不连续面对顶板破断影响机理研究

1、不连续面对顶板破断影响机理研究工程岩体的失稳破坏通常是由于施工引起应力重分布而使岩体变形在某些 不连续面或其中的薄弱部位逐渐地增长发展 , 岩体中的不连续面不断地蠕变、演 化, 进而产生宏观断裂并产生新的贯通滑移面所引起的。论文以实验室相似材料 模拟、现场观测为基础 , 采用损伤力学、材料力学、弹性力学等固体力学理论 , 运用数值流行法 , 较全面的研究了不连续面对顶板破断的影响机理 , 主要包括不 连续面密度对基本顶上载荷和基本顶极限跨距的影响机理 ; 不连续面及其倾角、 工作面推进方向与不连续面倾向关系对顶板初次垮落步距、 周期来压步距、 导水 裂隙带发育高度、岩层垮落角等的综合影响。推导

2、出了在不连续面影响下 , 基本顶上载荷及基本顶极限跨距的计算公式 , 建立了含有不连续面的室内相似模型 , 利用数值流行法对巷道围岩内不连续面分 布进行反演并将反演结果应用于预测基本顶初次垮落 , 为进一步研究顶板破断机 理提供了理论依据 , 为矿山压力基础理论做了新的探索。通过对王庄煤矿和东周 窑煤矿巷道顶板进行钻孔窥视观测及矿压监测 , 将论文的理论研究成果进行了应 用,预测了基本顶初次破断的位置 , 取得了较好的效果。主要取得了以下结论 :(1) 以损伤力学为基础 , 分别分析了在二维单元体和三 维单元体中不连续面密度对岩体弹性模量和泊松比的影响 , 在二维单元体中 , 当 泊松比为 0

3、.3 时, 岩体有效弹性模量和岩石弹性模量比值、岩体有效泊松比和岩 石泊松比比值都随不连续面密度的增加而减小 ,当不连续面密度从 0增加至 0.5 时, 岩体有效弹性模量和岩石弹性模量比值、岩体有效泊松比和岩石泊松比比值 从 1 减小至 0.411; 在三维单元体中 , 当泊松比为 0.3 时 , 岩体有效弹性模量和岩 石弹性模量比值、岩体有效泊松比都随不连续面密度的增加而减小 , 当不连续面 密度从0增加至 0.5 时,岩体有效弹性模量和岩石弹性模量比值从 1减小至 0.536,岩体有效泊松比从 0.3 减小至 0.176 。基于不连续密度与岩体有效弹性模量和有 效泊松比的关系 ,并结合基本

4、顶梁式破断和薄板式破断两种力学模型 , 推导出基 本顶上载荷在不同不连续面密度下的理论解 , 推导出基本顶梁式破断和薄板式破 断极限跨距在不同不连续面密度下的理论解。(2) 通过举例 , 计算了不连续面密度对基本顶上载荷计算以及基本顶极限跨 距计算的影响 ,并对两者进行敏感性分析 ,分析结果得出 ,作用在基本顶上的载荷 随着不连续面密度的增加而逐渐减小 , 基本顶的极限跨距随着不连续面密度的增 加而逐渐减小 , 更进一步的分析得出 ,不连续面对基本顶极限跨距的影响随着工 作面长度的减小而增加 , 即不连续面对短壁工作面基本顶极限跨距的减小作用较 大,对长壁工作面基本顶极限跨距的减小作用较小。

5、(3) 以同煤集团煤峪口煤矿 412盘区 82002工作面为工程背景 ,构建室内相似材料实验模型 ,预先在相似试验 台两侧绘制不连续面分布迹线 , 在构建相似模型时 , 根据预先绘制的不连续面迹 线的角度和长度 ,利用钢尺切割未夯实的相似材料 , 将云母粉均匀地撒入切割形 成的空间内 , 以模仿岩层中的不连续面。共进行 5个相似实验 ,以进行不连续面倾角及工作面推进方向与不连续面倾 向关系的对顶板破断影响的对比分析 , 分别为完整岩体相似模型实验、不连续面 倾角为 30工作面推进方向与不连续面倾向相反相似模型实验、不连续面倾角 为 30工作面推进方向与不连续面倾向相同相似模型实验、不连续面倾角

