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左建平团队揭示采空区薄(厚)板破断影响因素

2019-09-11   来源:采矿与岩层控制工程学报

  顶板破断是采场矿压显现的根本原因,探索岩层移动破断规律是科学采矿的基础。现有很多成果是基于梁或薄板模型而来,而顶板的厚度直接影响了顶板的破断行为。


  中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室左建平教授团队在前人研究的基础上通过自主研制的采空区顶板破断模拟实验装置,在均布载荷作用下对四边固支不同厚度顶板进行了破坏实验研究。


  研究发现,薄板破断主要受到最大弯曲应力的影响。随着板厚度增加,横向剪切力的作用在加强,此时厚板的破坏主要受到弯曲和剪切耦合作用,导致其破坏行为更为复杂。


  采空区顶板破断模拟实验装置

  1—液压伺服加载器 ;2—顶部加载板 ;3—顶部固定压板 ;4—顶部可变尺寸压板 ;5—侧向加载板 ;6—液压千斤顶 ;7—侧向加载固定器 ; 8—岩板 ;9—刚性基础 ;10—高度可调声发射探头固定片 ;11—平台底座 ;12—刚性约束板 13—螺杆 ;14—螺母 ;15—侧向加载板探头固定孔


  采空区顶板破断模拟实验装置 ,可用矩形板的长度为 35 cm,宽度为 20 cm,适用于均布荷载、集中荷载作用等不同支承边界条件下 ,不同厚度或不同长度或不同强度的薄板、厚板,以及薄板与厚板组合形式的采场顶板破坏特征及破断机理的小尺度实验研究 。


  整个岩板下端面边界四周由刚性 (或弹性 )基础支撑 ,上端面由压板进行约束 ,由顶部加载板和钢珠施加垂直应力 ,左右侧端面由侧向加载板施加侧向水平应力 ;混凝土板上部通过钢球与顶部加载板接触 ,实现了均布加载 ;动力控制系统采用液压伺服装置 ,裂隙发育采用声发射系统进行监测。


  研究发现,薄板破坏主要是弯曲破坏;厚板破坏是弯曲和剪切复合作用导致 ,当剪切影响可以忽略不计时 ,板沿着长边破断;当剪切影响逐渐增大时 ,板的各力学参数被不同程度弱化 ,板中部的破坏形态开始出现沿短边破断。


  混凝土板“O-X”和“O-?”破断形态


  板的厚度达到中厚板的要求后 ,开始出现沿短边方向的 “X”型破断、沿短边的 “O -?.”破断以及沿长边的 “O-?.”破断形态。


  板的厚度增加导致影响板破断的因素增多 ,大尺度裂纹对破断的控制减弱 ,小裂纹对板破断有明显影响。且随着厚跨比的增加 ,板面上裂纹数不断增加,至厚跨比为 15 / 32时达到最多 ,之后随着厚跨比的不断增大而减少。


  在板的厚跨比达到0. 5左右时 ,板在加载完毕失去承载能力后 ,由于部分板的短边没有完全破断导致板处于似断非断的状态 ,外表仍保持完整性。


  这项研究得到了国家自然科学基金优秀青年基金、国家自然科学基金面上项目、北京卓越青年科学家资助项目、中国矿业大学(北京)越崎杰出学者项目的资金支持,研究成果以《不同厚度岩层破断模式实验研究》为题发表于《采矿与岩层控制工程学报》。


  责任编辑:宫在芹

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