基于板模型的顶板力学分析及应用

论文摘要

本文通过理论分析、物理模拟和数值模拟等综合研究的手段和方法,系统地研究了顶板的变形破坏特征,提出了求解悬臂顶板弯曲下沉的边界积分方法。建立了复杂顶板与下伏复杂岩体共同作用的力学模型,并通过变分原理及有限差分原理得到了各种复杂力学模型的解。同时编制了求解非均匀地基上复杂板模型的通用差分程序,可以很好地得到均匀地基及局部塌陷的非均匀地基上岩层板结构的数值解。引入岩石流变理论,根据弹性一粘弹性关系相应原理,对顶板蠕变特征进行了理论分析,得到了黏弹性地基上四边简支和四边固支矩形岩层板结构的应力、弯矩和位移的粘弹性解析解。对于其它黏弹性地基上复杂边界条件的岩层板模型可通过本文编制的数值逆变换程序来得到理论解。其次,以某煤矿矸石置换宽厚煤柱充填式巷采为工程背景,采用FLAC3D软件,建立了数值计算的模型。通过数值仿真计算,分别得到了顶板、隔离煤柱等的应力及变形规律。理论分析结果和数值计算结论相一致,表明了理论分析和数值计算所得到的结论是实用的。本文的研究成果丰富了顶板理论,为解决我国煤矿顶板问题提供了理论依据和研究方法。同时本文的研究成果已在某些煤矿得到应用和推广,并取得明显的社会经济效益。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 采场上覆岩层结构理论研究成果
• 1.2.2 采场顶板结构的稳定性研究
• 1.3 课题的研究内容及方法
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.4 技术路线
• 2 煤岩顶板的下沉破坏机制及蠕变理论
• 2.1 顶板变形破坏机制分析
• 2.1.1 顶板变形破坏特征
• 2.1.2 顶板变形破坏物理模拟结果及分析
• 2.1.2.1 某矿12610 工作面模拟实验所需材料配比
• 2.1.2.2 推进过程中顶板移动变形过程及分析
• 2.2 煤岩体顶板的变形理论
• 2.2.1 理想弹性体模型
• 2.2.2 蠕变模型
• 2.3 本章小结
• 3 悬臂顶板弯曲下沉的边界积分方法
• 3.1 薄板弯曲的边界积分公式和自然边界积分方程
• 3.2 悬臂半无限大板的弯曲问题
• 3.3 受集中力作用的悬臂半无限大板
• 3.3.1 两邻边一固支一简支的角形半无限大板
• 3.3.2 一对边简支一边固定的半无限大板
• 3.4 受均布力作用的悬臂顶板
• 3.5 煤柱压力计算
• 3.6 本章小结
• 4 综采工作面顶板破裂规律的动态力学模型
• 4.1 弹性平板力学模型
• 4.1.1 岩层板力学模型破断的力学判据
• 4.1.2 有限差分公式
• 4.1.3 杂形铰接顶板破裂规律基础研究
• 4.2 复杂顶板模型的理论分析
• 4.2.1 非均匀弹性地基上的规则顶板破断过程实例分析
• 4.2.2 杂形顶板破断过程实例分析
• 4.2.3 弹性地基模量对顶板破断的影响分析
• 4.3 顶板的力学模型及时间相关性分析
• 4.4 矸石置换煤柱开采“顶板-煤柱、充填体”结构稳定性基础理论研究
• 4.4.1 “顶板-煤柱、充填体”结构的相互作用机理
• 4.4.2 “顶板-煤柱、充填体”共同作用的力学模型
• 4.5 本章小结
• 5 矸石置换保护煤柱充填式巷采数值模拟及实践研究
• 3D介绍'>5.1 Flac^3D介绍
• 5.2 试验开采区域概况
• 5.3 充填巷两侧煤柱宽度设计及其稳定性分析
• 5.3.1 方案设计要求
• 5.3.2 巷道两侧煤柱稳定性分析
• 5.3.3 巷采空间尺寸设计
• 5.4 建筑物下矸石置换开采宽厚保护煤柱数值模拟分析
• 5.4.1 数值计算模型的建立
• 5.4.2 数值模拟计算方案及结果分析
• 5.5 矸石置换开采充填方案的确定
• 5.6 巷采有关安全与技术问题
• 5.7 经济、社会效益和环境影响分析
• 5.8 本章小结
• 6 主要结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集