6、为60工作面推进方向与不连续面倾向相反相似模型实验和不连续面倾角为60工作面推进方向与不连续面倾角相同相似模型实验。 通过比较实验结果分析不连续面 倾角、工作面推进方向与不连续面倾向关系对初次垮落步距、 周期来压步距、 导 水裂隙带发育高度、岩层垮落角等的综合影响 ,分析得出:1) 基本顶中不连续面能 够引起工作面的初次来压步距减小 , 且不连续面的倾角越大 ,发生初次垮落时覆 岩的垮落高度越大。不连续面能够造成周期来压步距减小 , 导水裂隙带发展范围增大 , 随不连续 面倾角的增大 ,易发生顶板的整体切落现象。 2)在初次来压时 ,基本顶中不连续面 倾角较小时 , 与不连续面倾向相反的工作面

7、推进方向引起顶板垮落高度增大 ,基 本顶中不连续面倾角较大时 , 在初次来压 , 与不连续面倾向相反的工作面推进方 向引起初次来压步距减小。3)在周期来压时 , 基本顶中不连续面倾角较小时 ,工作面推进方向对周期来 压步距无明显影响 ,基本顶中不连续面倾角较大时 , 与不连续面倾向相反的工作 面推进方向引起周期来压步距减小。 4) 推进相同距离时 , 与不连续面倾向相反的 工作面推进方向引起导水裂隙带的发育高度增加 ,且不连续面倾角越大 , 导水裂 隙带发育高度越大。5)在工作面推进过程中 , 基本顶中不连续面倾角较小和较大时 ,与不连续面 倾向相反的工作面推进方向都能引起岩层垮落角增大 ,

8、即推进方向与不连续面倾 向相反时,更易造成顶板整体切落。 (4)利用数值流行法 ,对巷道围岩不连续面分 布进行反演分析并应用。首先, 通过原始代码、等效边界载荷和原始代码与等效边界载荷共同作用三 种方法加载地应力 ,并比较不同施加地应力方法的收敛速度 , 最终提出最优的数 值流行法中施加地应力的方法。为在数值流行法中产生随机不连续面 , 基于数值 流行法原代码 (nmm)的 mc块和非连续变形分析法 (dda) 的 dl 块, 开发了数值流行 法中随机不连续面的接口代码 ,在数值流行法建模时 ,可根据不连续面的倾角、 倾 向、岩桥、间距、迹长等参数产生随机不连续面 , 并应用于数值流行法计算中

9、利用数值流行法可以计算非贯通不连续面对岩体变形的影响的特点, 以同煤集团的煤峪口煤矿的运输大巷掘进期的巷道变形实测数据为基础 , 利用数值流行 法进行反演分析 ,利用数值流行法建模 , 结合所总结的地应力施加方法 ,及开发的 随机不连续面接口代码 ,分别改变不连续面的间距及迹长 ,产生 144组不同不连 续面分布的岩体模型 , 根据实际巷道测点位置 , 在数值流行法模型中布置测点 ,得 到的收敛位移认为是巷道变形稳定后的位移 , 通过比较全部位移测点与测试数据 的标准差 ,找出标准差最小的不连续面分布参数 , 认为标准差最小的不连续面分 布为最接近工程实际的不连续面分布情况 , 根据数值流行法反演分析得出的不连 续面分布参数及煤峪口矿 412盘区 82002工作面地质条件 ,建立该工作面的二维 数值流行法模型 ,计算工作面初次来压步距并与实际工作面情况对比。 (5) 通过对 同煤集团王庄煤矿和潞安集团东周窑煤矿工作面回风巷道内利用钻孔窥视仪观 测基本顶中不连续面 ,通过统计分析 ,计算基本顶岩层中不连续面的密度 ,以理论 分析部分为基础 , 计算不连续面对