关键层结构回转速度力学模型及其应用研究

摘要

“砌体梁”结构块体回转速度对采场矿压的影响机制和影响矿压的上覆关键层临界高度是采场矿压研究领域尚未解决的重要问题之一。一方面，最下位“砌体梁”结构块体回转速度如何影响工作面矿压显现，以及最下位“砌体梁”结构块体回转速度的影响因素尚不明晰；另一方面，相邻两层“砌体梁”结构块体回转速度的相对大小关系是否影响最下位“砌体梁”结构块体回转速度及支架受力也尚未明确。上述问题的研究对于支架合理工作阻力的确定具有重要意义。为此，论文采用理论分析、模拟实验和现场实测等方法，开展了“砌体梁”结构块体回转速度力学模型研究，并基于此模型研究了回转速度影响矿压的机制和对矿压产生影响的关键层临界高度。 建立了“砌体梁”结构块体回转速度力学模型，基于定轴转动定理、弹塑性理论和运动学基本原理，推导了“砌体梁”结构块体回转速度方程。“砌体梁”结构块体上覆载荷越大，块体长度越短，回转速度越快。对最下位“砌体梁”结构而言，回转速度越快，支架增阻越快，活柱下缩量越大，矿压显现越强烈；同时，上位“砌体梁”结构块体回转速度大于下位“砌体梁”结构块体回转速度时，将对下位“砌体梁”结构块体产生压覆作用，增大下位“砌体梁”结构块体回转速度，增加矿压显现强度，研究结果得到了实验室物理相似模拟实验的验证。 基于“砌体梁”结构块体回转速度方程及“砌体梁”结构稳定性分析，揭示了相邻“砌体梁”结构载荷传递准则，并给出了载荷传递量的计算方法。根据“砌体梁”结构块体回转速度方程、动能守恒定理和动量守恒定理，获得相邻“砌体梁”结构相互作用前后回转速度的变化及与回转速度增量相对应的载荷层厚度增量。以“载荷层厚度增量”的形式阐明了在回转运动过程中上位“砌体梁”结构块体对下位“砌体梁”结构块体的压覆作用，并据此量化了上位“砌体梁”结构块体回转速度对采场矿压及支架受力的影响机制及影响程度。 给出了影响矿压的关键层临界高度的确定方法及判别流程。基于覆岩中相邻“砌体梁”结构载荷传递准则，以覆岩中存在两层“砌体梁”结构为例，划分了覆岩中两层“砌体梁”结构块体回转运动的组合类型，说明了不同组合类型影响支架受力的“砌体梁”结构数目，即影响支架受力的关键层范围。以神东矿区大柳塔煤矿52304工作面和大同矿区同忻煤矿8203工作面为例，理论分析给出了影响矿压的关键层临界高度，并得到了实测结果的验证。

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