1。介绍和背景gydF4y2Ba
在中国,煤炭仍然是和仍将是最重要的能源在很长一段时间gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba]。煤回收的主要方法是长壁开采方法,胜过了房柱法的煤炭复苏,生产和生产力(gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba]。地面控制问题面临区域主要是观察到的动态开放的巨大强劲主要屋顶,长壁的冲击荷载的盾牌和工作面,导致过度关闭屏蔽筒和长壁面临崩溃gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba
10gydF4y2Ba)(见图gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba)。逐步发展的长壁的脸,屋顶的过剩长度在采空区继续增加。第一个主要塌顶时的极限跨度,导致动态负载长壁面对面对区域。作为屋顶落在屋顶加权期间发生多次,面对动态影响区域也定期观察。这产生的动载荷主要塌顶称为动载荷的影响。这个问题变得更加频繁的发生在长壁板操作在一个超大高度(gydF4y2Ba
11gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
12gydF4y2Ba]。例如,厚煤层6 - 9米的广泛研究发现,陕北、黄龙,新疆煤炭基地在中国北部和西部的一部分由large-cutting-height恢复长壁开采系统。这样缝通常平浅,上面巨大的和强大的企业集团渠道发生。目前,8.8单切长壁开采方法已经成功地在Shanwan,申东基地(gydF4y2Ba
13gydF4y2Ba]。随着浅层煤炭资源日益枯竭,煤炭在一个更深的深度开采,在开放和动态的问题危害面孔区变得更加棘手。这些地面控制问题(尤其是动态屋顶运动)可能会导致损失的操作时间,损害长壁的盾牌,减少生产和利润,增加地下水污染的风险。gydF4y2Ba
动态负载危害面对开放面积:(a)从塌顶盾崩溃;从过度roof-to-floor关闭(b)面对失败。gydF4y2Ba
屋顶的崩溃中扮演一个重要的角色面对开放的动态风险区域,目标是减少如果不控制的负面影响主要塌顶长壁盾和长壁的脸gydF4y2Ba
14gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
15gydF4y2Ba]。影响水平的一个重要因素动态开放面临地区屋顶危害仍屋顶坍塌的位置(gydF4y2Ba
16gydF4y2Ba]。如果悬臂屋顶的自然下降周期屋顶权重发生背后的长壁盾牌,面对稳定的状况可能会更好。如果上面的屋顶滑倒或长壁盾之前,动态风险更有可能发生。长壁表面的冲击荷载的大小也取决于几何和体重等因素主要的屋顶,屋顶之间的分离主要和直接的屋顶,和长壁盾的机械性能。事实上,这些影响因素的地面控制问题公开面孔区可以作为地质因素,确定保护能力,技术因素(gydF4y2Ba
17gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
18gydF4y2Ba]。等地质因素的深度覆盖,存在缺点,煤层倾角和地层的力学和几何参数是我无法控制的因素在一个特定的网站。导弹防御系统的能力,相反,包括设置负载、屈服荷载,大小盾牌,卷筒纸宽度,端面距离和依赖运营商。努力提高执行长壁盾牌的保护能力问世以来gydF4y2Ba
19gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
20.gydF4y2Ba]。中国当前最强大的长壁盾增加了缸直径600毫米,支持负载2600 t。技术因素包括采矿方法、长度和宽度,先前的萃取邻当前长壁板,面对掘进速度(gydF4y2Ba
21gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba
盾牌的能力被认为是最重要的一个影响因素层运动。事实上,解决地面控制问题的关键在公开面孔区顶板岩层的相互作用在于改善我们的理解。这种交互甚至略有不同的放顶煤开采过程长壁的脸,顶板岩层的相互作用成为之间的耦合坠毁前煤(而不是硬顶)和长壁盾(gydF4y2Ba
22gydF4y2Ba]。大量的模型已经开发研究长壁盾牌与周围的地层(gydF4y2Ba
