板破坏滑移以及主要回采工序对支架或支护系统工作阻力和“R—S—F”(顶板—支架—底板)系统动态稳定性的影响；提出了现场工业性试验时需要注意和重点解决的关键技术问题。     

寺河矿大采高300m工作面采场控制分析

为了能够更好地维护工作面顶板,对采场矿压进行控制,通过现场观测的方法了解了初撑力对采场矿压的影响,并采用回归分析法分析了支架初撑力与工作阻力的关系。结果表明：初撑力与工作阻力呈正相关,即提高支架初撑力可以使支架工作阻力得到很快发挥,以利于顶板管理。     

自移支架密封程度与支承能力的关系

自移支架上的液压立柱是装有活塞的受力液压缸,液压缸由调到一定压力的安全阀关闭着,此压力相当于立柱的额定工作阻力。一般情况下,刚出厂的自移支架密封件是良好的,液压缸中没有漏油。下井后在使用过程中,液压缸上的密封件逐渐被磨损,密封程度逐渐降低,必然导致支架的承载能力也逐渐降低。苏联科研人员H.N.雅可夫列夫在材料实验机上对液压立柱进行了加压试验,得出了立柱阻力与由于密封件漏油所导致的立柱沉缩速度之间的关系曲线(图1)。图中显示出三种不同立柱的特性曲线:Ⅰ—密封程度高的立柱特性曲线;Ⅱ—中等密封程度的立柱特性曲线和Ⅲ—密封程度低的立柱特性曲线。此图表明,顶板压力(支架阻力)一     

大倾角煤层长壁开采顶板结构时空演化特征

为了明确大倾角煤层走向长壁开采顶板结构时空演化规律,采用物理相似模拟、数值模拟、现场实测综合互馈的研究手段,对采空区矸石的非均匀充填特征、顶板结构空间展布形态、围岩主应力大小渐变与方向偏转的演化过程和支架工作阻力的区域性特征进行研究。结果表明：随着推进距离的不断增大,底板上矸石堆积范围增大,在支架后方采空区开始往复出现倒三角的临空面;在深部采空区,矸石堆砌与水平面之间夹角沿倾向下部至上部不断减小;顶板位移呈现出“增大-稳定”的演化趋势,峰值位置由工作面倾向中上部区域向倾向中部迁移;顶板应力传递拱壳呈典型的非对称分布特征,拱壳内部岩体受力状态由双向受压转为单、双向受拉,主应力方向由x轴正向转为负向;顶板变形破坏的非对称性使得工作面支架工作阻力呈现倾向中上部较大、离散程度高,倾向中下部较小、离散程度低的区域特征。研究结果可为大倾角煤层长壁采场顶板稳定性控制提供一定的参考与指导意义。     

坚硬顶板综放采场台阶式悬梁结构控制及其数值分析

通过对岩层移动的现场观测和相似模拟,提出了综放采场坚硬顶板的台阶式悬梁结构,建立了相应的数值模型和力学模型,运用有限元法分析了坚硬顶板条件下支承压力对硬煤的压裂效应,依此确定坚硬顶板的最佳预处理步距和液压支架合理工作阻力;并根据力学模型对顶板台阶式悬梁破断瞬态平衡条件及其与液压支架的相互作用关系进行了理论分析,从而形成了硬顶煤、坚硬顶板条件下综放采场围岩控制的基本理论和方法,实现了提高硬顶煤冒放性和回收率的安全、高产高效开采;最后,以一个工程实例佐证了其对坚硬顶板的有效控制 图5,表4,参10     

急斜煤层大段高开采采空场围岩稳定性

为了研究急斜煤层大段高开采采空场围岩的稳定性,利用相似模拟及理论分析,对急斜煤层大段高开采过程中的矿压显现特征及围岩变形规律进行了深入研究。结果表明:大段高开采条件下,支架的工作阻力并没有随着采深与段高的增加而大幅增加,工作面支架会受到其上方临时结构的保护。充填体沿槽形采空区域下移过程中对顶板岩层的结构支撑作用,有助于形成工作面上方暂时稳定的结构,控制顶底板的运动,有效降低工作面大范围悬空后顶板大范围垮落可能形成的灾害。该成果对于乌鲁木齐矿区及赋存有类似地质特征矿区急斜煤层的安全高效开采有积极的指导意义。     

采场顶板压力参数的灰色预测预报

应用灰色系统理论分析采场顶板运动及支架围岩关系两个复杂系统,介绍来压步距与支护载荷两个综合灰色量的灰色预测预报方法,即模型建立、计算过程和应用实例。研究表明,灰色模型能很好地模拟或反映顶板压力参数的变化过程与内在规律。     

采场支架与老顶总体运动间的力学关系

本文在模拟研究与实践的基础上提出了老顶多岩梁组成时的结构力学模型,深入研究了支架与老顶总体间的相互作用关系,建立起在对老顶上位岩梁采取“给定变形”方案时、反映支架与老顶总体间力学关系的方程式,揭示了进行采场支护设计的基本原则。     

