不连续面对顶板破断影响机理研究

发布时间：2017-10-05 09:04

  本文关键词：不连续面对顶板破断影响机理研究

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【摘要】：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。(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,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。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,计算不连续面对基本顶岩层的岩体力学性质影响,计算王庄煤矿8101工作面初次垮落步距,计算结果比不考虑不连续面时更接近工作面实测数据,但仍然存在一定误差;计算东周窑煤矿8301工作面初次垮落步距,计算结果比不考虑不连续面更加接近工作面矿压监测及现场观测得出的实测值,且误差在较小范围内。
【关键词】：不连续面 基本顶极限跨距 数值流行法 顶板破断预测
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD327.2
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 1 引言14-26
• 1.1 研究的背景及意义14-15
• 1.2 国内外研究现状及理论综述15-23
• 1.2.1 古典矿山压力假说15-17
• 1.2.2 我国主要矿山压力假说17-20
• 1.2.3 其他采场矿压理论发展20-23
• 1.3 目前研究主要存在问题23
• 1.4 本文研究的内容、方法及技术路线23-26
• 1.4.1 研究内容23-24
• 1.4.2 研究方法24-25
• 1.4.3 技术路线25-26
• 2 不连续面影响下基本顶破断机理研究26-50
• 2.1 不连续面的概念和分类26-29
• 2.1.1 按地质成因分类26
• 2.1.2 按结构面的破坏属性分类26
• 2.1.3 按结构面的分布规模分类26-29
• 2.2 二维不连续面对岩体性质影响29-31
• 2.3 三维不连续面对岩体性质影响31-33
• 2.4 不连续面密度对基本顶破断的影响33-44
• 2.4.1 不连续面密度对基本顶上载荷的影响33-36
• 2.4.2 不连续面对梁式破断极限跨距的影响36-39
• 2.4.3 不连续面对板式破断极限跨距的影响39-44
• 2.5 实例分析44-48
• 2.5.1 基本顶上载荷计算及敏感性分析44-46
• 2.5.2 基本顶极限跨距计算及敏感性分析46-48
• 2.6 本章小结48-50
• 3 不连续面倾角及推进方向对顶板破断的影响机理研究50-88
• 3.1 实验原理50-51
• 3.2 实验设备51-52
• 3.3 实验材料制备及不连续面预制52-57
• 3.4 上覆岩层的位移观57-60
• 3.5 上覆岩层的应力观测60-62
• 3.6 相似实验结果分析62-83
• 3.6.1 完整岩体模型实验结果分析62-65
• 3.6.2 不连续面与煤层夹角成 30°模型覆岩位移与应力分析65-74
• 3.6.3 不连续面与煤层夹角成 60°模型覆岩位移与应力分析74-83
• 3.7 相似实验结果对比分析83-86
• 3.7.1 不连续面倾角对顶板破断的影响83-84
• 3.7.2 推进方向对顶板破断的影响84-86
• 3.8 本章小结86-88
• 4 基于数值流行法的不连续面分布反演法及其应用88-114
• 4.1 数值流行法基本原理88-100
• 4.1.1 基于有限元网格的流行法的覆盖系统89-93
• 4.1.2 数值流行法的平衡方程93-95
• 4.1.3 数值流行法的积分法95-97
• 4.1.4 数值流行法的接触理论97-100
• 4.2 数值流行法中地应力施加方法研究100-102
• 4.2.1 NMM中地应力施加方法比较100-101
• 4.2.2 地应力施加方法验证101-102
• 4.3 NMM中随机不连续面产生102-103
• 4.4 根据巷道变形监测数据的反演法及其应用103-112
• 4.4.1 NMM建模说明103-104
• 4.4.2 巷道变形的位移NMM反演104-110
• 4.4.3 基于反演所得不连续面分布的基本顶破断位置模拟110-112
• 4.5 本章小结112-114
• 5 现场工程实践114-128
• 5.1 王庄煤矿不连续面观测及顶板破断预测114-119
• 5.1.1 矿井概况114-115
• 5.1.2 不连续面观测115-118
• 5.1.3 顶板破断预测及应用118-119
• 5.2 东周窑煤矿不连续面观测及顶板破断预测119-127
• 5.2.1 矿井概况119-120
• 5.2.2 工作面矿压观测120-122
• 5.2.3 不连续面观测122-126
• 5.2.4 顶板破断预测及应用126-127
• 5.3 本章小结127-128
• 6 结论与展望128-132
• 6.1 研究取得的主要结论128-130
• 6.2 论文创新点130
• 6.3 展望130-132
• 参考文献132-140
• 致谢140-142
• 作者简介142
• 在学期间发表的学术论文142
• 在学期间参加的项目142-143
• 主要获奖143

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