采矿与安全工程学报 ›› 2026, Vol. 43 ›› Issue (3): 674-684.doi: 10.13545/j.cnki.jmse.2025.0391

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松散层-关键层协同运动规律及土拱力学模型研究

于美鲁1,张晨阳1,马定1,王中文2,顾清恒1,左建平2,张通1,李春元3   

  1. 1. 安徽理工大学煤炭无人化开采数智技术全国重点实验室,安徽淮南232001; 2. 中国矿业大学(北京)力学与
    土木工程学院,北京100083; 3. 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院,北京100083
  • 出版日期:2026-05-15 发布日期:2026-05-15
  • 通讯作者: 左建平,E-mail: zjp@cumtb.edu.cn,Tel: 18811172182
  • 作者简介:于美鲁(1992— ),男,山东省汶上县人,博士,副教授,从事矿山岩体力学方面的研究。
  • 基金资助:
     国家自然科学基金项目(52304118, 52225404); 安徽理工大学引进人才基金项目(2023yjrc18); 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室开放基金项目(SKLMRDPC23KF08)

Coordinated deformation mechanism between loose layer and key stratum and mechanical model of soil arch

  • Online:2026-05-15 Published:2026-05-15

摘要: 针对西部矿区高强度开采下松散层-关键层协同变形机制不明晰的问题,引入土拱效应概念,结合关键层理论,分析松散层与关键层的协同变形机理。通过拱形梁法建立协同变形力学方程,揭示土拱跨、高与力学参数及关键层来压步距的定量关系,并依托柠条塔矿区地质条件开展相似材料模拟试验。研究表明:土拱形态与松散层类型密切相关,风积沙土拱高跨比恒定,黄土与砂黄土呈非线性演化,其中黄土成拱稳定性最佳;一次性开挖长度过大会导致土拱由半圆形向扁拱形演变。关键层控制松散层运移模式,松散层通过应力传递影响关键块结构与破断步距,松散层-关键层之间存在协同与非协同两种运动模式,后者因土拱失稳易诱发动载冲击,增加覆岩结构失稳风险。土拱的整体失稳可导致地表台阶状剪切裂缝并贯通至工作面。研究成果为西部矿区生态化开采与岩土协同调控理论发展提供依据,对优化采动损害防控、推动矿区绿色低碳发展具有实践意义。

关键词: 关键层理论, 岩层控制, 厚松散层, 相似材料模拟试验, 土拱效应

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