孤岛工作面顶板破断的薄板模型分析

为了研究孤岛工作面的顶板破断机理,利用理论分析和数值模拟的方法建立了两对边简支两对边固定、三边简支一边固定的顶板薄板力学模型。分析计算得出薄板的极限破断准则和应力分布情况,并通过极限破断准则计算出顶板破断初次来压步距和周期来压步距。通过现场观测顶板断裂的初次来压步距和周期来压步距,其结果与理论分析计算的结果较吻合,可为类似的工作面来压预报提供依据。

基于黏弹性基支薄板模型的顶板力学分析

老顶力学模型采用薄板模型,根据弹性力学中的最小势能原理,求得基于文克勒弹性地基薄板模型的顶板位移函数。将支撑老顶的直接顶与煤层视为黏弹性基础,基础模型为广义开尔文模型,在弹性地基薄板模型分析结果的基础上,根据"弹性-黏弹性"对应原理,通过拉普拉斯变换法得到了基于黏弹性基支四边固支薄板模型的老顶位移、应力的解析解,为分析顶板稳定性及预测老采空区的地表沉降提供一定的理论依据。

薄板模型中渗碳诱发的扩散应力分析

基于文献数据,拟合得到渗碳后炉管径向碳浓度分布曲线方程,渗碳产生的膨胀应力可以等效成温差产生的温差应力,简化成二维薄板模型。结果表明:薄板的临气侧因渗碳而引起了一定的压应力,中间部位主要以受临气侧膨胀而产生的拉压力作用为主,表现出拉应力,背气源侧则主要受临气侧和中间部位的弯曲应力为主,表现出压应力。

大倾角仰(俯)采采场顶板破断的薄板模型分析

为了研究大倾角仰采、俯采采场顶板破断机理,建立了大倾角仰、俯采顶板薄板力学模型,利用薄板理论并结合力学分析、数值计算对大倾角俯采及仰采工作面破断时的基本顶岩层应力分布特征与破断机理进行了分析计算,得出了薄板极限破断准则和破断步距理论计算式.结果表明:大倾角仰(俯)采采场顶板破断形式不同于近水平煤层顶板的"O-X"型破断;倾角影响并决定着采场顶板倾向方向的破断特征;走向仰(俯)角对顶板岩层初次破断特征和周期破断特征呈现出不同的影响.

基于薄板理论的巷道层状顶板破断模型分析

基于弹性薄板理论,对巷道单层厚度较小的层状顶板进行力学分析,建立不同边界条件下层状顶板岩层的薄板力学模型,通过推导四边简支板和两对边固支板边界条件下顶板岩层所受的最大弯矩理论解,依据第一强度理论建立顶板岩层最大拉应力方程,并结合数值模拟分析得到了顶板岩层应力分布特征与破断机理。

长壁工作面采场围岩铰接薄板组力学模型研究

针对长壁工作面顶板垮落具有局部、分段、迁移的时空特征, 将长壁工作面采场顶板划分成若干个相互铰接的薄板, 建立了薄板组力学模型. 利用弹性力学薄板理论和数值方法分析了几种支承条件下薄板的应力和挠度分布, 并研究其垮落条件. 从理论上解释了沿工作面方向顶板垮落及其来压特征, 在工程上得到了很好的验证.

四川盆地涪陵南地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩古构造应力场及裂缝特征

通过岩石力学实验、声发射实验和地震资料综合解释,利用有限元数值模拟方法,对涪陵南地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组海相页岩古构造应力场进行了数值模拟,并结合岩心实测结果,预测了构造裂缝的发育特征。研究结果表明:①涪陵南地区裂缝主要形成期(燕山晚期)构造应力和裂缝的分布受断层、岩石力学性质和构造应力的影响,断层广泛发育的区域容易出现应力集中,并引起较大的应力梯度。②利用库伦-莫尔破裂准则预测了研究区构造裂缝的发育,同时引入剪切破裂指数R定量表征裂缝发育的强度,其值越大反映裂缝发育程度越高。窄陡断背斜和断层附近裂缝发育,以高角度剪切裂缝为主,而在宽缓向斜部位裂缝发育程度最弱,研究区五峰组—龙马溪组底部硅质页岩应力集中,裂缝最发育。③涪陵南地区海相页岩气保存有利区主要为3个区带:远离大断层的凤来向斜内部,主要构造变形期未遭受大的破坏作用,其位于应力低值区,具有良好的保存条件,为Ⅰ类有利区;白马向斜内部小断层发育,应力值位于中等水平,保存条件中等,为Ⅱ类较有利区;石门—金坪断背斜遭受到强烈改造作用,容易产生大规模剪切裂缝,破坏了保存条件,为Ⅲ类不利区。

