基于耦合动力学模型的围岩-支架相互作用分析

液压支架处于与围岩相互作用的工作环境中,因此掌握其耦合作用规律,对于液压支架的抗冲击、自调适设计具有十分重要的意义。以ZY12000/28/64支顶掩护式液压支架为研究对象,运用拉格朗日第二类动力学理论建立6自由度围岩-支架耦合动力学方程。应用该动力学方程,分析了基本顶质量、基本顶初始高度及断裂点位置对液压支架动力学响应的影响。结果表明,立柱千斤顶、平衡千斤顶的受力随着基本顶质量和基本顶初始高度的增加呈线性增大;随着断裂点位置的前移,立柱千斤顶受力增大、平衡千斤顶受力减小。

冲击地压巷道围岩支护作用动力学分析

建立了冲击地压巷道围岩支护作用动力学模型,模型将上覆岩层简化为由多个质量块组成的块系,岩块简化为刚体,岩块间的连接简化为Kelvin-Voigt模型,把支护系统简化为弹簧和耗能阻尼器,初始岩块受冲击载荷作用。支护系统中阻尼为零时,为常规支护系统;支护系统中阻尼大于零时,为吸能防冲支护系统。分析得出:加强支护,提高支护强度,可以大幅度减少巷道冲击载荷作用下围岩加速度和位移幅值;支护系统中加入阻尼构件有利于快速平息围岩震动,增强支护抗冲击载荷能力,提高巷道围岩稳定性。提出了高强度吸能支护防治巷道冲击地压,为冲击地压巷道安全防冲支护设计提供理论依据。

综放工作面围岩动态及液压支架载荷力学模型

在研究综放开采支承压力分布特征和上覆围岩及基本顶的运动性态的基础上，分析了直接顶弱化程度（剪切裂隙穿透度）和顶煤完全破坏区宽度对工作面矿压显现特征的决定性影响．在此基础上建立了综放工作面液压支架载荷计算的力学模型．给出了直接顶不同弱化类型，基本顶长岩梁型和窄岩梁半拱失稳条件下支架载荷和顶煤完全塑型区的计算公式和实例．指出，估计直接顶裂隙度和顶煤破坏区宽度是综放工作面控制及优化设计的主要依据．

综放采场围岩─支架整体力学模型及分析

在初步建立综放采场围岩─支架整体力学模型的基础上，重点分析了采场支架与围岩耦合作用关系和基本顶刚性块的稳定性，以及关键层（基本顶）上部的载荷分布规律和其破断规律。

综采采场顶板结构模型及“支架-围岩”关系研究

以综采采场上覆岩层运动规律为核心,运用"传递岩梁"理论对采场顶板运动参数进行预计算,建立了采场顶板结构模型,详细分析了支架在"给定变形"和"限定变形"两种工作状态下支护强度和活柱缩量的计算确定方法。研究结果表明:直接顶由多分层组成时,具有不同运动组合特性的各分层垮落步距不同。将对采场矿压显现有明显影响的基本顶岩梁分为"单一岩梁"和"双岩梁"结构。采场顶板控制设计中对直接顶采用"给定载荷"的工作方式,根据不同的控顶要求对基本顶采用"给定变形"或"限定变形"的工作方式。在基本顶"双岩梁"结构下,既要防止下位岩梁运动时的切顶、活柱缩量超限等威胁,又要防止上位岩梁来压时对采场的动压冲击。

综放采场围岩复合结构力学模型及其控制研究

根据综放采场顶煤冒放形式和顶板移动结构,提出5种煤岩复合结构,研究了其形成条件,并建立了相应的力学模型:拱—拱组合模型、拱—砌体梁组合模型、拱—传递岩梁组合模型、台阶悬臂—砌体梁组合力学模型、台阶悬臂—悬臂梁组合力学模型,并由此推导其控制方程,计算支架载荷;针对不同顶板、煤层条件,运用相应力学模型分析支架—围岩关系,计算综放工作面支架载荷,确定综放采场支架合理工作阻力,从而有效控制综放采场围岩;通过对10个不同条件综放工作面支架载荷的计算与实测比较,计算值的安全系数为1.06,表明根据综放采场围岩组合结构力学模型计算支架载荷比简化的岩重计算更为合理,从而为综放采场围岩控制提供了理论基础。通过一个工程实例详细阐述了根据综放采场煤岩结构为学模型计算支架载荷的方法。图5,表2,参10。