23gydF4y2Ba,gydF4y2Ba
24gydF4y2Ba]。方法包括分离块模型,等效系统刚度模型,直接roof-main屋顶耦合模型、负载周期分析,地面响应曲线和数值建模研究。物理屋顶造型屈服行为也被广泛进行繁殖地层运动的逐步发展和屋顶的失败gydF4y2Ba
25gydF4y2Ba]。模型考虑了冲击荷载盾牌,延长了裂隙带高度,面对失败和shield-strata交互,声发射信号,干扰覆岩的配置,等等。然而,前面的物理模型对冲击荷载主要在二维。先前的研究在很大程度上改善我们的理解在盾牌的耦合与围岩的脸。然而,shield-strata交互动态屋顶加载条件下需要进一步调查。本文试图延长屋顶3 d动态运动的研究从物理模拟研究。gydF4y2Ba
2。模型开发gydF4y2Ba
2.1。相似原理和建模平台gydF4y2Ba
物理模型试验必须遵循一系列相似性原则,确保物理模型的行为类似于真实的案例(全尺寸)。根据原则,物理模型的特性应该类似于几何方面的实际情况,密度和强度,这样测量的物理模型可以较真实的案例。相似性系数被定义为真实案例的比例参数包括几何、密度和强度的物理模型。基于煤系地层的力学性能和物理维度建模平台,几何形状的相似性系数、密度、和力量被确定为10,1.7,分别和17。gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba展示了三维物理模拟平台用于这项研究。它有一个最大尺寸800×1500×1300毫米的宽度,长度,高度,分别。在主钢架构造物理模型的尺寸800×750×650毫米。4-leg物理屏障放置的煤层,shield-strata交互可以包括在这项研究。压力传感器在液压腿连接到测量系统被用来记录从屋顶的气缸压力下降。以上直接顶钢板连接一个可移动的电磁铁。钢板是一种特定的直接顶的位移模拟床分离。在模拟测试,钢板对造型的影响降到最直接的屋顶开放面临地区负荷条件。的钢板由电磁控制开关。图gydF4y2Ba
2(一个)gydF4y2Ba是一个实验的原理图。最后给出测量系统的模型放置在图gydF4y2Ba
2 (b)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
三维物理模拟平台屋顶动态加载测试:(a)和(b)构造模型示意图测量系统。gydF4y2Ba
2.2。模型结构和建模过程gydF4y2Ba
Geo-mechanical造型材料构建物理模型在本研究精心挑选。两个模型是构造模拟最重要的两个厚煤层开采方法,即。large-cutting-height和放顶煤开采过程挖掘方法(见图gydF4y2Ba
3gydF4y2Ba)。35毫米的large-cutting-height模型由煤层和30毫米立即屋顶(图gydF4y2Ba
3(一个)gydF4y2Ba)。造型的建筑材料煤层是砂的混合物,石灰、石膏比例75:4:4重量,而直接的屋顶是由沙子、石灰、石膏和水泥的比例45:45:4:4。组件的比例决定通过反复试验的过程,确保物理地层构造适当的physio-mechanical属性。固体材料完全混合再加入水,以确保整体均匀性和各向同性。然后混合物放置在造型设计钢架和压实的高度。构造物理模型层的层,以确保模型的整体实力和高度。放顶煤开采过程模型,然而,由35毫米煤层和30 mm松散煤(见图gydF4y2Ba
3 (b)gydF4y2Ba)。松前煤层也是顶部视图如图所示gydF4y2Ba
3 (b)gydF4y2Ba。建筑材料的煤层具有相同的组成与large-cutting-height模型,和松散煤层由煤炭块选择6 - 8厘米。gydF4y2Ba
构建物理模型:(a) large-cutting-height模型;(b)放顶煤开采过程模型。gydF4y2Ba