考虑边界约束影响的充填挡墙厚度确定方法及应力分布规律研究

不合理的边界加固方式会导致充填过程中挡墙边缘抗弯能力弱化进而影响采场安全。基于此,为了确定合理的充填挡墙厚度,探讨边界约束对充填挡墙稳定性的影响,将挡墙结构简化为4类薄板模型。以第一强度准则为判断依据,提出了不同边界约束模式下充填挡墙厚度确定方法。结合大冶铁矿工程实际,探讨了不同边界约束模式下充填挡墙应力分布规律,并通过解析几何和数值模拟对本文理论模型进行了验证。研究结果表明:①挡墙最小厚度与充填高度、充填料浆容重呈正相关关系,与挡墙抗拉强度呈负相关关系,增加挡墙抗拉强度有利于挡墙稳定性;②挡墙内外侧拉伸应力分布存在明显差异,外侧呈X型分布,内侧呈O型分布,边界抗弯能力弱化会导致拉伸区域拓展,增加挡墙边界弯矩可以有效防止挡墙破坏;③数值模拟获取的应力分布规律与解析几何分析结果高度一致,进一步验证了本文充填挡墙厚度确定方法的可靠性,结果可为类似采场充填挡墙参数优化提供参考。

基于薄板平滑样条模型的中国大陆区域降水数据融合研究

高精度的降水网格数据产品的研制对于数值天气模式检验、水文陆面模拟、山洪地质灾害监测都有着重要意义。本文选取2015年中国大陆区域740个常规气象观测站的日降水观测数据以及CMORPH卫星日降水数据作为研究对象,采用将CMORPH卫星数据作为协变量的薄板平滑样条模型将两种来源的降水观测数据进行融合,并尝试应用调整的Cressman方案对薄板平滑样条的残差场进行订正。最后以740个地面常规气象站的降水观测数据为标准对融合方案以及残差场的订正效果进行评估和分析。结果表明,将CMORPH卫星降水数据作为样条模型的协变量比没有协变量的方案在中国大陆区域整体上精度提高了约7%,其中CMORPH数据在南部沿海地区的表现优于青藏高原地区以及高纬度地区;应用调整的Cressman方案对薄板平滑样条模型的残差场进行订正不能提高降水估计场的精度;利用薄板平滑样条模型产生的降水估计场的精度比CMOPRH卫星降水数据的精度提高了约12%。

中深层煤炭地下气化的气化腔安全宽度计算方法

煤炭地下气化是目前温度最高(超过1200℃)的化石能源非常规开发方式,中深层(本文指埋深800~1500 m)煤炭地下气化在提高气化压力、降低地质安全风险方面优势明显,科学预测气化腔安全宽度对保障气化稳定运行十分重要,由于目前基于可控注入点后退(CRIP)工艺的气化腔安全宽度计算方法尚未建立,为保证现场试验顺利实施,需要开展针对性研究。气化腔顶板“裸露”在气化腔后会受到高温影响,通过数值模拟方法研究了压应力约束条件下岩石内部热应力产生位置以及颗粒、基质热膨胀系数差异对热应力大小的影响规律,结合高温处理后的岩石电镜扫描结果,查明了高温下岩石热损伤机理。根据CRIP气化工艺造腔特点,建立了考虑高温影响的气化腔顶板薄板模型,结合“关键层”理论提出了气化腔安全宽度计算方法。研究表明:岩石热损伤是岩石物理化学反应与热应力互相促进、共同作用的结果,高温下岩石发生不规则变形,岩石热损伤引起的微观结构变化是导致岩石力学性质、物理性质变化的根本原因。岩石的最大拉张热应力出现在颗粒界面或热膨胀系数较小的颗粒中,颗粒与基质热膨胀系数比值在[0.01~1)时,最大拉张热应力随颗粒热膨胀系数减小而快速增加。泥岩加热到200℃时开始出现微裂隙;加热到400℃时裂隙发育更加明显,主要是沿颗粒边缘破裂;加热到600~800℃时,裂隙数量增多、尺寸变大;加热到1000℃时,除出现较大裂隙外,还产生了大量孔隙;1200℃时裂隙连通性明显增加,气孔发育较大。由于高温的影响,薄板模型的步距准数不再是定值,需要根据气化腔顶板热破坏范围与顶板硬岩层的空间位置关系确定具体数值。气化腔安全宽度受温度影响,在研究算例中,砂岩顶板在35、1000℃时安全宽度计算结果分别为34.3 m和14.1 m,相差达58.9%,泥岩顶板在35、1000℃时安全宽度计算结果分别为16.7 m和15.9 m,相差4.8%。最后从降低顶板垮落风险、有利于气化控制角度,提出了煤层纵向靶区位置的确定方法,当煤层厚度超过气化腔安全宽度一半时,建议将水平井纵向靶区设计在距离煤顶不超过气化腔安全宽度一半的位置。

