(3)针对研究两侧采空(煤柱)基本顶板结构破断的3类力学模型,从7个层面对比了三类模型的重要区别,从横向4个区域(开采区域的前方与后方、两侧煤柱区)与纵向4个区域(非对称遗留煤柱下伏、下伏开采空间出/进煤柱/体)阐明了其重要工程作用,得到了传统两侧采空模型得不到的新结论,对深化理论认识和指导实践等方面均有积极意义。
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弹−塑性基础边界两侧采空(留煤柱)基本顶板结构初次破断特征
研究厘清基本顶结构的破断规律(主要包括断裂位置、断裂位态等)对指导同一煤层开采矿压控制与(上覆遗留煤柱影响下)下伏煤层开采时的开采空间布置及矿压控制至关重要(包括出/进煤柱压架、合理煤柱错距、遗留煤柱链式失稳),只有明晰其破断位置及整体位态才能构建合适的岩板断后稳定性力学分析模型,得出灾变条件从而指导开采空间安全控制。
理论分析是研究基本顶破断规律的重要手段,矿业科技工作者历来也特别重视对岩层破断规律的理论研究。如岩梁结构模型、固支与简支岩板结构模型、四周煤体作为弹性基础边界的岩板结构模型、一侧采空条件下考虑三侧实体煤是弹性基础边界的岩板结构模型等,研究结果对指导矿压控制起到了重要作用。
两侧采空条件下,明确基本顶的破断规律对指导安全开采意义更加显著,尤其是确定两侧煤柱区基本顶的破断位态对指导煤柱侧矿压如何控制至关重要,且对下伏煤层开采时的覆岩−煤柱联动失稳分析尤为关键。开采区域上覆基本顶两侧短边区由煤柱支撑,前后方的长边区由实体煤支撑,基本顶的边界条件相对复杂,研究其破断形态相对困难。当前针对两侧采空工程问题开展的理论研究模型主要有2类:一是岩梁模型,二是岩板模型。其中,岩梁模型不考虑两侧煤柱的任何参数,所得结论与煤柱无关,所以缺陷大。岩板模型主要有2类:一是不考虑两侧煤柱宽度和支撑能力弱化,也不考虑实体煤变形的无塑化边界的“两边固支+两边简支”板模型,该模型同样不能研究两侧煤柱区基本顶的破断位态;二是考虑两侧煤柱参数,同时视实体煤为弹性基础(考虑煤体的变形特性)的单一塑化边界岩板结构模型,该模型显著弥补了传统固支与简支板模型的缺陷和不足,但是未考虑地应力作用下实体煤区浅部煤体的必然塑化特性,所以依旧有不足。
为进一步克服无塑化边界岩板模型以及单一塑化边界岩板模型的缺陷和不足,构建考虑实体煤弹塑性变形且同时考虑实体煤的塑化范围和塑化程度、两侧煤柱宽度和支撑能力及煤柱非对称性影响的基本顶岩板结构模型,并深入研究边界条件及基本顶自身参数等对两侧采空时基本顶岩板结构在实体煤区的破断线区位属性(弹性煤体区、弹塑性煤体分界区、塑性煤体区)、演化规律及两侧非对称煤柱区的破断线扩展规律,最终得到两侧采空条件下开采全区域基本顶的破断位态及演变模式。从7个层面与传统的2类模型进行对比,表明笔者模型所得新结论及传统模型的不可代替性,最后从横向4个方向,纵向4个方向,即横纵空间多维关联的角度阐明笔者的力学模型的重要工程意义。这对进一步深入认识两侧采空条件下基本顶板结构破断规律并指导工程实践均有重要价值。
图1 两侧采空时基本顶的边界条件对比示意
图2 弹−塑性基础边界两侧采空 (煤柱) 基本顶板结构破断模型
图3 节点编号
图4 弹塑性基础边界两侧煤柱−基本顶板结构主弯矩云图
图5 基本顶的3类基本断裂模式及2类过渡模式示意
图6 两侧采空 (煤柱) 基本顶主弯矩极值位置示意
图7 两侧采空弹塑性基础边界基本顶板结构破断模式
图8 断裂模式的Ldm效应
图9 破断模式的kdm效应
图10 破断模式的塑性煤体影响规律
图11 破断模式的ktt效应
图12 破断模式的L效应
图13 模型工程指导意义对比
研究方向
主要成果
致力于可变基础边界条件下的采场岩板结构破断理论研究,系统研究得出了采场岩板结构在可变基础边界及考虑煤柱宽度和支撑力条件下的(初次破断、周期破断、一侧采空及两侧采空)断裂规律及全区域反弹压缩场特性,且具有重要工程意义。提出了多煤层开采下伏煤层停采大空间应力拱复合演化模式、采动叠加巷道围岩偏增载模式及针对性控制技术,发明了持续大变形巷道围岩锚固与内卸协同控制系统等。
来源:
陈冬冬,李子健,谢生荣,等. 弹−塑性基础边界两侧采空 (留煤柱) 基本顶板结构初次破断特征[J]. 煤炭学 报,2024,49(5):2195−2211.