考虑到物理测试的可行性和简化,主要使用100公斤钢板屋顶建模,这是连接到物理建模平台梁的电磁铁。上面的钢板是一定距离的直接顶/煤质量和落在眼前的屋顶在关机电磁开关,为模拟和动态塌顶床分离。因此,前后液压腿上的冲击载荷和变形的脸被记录。相反,实地观察表明,主要的屋顶一般骨折之前,以上,或在faceline后面。屋顶因此下降可能发生在不同位置相对于faceline脸上并导致显著不同的影响和保护性能。覆盖的屋顶压裂位置,前沿(指向固体煤方面)的主要屋顶(钢板)被放置在不同的线,为模拟faceline背后的屋顶破损在10厘米(1号线),正上方faceline位置(2)行,10厘米,20厘米,30厘米的faceline(3号线、4号线和线5)。主要的屋顶的自由落体运动执行在不同高度的区间0.5 - -4.0厘米0.5厘米以上直接顶/煤炭质量。液压腿的影响压力反应的动态塌顶记录使用的压力测量系统。屋顶落在一个特定的位置和高度重复3次达到平均值的腿的压力。物理防御保持相同的每个动态塌顶之前设置的压力。gydF4y2Ba
在这篇文章中,一个动态负载系数(gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba)被定义为动态负载液压腿的比例在屋顶的重量直接和主要的屋顶(见方程(gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba))。无量纲系数是用来评估的水平和强度动态塌顶:gydF4y2Ba
(1)gydF4y2Ba
KgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
FgydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
+gydF4y2Ba
米gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
FgydF4y2Ba是影响负载液压腿从kN的压力测量系统,获得gydF4y2Ba
米gydF4y2Ba1gydF4y2Ba在公斤直接顶的质量,gydF4y2Ba
ggydF4y2Ba
在m / s(重力加速度gydF4y2Ba
2gydF4y2Ba),而gydF4y2Ba
米gydF4y2Ba2gydF4y2Ba钢板的质量在公斤。gydF4y2Ba
放顶煤开采过程模型,煤质量函数作为缓冲组件从屋顶掉部分吸收冲击能量。一个缓冲系数(gydF4y2Ba
ηgydF4y2Ba
kgydF4y2Ba
)进一步定义用于描述能量吸收能力的煤炭质量和作为gydF4y2Ba
(2)gydF4y2Ba
ηgydF4y2Ba
kgydF4y2Ba
=gydF4y2Ba
FgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
−gydF4y2Ba
FgydF4y2Ba
2gydF4y2Ba
FgydF4y2Ba
1gydF4y2Ba
,gydF4y2Ba
在哪里gydF4y2Ba
FgydF4y2Ba1gydF4y2Ba是盾冲击载荷在kN large-cutting-height模型,gydF4y2Ba
FgydF4y2Ba2gydF4y2Ba冲击载荷在盾牌之后的位置最高煤炭质量。gydF4y2Ba
3所示。结果和分析gydF4y2Ba
3.1。发展屋顶和面对失败gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
4gydF4y2Ba显示了屋顶,屋顶的动态冲击荷载条件下面临失败。初始屈曲的脸large-cutting-height模型图gydF4y2Ba
4(一)gydF4y2Ba,表明煤面墙的水平运动。沉下脸的大规模发生几冲击加载后从主屋顶(见图gydF4y2Ba
4 (b)gydF4y2Ba)。沉下脸,5 - 10厘米深延伸至固体煤面,覆盖整个地区面临的物理模型。顶部视图如图gydF4y2Ba
4 (c)gydF4y2Ba显示的失败直接沿着faceline屋顶的冲击载荷下主要的屋顶。通常,如果主屋顶落立即从一个更高的位置在屋顶或自由落体的重量较大,顶板然后直接顶的水平,面对失败是更大的。屋顶和面对的失败取决于动态冲击载荷的大小和之间的分离主要的屋顶,屋顶。事实上,地层的分离起着至关重要的作用在面临冲击荷载的水平区域。因此,一个可能的措施来缓解冲击载荷的主要屋顶是提高保护能力或设置负载,从而减少屋顶分离的可能性。gydF4y2Ba
屋顶和面对失败的物理模型动态屋檐下加载:(a)脸屈曲;沉下脸(b);(c)屋顶下降。gydF4y2Ba
3.2。动载荷系数的发展gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