对“基于薄板理论的采场覆岩关键层的判别方法”的商榷

就工作面宽度与关键层位置判别的关系以及基于薄板模型的关键层判别方法存在的局限性进行了研究。结果表明:一般情况下,各硬岩层的破断顺序是由各硬岩层步距准数所决定的,与工作面宽度无关,因此无论是采用梁模型还是薄板模型对关键层位置的判别结果没有影响;上覆硬岩层几何尺寸并不一定能符合薄板的定义,而且基于薄板模型的关键层判别方法需要工作面宽度才能进行计算,如果工作面宽度小于上覆硬岩层的步距准数,硬岩层将稳定不破断,就无法得到硬岩层的破断距,也就无法通过比较硬岩层破断顺序来确定关键层位置。

基于薄板理论的首采工作面基本顶来压步距数值研究

基本顶破断对工作面来压具有重要影响。为了研究首采工作面的基本顶破断机理,根据顶板发生初次破断和周期性破断时的边界条件,分别建立了四边固支、三边固支一边简支的顶板薄板力学模型。利用伽辽金法对薄板模型进行力学计算,对工作面顶板破断时基本顶岩层的应力分布特征与破断机理进行了分析。通过极限破断准则得出顶板破断位置与来压步距。结果表明:工作面基本顶破断与上覆岩层载荷、工作面长度、推进距离、岩层厚度、泊松比等因素有关,与板的弹性模量无关。现场观测顶板来压步距与理论计算结果较吻合,可为首采工作面来压预报提供依据。

有限元线法斜型薄板单元及其应用

导出斜型薄板单元模型并应用于有限元线法(FEMOL)求解平行四边形斜板的弯曲问题.还给出利用半离散总势能泛函的极值条件导出的有限元线法控制微分方程组及其ODE求解体系.计算实践表明,仅用很少数量的斜单元网格就可以得斜型薄板弯曲问题高精度的解答.

基于小变形薄板理论的水平矿柱回采预留厚度探讨

在分析水平矿柱回采过程最有可能失稳方式的基础上,将水平矿柱回采的采场顶板简化成小变形薄板结构,通过李兹法求解其挠度表达式,结合极限平衡强度理论得出预留安全厚度和采场跨度之间的关系式,为水平矿柱的安全高效回采提供可靠的理论依据。

快速掘进工艺下深部巷道合理空顶距研究

为解决深部巷道空顶距取值不合理导致巷道掘进速度慢的难题,建立薄板力学模型及数值计算模型,确定巷道最大合理空顶距。基于工程条件提出高预紧力厚锚固承载结构支护技术体系,通过数值模拟确定对应的支护关键技术参数,并在朱集西煤矿13402运输顺槽开展工业性试验。结果表明:通过理论计算及数值模拟等方法获得巷道最大合理空顶距约为5 m,巷道空顶距对巷道顶板变形破坏的影响较大。高预紧力厚锚固承载结构支护技术体系有效保障了大埋深快速掘进巷道服务期间的稳定性与安全性。研究成果可为其他类似地质条件巷道快速掘进提供参考。

