长边采空与弹-塑性软化基础边界基本顶薄板初次破断研究

摘要

为研究长边煤柱(采空)条件下基本顶板结构的破断规律及工程价值,构建考虑长边煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性软化特性的基本顶板结构力学模型,全面计算探究该条件下基本顶板在长边煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态,并从6个层面、3个区域与传统模型对比,阐述模型所得新结论及意义。结论如下:①长边煤柱宽度与承载能力可显著影响实体煤区基本顶主弯矩大小及初次破断顺序,但是对实体煤区基本顶破断线所处区位(弹性区、塑性区、弹塑性分界区)影响小,长边煤柱也可显著改变基本顶在煤柱区的破断位态(3类),且随基本顶的弹性模量E及基本顶厚度h增大,长边煤柱的支撑系数k_(cm)、宽度L_(cm),实体煤的塑化范围L_(t-s)、塑化程度k_(s-0)、弹性煤体基础系数k_(tt)及工作面跨度L_(d)减小,其演变模式为:1条连续“长直线+两端短弧线”型(CM-N式)→2条临接对称“直线+短弧线”型(CM-L式)→2条大间距对称“短弧线”型(CM-D式);②实体煤的长边与短边区基本顶破断线的区位特征有5类,且随着E及h增大,L_(t-s),k_(s-0),k_(tt)及L_(d)减小时的演变规律为:长、短边破断线均处于塑化煤体区→长边破断线在煤体弹塑性分界区、短边破断线在塑化煤体区→长边破断线在弹性煤体区、短边破断线在塑化煤体区→长边破断线在弹性煤体区、短边破断线在弹塑性分界区→长边与短边破断线均在煤体弹性区;③基本顶的整体破断模式有3类,且随E及h增大,k_(cm),L_(cm),L_(t-s),k_(s-0),L_(d)及k_(tt)减小时的演变模式为:闭合断裂圈非对称“■-X”型→临接闭合断裂圈非对称“■-X”型→开口局部断裂圈非对称“■-X”型。针对研究长边煤柱(采空)基本顶板结构破断的3类力学模型,从6个层面对比了模型的重要区别,从3个区域(长边煤柱区、短边区、长边区)阐明了其工程价值。