5gydF4y2Ba情节的发展动载荷系数在不同的位置和高度的塌顶large-cutting-height和放顶煤开采过程模型,分别。塌顶位置相对于faceline和塌顶高度保护腿压力有显著影响。一般来说,动载荷系数增加而屋顶高度下降,表明一个更大的屋顶罩分离可能会产生更大的压力液压腿和增加气缸损坏的风险。在同一屋顶高度下降,然而,动载荷系数较大时发生塌顶盾比上面的脸后面,当屋顶落faceline之前。这是因为固体煤层可能吸收部分冲击载荷能量如果主屋顶落faceline之前。因此,当强烈的和大规模的集团渠道发现坐在上面缝,屋顶preblasting或压裂前盾后面的脸或屋顶建议来缓解压力和保护盾的铁箍事件(突然全关闭液压缸)。gydF4y2Ba
动载荷系数在不同的位置和高度的塌顶:(a) large-cutting-height脸;(b)放顶煤开采过程的脸。gydF4y2Ba
放顶煤开采过程模型,动态负荷远小于large-cutting-height脸,实地观察的同意。的最大动载荷系数只有2.3放顶煤开采过程模型,与2.8相比large-cutting-height模型。屋顶顶部之间的煤炭质量主要作为减震器和福利和保护功能保护性能。因此,推测,破碎的煤或类似屋顶的直接好处盾牌和脸的稳定性。gydF4y2Ba
盾上的负载分布的四个液压腿的盾牌在不同塌顶位置在图提供gydF4y2Ba
6gydF4y2Ba。位置1 (P1)塌顶的位置模拟在20厘米的脸;而位置9 (P9)模拟背后的主要屋顶在20厘米。塌顶的位置设计在一个5厘米间隔;因此,P5代表faceline上方的塌顶位置正确。再次,从盾牌的总屏蔽负载支撑屋顶负载如果屋顶发生faceline背后的秋天,和放顶煤开采过程长壁的脸显示了盾牌上的负载而large-cutting-height模型。负荷的分布在不同的盾牌腿,然而,并不存在一个明确的规则。gydF4y2Ba
动态负载分配在不同塌顶盾腿立场:(a) large-cutting-height模型;(b)放顶煤开采过程模型。gydF4y2Ba
3.3。发展的缓冲系数在不同塌顶位置gydF4y2Ba
盾腿缓冲系数的分布在不同的塌顶位置在图给出gydF4y2Ba
7gydF4y2Ba。注意上面的屋顶从15厘米顶部煤炭质量在这个特定的模式。自由落体的动能主要屋顶部分被之间的碰撞主要屋顶和煤炭块顶部,函数作为缓冲组件。一个较小的缓冲系数代表了更多的动能吸收煤炭质量。可以看出缓冲系数更小在塌顶位置faceline (PgydF4y2Ba1gydF4y2Ba- pgydF4y2Ba4gydF4y2Ba),并且显著增加屋顶倒塌的时候发生在faceline (PgydF4y2Ba6gydF4y2Ba- pgydF4y2Ba9gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba
缓冲区分配系数在不同塌顶盾腿的位置。塌顶位置PgydF4y2Ba1gydF4y2Ba- pgydF4y2Ba9gydF4y2Ba与图有相同的含义gydF4y2Ba
6gydF4y2Ba。gydF4y2Ba
4所示。总结和讨论gydF4y2Ba
本文研制了一种三维物理模拟平台研究地层之间的相互作用和动态冲击载荷条件下的长壁盾。钢板主要用于模拟的屋顶,降至最直接的屋顶造型的自由落体运动的屋顶和动态冲击荷载环境开放的表面积。主要的直接顶上方的屋顶发生在不同高度和不同职位对长壁faceline。长壁的脸是模仿large-cutting-height脸和放顶煤开采过程的脸在这个研究包括直接顶的性质。屋顶的发展,面对失败,动载荷系数,缓冲系数分析不同塌顶条件下。本研究的重要发现是下面:gydF4y2Ba
长壁的脸扣在屋顶影响负载下,然后崩溃。直接沿着faceline屋顶骨折。的脸和屋顶失败取决于动态冲击载荷的大小。gydF4y2Ba
塌顶的位置相对于长壁faceline也有一个重要的影响稳定的屋顶和脸。煤炭的脸和盾牌维持更大的负载如果发生主要屋顶瀑布后面而不是faceline之前。gydF4y2Ba
盾上的负载腿和脸也增加屋顶的高度下降或等价之间的分离主要屋顶,屋顶。提高保护能力和设置负载可能会减少这种分离。gydF4y2Ba
盾上的压力和固体煤面松了一口气顶部coal-caving脸比large-cutting-height脸,将碎煤的存在块函数作为缓冲组件吸收冲击载荷能量主要屋顶的崩溃。gydF4y2Ba