弹-塑性基础边界一侧采空基本顶板结构初次破断研究

摘要

为了研究一侧采空条件下基本顶板结构的破断规律,构建考虑煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性变形的基本顶板结构力学模型,全面计算探究了侧方采空条件下基本顶板在煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态等.结论如下:①煤柱区基本顶的破断形态有3类且随着基本顶厚度h、弹性模量E及弹性煤体基础系数kt增大,而煤柱宽度Lm与煤柱基础系数ksm、煤体塑化范围Lts与塑化程度ξs及跨度L减小时的破断形态变化规律为"单一连续长弧形"→"临界对接双长弧形"→"分隔式双短弧形";②Lm及ksm主要影响煤柱区基本顶的破断位态;Lm及ksm增大,实体煤区主弯矩减小;③实体煤区基本顶破断位态有5类且随着h,E及ξs增大,而Lts,kt及L减小时的断裂模式演变规律为:"长边与短边断裂线均处于塑化煤体区"→"长边断裂线处于塑化煤体区而短边处于煤体弹塑性分界区"→"长边断裂线位于塑化煤体区而短边断裂线位于弹性煤体区"→"长边断裂线位于煤体弹塑性分界区而短边断裂线位于弹性煤体区"→"长边与短边断裂线均处于弹性煤体区",存在长边与短边断裂线同时位于煤体弹塑性分界区的情况;④ h,E及Lts较大而L及kt较小时,破断顺序为:中部(靠近煤柱侧)→长边(3类位置)→短边(3类位置)→煤柱侧(3类位置);⑤整体破断形态分为3类且随着h,E及kt增大,而Lm,ksm,Lts,ξs及L减小时,整体破断形态的变化模式为:闭合贯通式"非对称(□)-非对称X"型→临界贯通式"非对称(□)-非对称X"型→开口非贯通式"非对称(□)-非对称X"型.针对研究一侧采空基本顶板结构破断的3类力学模型,从模型特征、破断影响因素、初次破断位置、煤柱侧破断形态、实体煤侧破断位置、整体断裂位态及工程指导意义共7个方面,总结对比了"三边固支+简支模型"(第1类)、"三边弹性基础+考虑煤柱宽度和支撑能力的单一塑化模型"(第2类)与建立的"三边弹塑性基础+考虑煤柱宽度和支撑能力的双重塑化模型"(第3类)的重要区别.