厚硬顶板破断规律及控制研究

论文摘要

本文基于厚硬顶板条件下,矿山压力显现规律及厚硬顶板的控制,综合运用理论分析、计算机数值、实验室相似材料模拟以及现场工业性实验等方法,对综采工作面厚硬顶板条件下顶板破断规律、采场围岩特性、支架—围岩关系、合理支护方式、强制放顶的合理方式等问题进行了系统研究。研究认为:1.厚硬顶板岩层在初次来压时,厚硬顶板岩梁的最大弯矩在梁的两端,两端拉应力最大,当拉应力超过岩石的抗拉强度时,厚硬岩层被从两端拉断。在周期来压时,厚硬顶板悬臂梁的最大弯矩在固支端,固支端处拉应力最大,厚硬顶板岩层从固支端被拉断。2.在采场推进过程中,厚硬岩层(关键层)上较软的岩层随厚硬岩层的破断而变形破断,厚硬岩层(关键层)与其控制的上覆岩层同步协调下沉,厚硬岩层(关键层)的破断移动对覆岩的移动变形起关键的控制作用,所以控制厚硬岩层的垮落步距是厚硬顶板工作面控制顶板来压的关键。3.支护强度的增大会减小顶板的下沉量,但不能限制顶板的最终下沉量,厚硬顶板条件下支架本身就承受相当大的压力,若要限制顶板的下沉,所需的强度和刚度是支柱所不能达到的。4.超前深孔松动爆破,改变了厚硬顶板岩梁的力学结构,有效的减小了厚硬顶板的断裂步距,减弱了厚硬顶板来压强度,减小了厚硬顶板的冒落块度,消除了厚硬顶板冒落时动力冲击现象,保证了工作面的安全生产。本论文对于厚硬顶板条件下的综采工作面的安全回采、采场顶板控制具有普遍的指导意义和参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 主要内容
• 1.4 方法及技术路线
• 2 厚硬顶板破断规律的理论分析
• 2.1 坚硬顶板分类
• 2.1.1 厚硬顶板岩石的力学特性
• 2.1.2 坚硬顶板的分类
• 2.2 厚硬顶板梁式破断的理论分析
• 2.2.1 挠度计算
• 2.2.2 初次破断距计算
• 2.2.3 周期破断距计算
• 2.3 厚硬顶板工作面的矿压显现特征
• 2.4 小结
• 3 厚硬顶板破断的数值模拟分析
• 3.1 数值模拟分析软件
• 3.2 模型建立
• 3.3 模拟结果分析
• 3.3.1 采场覆岩的破断与垮落
• 3.3.2 厚硬顶板破断后对采场矿压的影响
• 3.3.3 厚硬岩层上载荷的影响
• 3.4 小结
• 4 厚硬顶板破断的相似模拟试验
• 4.1 原型基本条件
• 4.2 相似模型建立
• 4.3 模拟结果分析
• 4.3.1 覆岩破断垮落过程及特征
• 4.3.2 采场推进过程中覆岩垂直移动变形
• 4.3.3 厚硬顶板破断后覆岩离层裂隙发育
• 4.3.4 厚硬顶板破断后对上覆岩层影响
• 4.4 小结
• 5 厚硬顶板采场支架—围岩相互作用及支架选型
• 5.1 概述
• 5.2 厚硬顶板采场“支架—围岩”系统刚度分析
• 5.2.1 厚硬顶板采场矿压力学模型的建立
• 5.2.2 支架受力分析
• 5.2.3 直接顶—支架—底板支撑体系刚度对支架受力及其变形量的影响
• 5.2.4 系统的刚度及其简化
• 5.3 “支架—围岩”的动态关系
• 5.4 厚硬顶板支架的选型
• 5.4.1 厚硬顶板工作面支架选型依据
• 5.4.2 液压支架参数的确定
• 5.5 工程实例
• 5.6 小结
• 6 厚硬顶板强制放顶机理及工程应用分析
• 6.1 厚硬顶板强制放顶机理分析
• 6.1.1 强制放顶的方式
• 6.1.2 强制放顶的力学模型
• 6.1.3 不同放顶方式的力学模型
• 6.2 厚硬顶板强制放顶的选取
• 6.2.1 初次来压阶段
• 6.2.2 周期来压阶段
• 6.3 工程应用
• 6.3.1 工程条件
• 6.3.2 控顶方式选取及参数设计
• 6.3.3 放顶效果分析
• 6.4 小结
• 7 主要结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果