地铁隧道围岩简化模型研究

建立一种地铁隧道围岩简化RC传热模型,模型参数直接根据围岩的物理参数及热物性参数进行计算。并采用围岩的频域有限元模型作为基准模型对简化模型进行验证。结果表明,在核心层采用将隧道周围土壤分为左右相同的两个部分进行并联,隧道空腔部分等效成中间面积相等的矩形空腔的方法确定热容热阻参数可以获得准确的围岩简化RC传热模型,该模型与围岩的频域有限元模型(基准模型)在中低频区域(<10^(-4)rad/s)吻合很好。该简化RC模型容易与TRNSYS等热湿模拟软件包集成,能够更方便快捷地进行热特性计算与分析,并用于工程设计指导与参考。

巷道支架围岩相互作用的流变模型

基于巷道围岩非线性流变数学模型研究了巷道支架围岩相互作用关系。将该模型应用于巷道锚杆支护 ,讨论了巷道围岩性质、锚杆工作特性以及锚杆长度等对巷道支护的影响 。

考虑巷道轴向影响的地下围岩应力场简化模型

由于多种因素影响的缘故，地下巷道轴向往往与最大主应力方向并不一致，这使巷道问题视为平面应变问题失去了应有的基础。从空间三维应力场简化模式出发，推导出圆形巷道围岩应力场与巷道轴向的对应关系，并提出了将广义平面应变问题转化为狭义平面应变问题的应力修正公式，这为巷道问题的理论分析与数值计算提供了必要的理论依据。

履带行走式液压支架动力学特性研究

基于静态力学分析的传统设计方法制造的履带行走式液压支架,在复杂围岩环境下适应性差、故障率高。论文通过构建履带行走式液压支架动力学模型,运用拉格朗日法推导出主要部件的动力学微分方程。借助ADAMS软件对顶梁和油缸进行动力学仿真,其动态特性表明,在简谐载荷作用下,履带行走式液压支架的稳定性好,支护性能可靠。其次,降低履带行走式液压支架同围岩顶板间的离层间隙高度,能大幅提高支护质量。

综放工作面顶板运动规律及支架-围岩关系研究

布尔台煤矿42103综放工作面回采过程中,经常出现台阶下沉甚至支架压死等现象,在对42103综放工作面支架合理工作阻力进行分析的基础上,采用理论推导和现场实测相结合的研究方法对工作面顶板运动规律进行计算,建立了42103综放工作面顶板结构模型,并分析支架-围岩的相互关系,利用顶板结构模型法和动载系数法综合计算确定了42103综放工作面支架合理工作阻力。研究结果表明:42103综放工作面顶板压力为1.63 MPa,支架合理工作阻力为18 709 k N,支架合理支护强度为1.71 MPa。

支架大数据与围岩关系模型在自动化工作面的研究与应用

依托于煤矿装备水平和开采技术的不断进步,初步实现了综采工作面生产过程的自动化、少人化及矿井信息系统的集成[1]。然而应用了自动化的工作面却无法做到高产高效,效率问题成为阻碍自动化发展的关键。作者突破传统思维模式,借鉴音轨制作技术,通过自动化采集和积累大量人工操作下支架与围岩变化的数据,使用专业软件分析,建立支架大数据与围岩环境关系的动作轨迹模型,通过设置自动化的参数实现支架的快速自动移架功能。该方法将复杂的人工快速移架与围岩关系转化为支架动作轨迹模型,对王国法院士提出的“复杂围岩环境-开采系统作用机理及设备群全程路径和姿态智能控制[2]”的理论进行初步尝试,为自动化工作面快速移架和支架与围岩环境变化关系探索了一条可行的道路。

相似材料模型实验中围岩垂直应力微机测控系统

设计一种以电阻应变式模拟支架为测力元件的测试系统,该系统通过测试相似材料模型试验中模拟支架工作阻力变化,为研究煤矿区采动中顶板围岩应力变化提供依据。测试方法采用自动加载闭环控制,具有自动升降架、模拟支架状态监测和数据记录、存储以及受力趋势计算机分析等功能。

工作面支架与顶板相互作用的力学模型研究

采用一种顶板非均布荷载连续表达,建立顶板力学分析模型,通过一组算例,分析工作面支架对顶板力学状态的影响。结果表明,所构建力学模型能够量化工作面支护对顶板挠度的影响。