露天煤矿端帮遗煤开采顶板破断特征研究

为安全高效回收露天煤矿端帮压煤,以内蒙古某露天煤矿开采条件为研究背景,采用理论分析和数值模拟方法,研究了综放工作面顶板破断移动规律。结果表明,工作面顶板条件适用于的三边固支一边简支薄板力学模型,随着工作面顶板悬露距离的增加,顶板应力分布发生变化,根据岩层破断判据,当悬露长度达到20 m时,应力σy在固支长边a/■位置应力峰值达到岩石抗拉强度,顶板于固支长边发生拉破坏。数值模拟结果显示,工作面开采至22 m时开始来压,且表现在工作面20~70 m,其他位置来压滞后。覆岩厚度较小处,地表位移差较大,达到54 mm,该位置应注意工作面顶板和边坡稳定防护。研究结果可为工作面来压预报提供理论依据,也可为相似条件工作面提供借鉴。

垂直反射法检测混凝土防渗墙的研究与应用

针对垂直反射法检测混凝土防渗墙质量的理论模型及分辨率的问题进行探讨,从理论上证明了该检测方法的有效性,并在应用中取得了较好效果,为防渗墙的无损检测开辟了一条新的途径。

新增大楼对地倾斜观测的影响

根据弹性力学的基本理论 ,建立了水平矩形薄板模型 ,推导了计算此类薄板影响地倾斜的基本公式。通过该模型的模拟计算 ,分别得出了由大楼质量造成的附加引力位对观测点水平摆的偏转角度和大楼负荷产生的地倾斜 ,并针对厦门地震台的实际情况 ,讨论了大楼对地倾斜观测的影响。

冲击载荷作用下矩形风窗动态分布特征与破坏机理

瓦斯(煤尘)爆炸冲击波传播过程中在固定构筑物处会出现多个波峰震荡,有着显著的超压与振荡现象,对矿井通风设施破坏效应明显,但具体的破坏过程和机理尚不清楚。基于矩形薄板模型,建立了矩形风窗自由振动的Hamilton体系对偶方程与四边固支(C-C-C-C)矩形风窗振动的频率方程及其振型分析函数;基于振型函数的正交性与杜哈梅积分,得出了冲击载荷作用下矩形风窗振动的挠度动态分布方程。基于牛顿迭代法与MATLAB软件,得出了冲击载荷作用下矩形风窗振动模态主要由1阶、5阶、6阶主振型构成,并分别得出了其振动的固有频率;分析了应力、应变、弯矩、横向剪力、最大主应力与主应变动态分布特征,主要分布在四边中点及其附近区域、矩形风窗中心区域、矩形风窗四角附近区域。基于第三强度理论,得出了冲击载荷作用下四边固支矩形风窗发生损伤破坏的起始位置为四边中点区域,然后是矩形风窗中心区域;发展趋势是主要沿着矩形风窗长轴的中心区域破坏,其次是沿着短轴的中心区域破坏;由1阶主振型(主频)可推断出矩形风窗的起始破坏位置,由5阶、6阶主振型可以判断破坏的发展方向与趋势。基于Ls-DYNA软件,采用PLASTIC_KINEMATIC材料模型,模拟分析了四边固支矩形风窗在冲击载荷作用下的动态破坏过程,验证了理论研究结果的正确性,初步揭示了冲击载荷作用下矩形风窗的破坏机理。

基于安全系数和可靠度的极破碎矿体进路优化

基于极破碎矿体开采条件极其复杂、难以确定合理的进路断面参数等问题,建立下向进路薄板力学模型,得到进路承载层抗拉强度破坏判据。在此基础上运用安全系数法和可靠度理论研究进路宽度和高度对承载层拉应力的影响,并对这2种方法所得结果进行比较优化出最佳进路断面,进而开展ABAQUS数值模拟和现场试验验证断面优化的合理性。研究结果表明:进路宽度对承载层拉应力的影响较大,可采用"小宽度、大高度"的思路优化断面;安全系数和可靠度分析结果存在一定差异,且可靠度分析更合理;数值模拟结果与工业试验结果及可靠度分析结果较吻合,表明采用可靠度理论优化极破碎矿体进路断面是可行的,可实现极破碎矿体安全高效经济开采。