考虑支护作用影响的煤岩巷道变形非线性分析

根据非线性动力学理论,利用FLAC3D数值软件,建立三维计算模型,对锚网锚杆、U型钢支护和吸能支护条件下的煤岩巷道冲击变形规律进行数值模拟,再现深埋巷道变形破坏过程,研究不同支护作用对巷道变形动力响应的影响。数值计算结果说明,锚网锚杆(主动支护)对提高围岩体强度作用明显,但在冲击载荷作用下巷道围岩应力大,变形量也大,破坏程度严重;U型钢支护(被动支护)可有效提高巷道支护强度,冲击作用后同样表现出抵抗能力较差,巷道整体变形较大;吸能支护对于抗缓冲和吸收冲击能作用明显,表现为冲击应力大幅度降低,巷道变形量减小,整体稳定性显著提高。     

综放工作面顶煤承载能力和支架工作阻力的探讨

支架工作阻力计算是综放开采研究的主要问题之一.在对顶煤力学性质进行了实验室试验的基础上,总结出顶煤破坏时的强度满足主应力表示的莫尔-库仑强度准则.根据综放工作面顶煤体的受力特点,运用损伤力学应变等效原理,建立了综放工作面控顶距内顶煤体受力力学模型.从顶煤体承载能力的角度,研究综放面支架-顶煤体之间相互作用关系,推出了支架工作阻力的理论计算公式.该模型较好地解释了综放工作面支架工作阻力随顶煤强度的提高而增加的矿山压力显现.研究结论对综放面支架工作阻力计算具有一定的理论指导意义.     

盾构法施工深埋斜井的围岩应力变形分析

以采用盾构法施工的神华新街台格庙矿区主斜井为研究对象,对该斜井穿越2种典型地层的施工过程进行数值分析,得到了施工过程中围岩的应力分布及变形规律.研究结果表明:随开挖的推进,围岩中的应力释放区和塑性区的分布及隧道拱顶、拱底的位移变化规律与水平隧道基本相同;开挖影响范围内,围岩的最大主应力与位移等值线均近似平行于斜井轴线,平行程度随距离斜井轴线由近至远而逐渐变弱;斜井埋深越大,表面沉降越小,且沿着斜井开挖方向成非线性分布;围岩力学性质越差,斜井开挖面的空间影响范围越大;开挖面前方影响范围大于后方,本文斜井的开挖面影响范围为其前方3倍洞径,后方4倍洞径,大于水平隧道.     

采场坚硬顶板二次断裂的初步研究

通过相似材料模拟试验、力学分析、现场研究,指出坚硬顶板二次断裂是客观存在的,二次断裂位置决定了顶板与支护的稳定性。研究表明,二次断裂主要发生在煤壁处和切顶线处、也可能在煤壁前方,其决定于顶板厚度与悬顶距、支护阻力及煤体残余强度,通过改变支护阻力可以实现二次断裂位置的控制。     

近距离煤层内错式开切眼合理错距的研究

为探究近距离煤层内错式开切眼水平错距的合理选取问题,以神东矿区某矿为工程研究背景,通过构建力学模型得到上覆煤层遗留停采煤层产生的附加应力对下方开切眼的应力解析解,采用数学分析得到下煤层的水平停采距离的合理范围,并运用FLAC3D数值模拟软件分析不同水平错距下切眼位置所处的应力环境,得到下煤层开切眼停采的水平距离为50 m时能够满足巷道布置要求。通过地质雷达进行开切眼巷道的围岩松动圈的测试,得到开切眼巷道松动圈的范围为3.1 m~3.8 m,切眼巷道左帮的破碎范围大于顶板,开切眼巷道围岩完整性较好。研究结果表明,下煤层内错式开切眼停采水平距离为50 m时,开切眼巷道能够满足工作面的正常回采。     

综采放顶煤的离散元模拟研究

用改进的离散元法对大雁矿务局二矿综采放顶煤工作面顶煤活动规律进行模拟研究,分析支架围岩作用关系,找到顶煤丢失原因。     

深井穿层巷道支护数值模拟分析

采用ANSYS和FLAC3D2种模拟技术相结合的数值模拟方法,模拟了阳城煤矿-920m下车场深井穿层巷道支护状态下的围岩位移情况。根据模拟结果推测不同岩层组合对围岩变形的影响,同时找出原支护方案存在的不足,并提出了加强巷道支护的新方案。通过分析比较为现场应用提出了一套既可以减小巷道变形,又能节省支护费用的支护方案。     

综放回采巷道护巷煤柱合理宽度分析

针对较薄厚煤层综放开采留煤柱护巷回采巷道围岩大变形、难支护的特点,基于弹塑性极限平衡理论分析得出的煤柱合理宽度计算式,以谢桥矿1151(3)综放面回采巷道为研究对象,定性定量分析护巷煤柱宽度合理留设的影响因素及相互间的力学关系.结果表明,提高支护阻力、优化支护参数、加大采空侧对煤柱的侧向约束力是提高巷道围岩和煤柱整体承载能力、保证巷道整体稳定性的有效途径.研究成果为类似条件综放开采留煤柱护巷煤柱合理宽度的确定提供了科学依据.