化学腐蚀作用下岩石的动态性能及本构模型研究

根据深部地下水的化学成分,配制了不同离子、不同p H值的化学溶液,并将围岩岩石试件置于上述溶液中养护,然后采用霍普金森压杆试验系统(SHPB)进行动态压缩试验,分析化学腐蚀对岩石动态性能的影响。结果表明:化学腐蚀对围岩的动态力学性能具有较大的影响;化学腐蚀作用下围岩的动态性能下降,且化学溶液p H值越低影响效果越明显。在试验结果的基础上,基于损伤理论建立了化学腐蚀作用下岩石的动态本构模型。研究成果可为深部岩体动力学的深入研究、深部工程的围岩支护及稳定性控制提供参考。

巷道超前支架设计与力学特性研究

针对目前主要采用估计顶板载荷或采用薄板理论模型对超前支架的力学特性进行研究存在计算载荷与真实载荷相差甚远的问题,设计了一种新型巷道超前支架,并根据巷道开挖的空间效应对超前支架的力学特性进行了研究。基于空间效应研究了超前支架与巷道围岩耦合作用机理,构建了超前支架与围岩耦合力学模型。研究结果表明,沿着巷道掘进方向,巷道超前支架承受的顶板载荷逐渐降低,越靠近工作面顶板载荷越大,超前支架的前端强度要高于后端;超前支架支护时机对于巷道顶板的稳定性很重要,超前支架布置得越靠近工作面顶板,巷道顶板变形越小,而超前支架承受顶板的载荷越大,需要的强度越高。

基于数据模型驱动的液压支架压力预测分析

液压支架的载荷、位姿等数据信息是对顶板灾害进行预测、预警的重要依据。基于液压支架位姿-载荷变化的工作面顶板灾害监测信息特征参数,结合杨伙盘煤矿30112工作面液压支架载荷实测数据,采用数据特征分解方法,有效提取了液压支架载荷数据的趋势项与循环周期项,选用多种算法对液压支架载荷监测数据进行数据建模分析,较好地实现了对液压支架载荷的单点预测及一个支护循环周期的载荷预测。研究结果表明,不同数据模型对液压支架载荷的单点预测效果较好,而SARIMA模型对液压支架一个支护循环周期的载荷预测效果较ARIMA模型更好。研究成果可以为综采工作面顶板灾害预测预警提供技术参考,具有一定的工程实用价值。

厚硬顶板条件下综采面液压支架工作状态分析

收集分析了桑树坪煤矿3105综采面矿压监测资料,计算了液压支架的初撑力、工作阻力和循环末阻力等分布特征值,发现该工作面支架受力各特征值偏小;进一步分析工作面的地质资料得知,距煤层顶板10m处的位置存在21m厚的石英砂岩,该岩层属厚硬岩层;建立了支架-围岩相互作用模型,进一步探讨支架工作状态与厚硬顶板之间的关系。结果表明:正常回采时,由于厚石英砂岩抗弯曲能力强,基本顶下沉不明显,认为支架只承载直接顶的载荷;周期来压时,由于基本顶厚硬和采空区充填充分,基本顶给定变形量小,致使工作面来压强度小。研究结果对同类条件下的液压支架设计和综采面矿压管理具有指导意义。

综采面支架系统可靠性分析

文章建立了综采面支架系统可靠性的计算模型 ,通过系统可靠性参数的分析 ,得出了提高支架系统可靠性的途径。

钢管混凝土支架作用下南关矿煤巷变形破坏规律

以汾西矿区南关矿煤巷为原型,依托嵌套式相似模拟实验系统建立物理相似模型,研究煤巷在钢管混凝土支架支护下围岩应力、位移分布规律和变形破坏特征。应用FLAC3D 5.0建立钢管混凝土支架巷道模型,分别模拟埋深100~1000 m的情况,分析煤巷变形破坏规律及支架受力特点。研究结果表明:钢管混凝土支架能提高巷道的径向支撑压力,加载初期保持了巷道稳定,但随着荷载加大两帮收敛量大于顶底板移近量,帮部先出现裂隙并向顶底板发展,随后帮部和顶板相继失稳,可见帮部是支护的薄弱环节。在钢管混凝土支架作用下,巷道表面应力呈锯齿状分布,说明支架对围岩存在有效支护范围,支架之间是支护的薄弱部位;支架套管的轴力和弯矩均较大,容易发生破坏,导致支架的承载力丧失。可见,控制煤巷帮部和支架套管的变形破坏,提高其强度,是保证南关矿煤巷钢管混凝土支架支护稳定性的关键。