基于中厚板理论的坚硬厚顶板破断致灾机制与控制研究

摘要

我国赋存有大量坚硬厚顶板煤层，该类煤层在进行长壁开采时，很容易形成强烈的矿压显现，比如工作面发生大面积切顶来压、支架压死、煤壁片帮与冒顶等事故，严重影响工作面的安全回采。长壁工作面顶板初次来压步距一般不大于40m，即使基本顶较薄，也不满足“薄板”条件（厚跨比＜0.125~0.2），尤其在坚硬厚顶板工作面，按照“薄板”理论分析顶板的受力与破断是不恰当的；另外，在工作面倾斜方向上，来压步距、来压强度和来压持续时间一般也会不同，在超长工作面这种差别更显著。因此，为了揭示坚硬顶板破断以后的空间形态，论文基于中厚板理论研究坚硬厚顶板的破断致灾机制，并提出控制方法。 论文以坚硬顶板大采高综放工作面、复合顶板大采高工作面为工程背景，采用理论分析、数值计算、模拟实验平台开发与实验等手段，系统研究坚硬厚顶板变形与破坏理论解析、厚顶板破断空间形态与覆岩运动规律、以及坚硬厚顶板破断致灾机制与动载发生机理，在以下几方面进行了创新性研究： （1）推导了适用于煤矿坚硬厚顶板的中厚板理论模型，并给出了首采面和孤岛面的变形与应力分布的理论解；构建了采场覆岩破断与运移的力学模型，给出了断裂位置和断裂角的求解公式，对覆岩运动空间形态进行了解析； （2）揭示了坚硬厚顶板破断失稳致灾机理，提出了坚硬厚顶板切落式破坏动载荷计算方法，并分析了支架-围岩系统中刚度耦合效应，创新了液压支架“动载荷法-刚度耦合”综合选型方法，提出了大变形煤体柔性加固新方法，优化了柔性加固参数； （3）研制了能够模拟坚硬厚顶板破断特征的三维模拟实验平台，模拟出了坚硬厚顶板裂隙演化与破断过程；开发了顶板破断冲击模拟实验平台，开展了厚顶板条件下直接顶与支架刚度的测试，揭示了动载冲击系数变化规律。 建立的基于中厚板理论中的应力及挠度方程，可以确定坚硬顶板破断位置、断裂形式；研制的模拟坚硬厚顶板破断特征的三维相似模拟实验平台，模拟出了不同坚硬顶板破断特征、破断后形成的空间形态；开发的支架与围岩关系刚度测试系统，开展了不同顶板条件冲击试验，修正了厚顶板破断动载系数；确定的支架选型“动载荷法-刚度耦合”双因素确定方法，指导了液压支架选型；开发的煤岩灾变区域柔性加固技术，实现了坚硬厚顶板采场围岩灾变区域有效控制。论文研究成果通过工业性实验工作面进行了验证，可以为类似条件煤层开采提供理论依据，具有重要的理论意义与工程价值。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 论文选题背景及意义（Background and significance of thesis）

1.2 国内外研究现状（Research status）

1.3 研究内容与科学问题（Research contents and scientific issues）

1.4 论文的创新点（Innovation points）

2 典型工作面采动应力与矿压显现规律

2.2复合顶板工作面围岩变形及受力特征(Surrounding rock deformation and stress characteristics of working face with the compound roof)

3 基于中厚板理论的坚硬厚顶板变形及破断特征

3.2 坚硬厚顶板的中厚板力学模型及控制方程(Basic medium-thick plates model and equations of hard and thick roof)

3.3 首采面矩形中厚板理论解析(Theoretical analysis of rectangular medium-thick plate for the first mining face)

3.4 孤岛工作面矩形中厚板理论解析(Theoretical analysis of rectangular medium-thick plate in the isolated working face)

3.5 案例分析(A case analysis)

3.6 采场顶板破断模式和判据(Rupture mode and criteria of the main roof)

3.7 本章小结（Chapter Summary）

4 厚顶板破断空间形态与覆岩运动规律

4.1 厚顶板破断空间形态的相似模拟(Physical simulation on the spatial form of thick roof breaking)

4.2 顶板破断空间形态数值分析(Numerical analysis of spatial form of roof breaking)

4.3 采场覆岩破断与运移规律(Breakage and movement law of overlying strata)

4.4 本章小结（Chapter Summary）

5坚硬厚顶板工作面支架与围岩关系

5.1 坚硬顶板破断支架与围岩关系(The relationship between support and surrounding rock under the condition of hard roof)

5.2 顶板破断动载发生机理(Dynamic load generation mechanism of roof breakage)

5.3 顶板切落破断实验与支架动载系数修正(Roof cutting impact test and dynamic load coefficient modification)

5.4 支架刚度耦合效应(Stiffness coupling effect of the support)

5.5 本章小结（Chapter Summary）

6 煤岩灾变区域柔性加固技术

6.1 大变形煤壁柔性加固技术(Flexible rib reinforcement technology for the working face)

6.2 棕绳-浆液-煤体协调变形机制(Coordination deformation mechanism of flexible brown rope-slurry-coal)

6.3 柔性加固技术工程应用(Engineering application of flexible reinforcement technology)

6.4 本章小结（Chapter Summary）

7 结论与展望

7.1 结论（Conclusions）

7.2 展望（Prospects）

参考文献

作者简历

学位论文数据集