不連續(xù)面對(duì)頂板破斷影響機(jī)理研究

不連續(xù)面對(duì)頂板破斷影響機(jī)理研究工程巖體的失穩(wěn)破壞通常是由于施工引起應(yīng)力重分布而使巖體變形在某些不連續(xù)面或其中的薄弱部位逐漸地增長(zhǎng)發(fā)展,巖體中的不連續(xù)面不斷地蠕變、演化,進(jìn)而產(chǎn)生宏觀斷裂并產(chǎn)生新的貫通滑移面所引起的。論文以實(shí)驗(yàn)室相似材料模擬、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為基礎(chǔ),采用損傷力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)等固體力學(xué)理論,運(yùn)用數(shù)值流行法,較全面的研究了不連續(xù)面對(duì)頂板破斷的影響機(jī)理,主要包括不連續(xù)面密度對(duì)基本頂上載荷和基本頂極限跨距的影響機(jī)理;不連續(xù)面及其傾角、工作面推進(jìn)方向與不連續(xù)面傾向關(guān)系對(duì)頂板初次垮落步距、周期來(lái)壓步距、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、巖層垮落角等的綜合影響。推導(dǎo)出了在不連續(xù)面影響下,基本頂上載荷及基本頂極限跨距的計(jì)算公式,建立了含有不連續(xù)面的室內(nèi)相似模型,利用數(shù)值流行法對(duì)巷道圍巖內(nèi)不連續(xù)面分布進(jìn)行反演并將反演結(jié)果應(yīng)用于預(yù)測(cè)基本頂初次垮落,為進(jìn)一步研究頂板破斷機(jī)理提供了理論依據(jù),為礦山壓力基礎(chǔ)理論做了新的探索。通過(guò)對(duì)王莊煤礦和東周窯煤礦巷道頂板進(jìn)行鉆孔窺視觀測(cè)及礦壓監(jiān)測(cè),將論文的理論研究成果進(jìn)行了應(yīng)用,預(yù)測(cè)了基本頂初次破斷的位置,取得了較好的效果。主要取得了以下結(jié)論:(1)以損傷力學(xué)為基礎(chǔ),分別分析了在二維單元體和三維單元體中不連續(xù)面密度對(duì)巖體彈性模量和泊松比的影響,在二維單元體中,當(dāng)泊松比為0.3時(shí),巖體有效彈性模量和巖石彈性模量比值、巖體有效泊松比和巖石泊松比比值都隨不連續(xù)面密度的增加而減小,當(dāng)不連續(xù)面密度從0增加至0.5時(shí),巖體有效彈性模量和巖石彈性模量比值、巖體有效泊松比和巖石泊松比比值從1減小至0.411;在三維單元體中,當(dāng)泊松比為0.3時(shí),巖體有效彈性模量和巖石彈性模量比值、巖體有效泊松比都隨不連續(xù)面密度的增加而減小,當(dāng)不連續(xù)面密度從0增加至0.5時(shí),巖體有效彈性模量和巖石彈性模量比值從1減小至0.536,巖體有效泊松比從0.3減小至0.176?；诓贿B續(xù)密度與巖體有效彈性模量和有效泊松比的關(guān)系,并結(jié)合基本頂梁式破斷和薄板式破斷兩種力學(xué)模型,推導(dǎo)出基本頂上載荷在不同不連續(xù)面密度下的理論解,推導(dǎo)出基本頂梁式破斷和薄板式破斷極限跨距在不同不連續(xù)面密度下的理論解。(2)通過(guò)舉例,計(jì)算了不連續(xù)面密度對(duì)基本頂上載荷計(jì)算以及基本頂極限跨距計(jì)算的影響,并對(duì)兩者進(jìn)行敏感性分析,分析結(jié)果得出,作用在基本頂上的載荷隨著不連續(xù)面密度的增加而逐漸減小,基本頂?shù)臉O限跨距隨著不連續(xù)面密度的增加而逐漸減小,更進(jìn)一步的分析得出,不連續(xù)面對(duì)基本頂極限跨距的影響隨著工作面長(zhǎng)度的減小而增加,即不連續(xù)面對(duì)短壁工作面基本頂極限跨距的減小作用較大,對(duì)長(zhǎng)壁工作面基本頂極限跨距的減小作用較小。(3)以同煤集團(tuán)煤峪口煤礦412盤(pán)區(qū)82002工作面為工程背景,構(gòu)建室內(nèi)相似材料實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?預(yù)先在相似試驗(yàn)臺(tái)兩側(cè)繪制不連續(xù)面分布跡線,在構(gòu)建相似模型時(shí),根據(jù)預(yù)先繪制的不連續(xù)面跡線的角度和長(zhǎng)度,利用鋼尺切割未夯實(shí)的相似材料,將云母粉均勻地撒入切割形成的空間內(nèi),以模仿巖層中的不連續(xù)面。共進(jìn)行5個(gè)相似實(shí)驗(yàn),以進(jìn)行不連續(xù)面傾角及工作面推進(jìn)方向與不連續(xù)面傾向關(guān)系的對(duì)頂板破斷影響的對(duì)比分析,分別為完整巖體相似模型實(shí)驗(yàn)、不連續(xù)面傾角為30°工作面推進(jìn)方向與不連續(xù)面傾向相反相似模型實(shí)驗(yàn)、不連續(xù)面傾角為30°工作面推進(jìn)方向與不連續(xù)面傾向相同相似模型實(shí)驗(yàn)、不連續(xù)面傾角為60°工作面推進(jìn)方向與不連續(xù)面傾向相反相似模型實(shí)驗(yàn)和不連續(xù)面傾角為60°工作面推進(jìn)方向與不連續(xù)面傾角相同相似模型實(shí)驗(yàn)。通過(guò)比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析不連續(xù)面傾角、工作面推進(jìn)方向與不連續(xù)面傾向關(guān)系對(duì)初次垮落步距、周期來(lái)壓步距、導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度、巖層垮落角等的綜合影響,分析得出:1)基本頂中不連續(xù)面能夠引起工作面的初次來(lái)壓步距減小,且不連續(xù)面的傾角越大,發(fā)生初次垮落時(shí)覆巖的垮落高度越大。不連續(xù)面能夠造成周期來(lái)壓步距減小,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)展范圍增大,隨不連續(xù)面傾角的增大,易發(fā)生頂板的整體切落現(xiàn)象。2)在初次來(lái)壓時(shí),基本頂中不連續(xù)面傾角較小時(shí),與不連續(xù)面傾向相反的工作面推進(jìn)方向引起頂板垮落高度增大,基本頂中不連續(xù)面傾角較大時(shí),在初次來(lái)壓,與不連續(xù)面傾向相反的工作面推進(jìn)方向引起初次來(lái)壓步距減小。3)在周期來(lái)壓時(shí),基本頂中不連續(xù)面傾角較小時(shí),工作面推進(jìn)方向?qū)χ芷趤?lái)壓步距無(wú)明顯影響,基本頂中不連續(xù)面傾角較大時(shí),與不連續(xù)面傾向相反的工作面推進(jìn)方向引起周期來(lái)壓步距減小。4)推進(jìn)相同距離時(shí),與不連續(xù)面傾向相反的工作面推進(jìn)方向引起導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度增加,且不連續(xù)面傾角越大,導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度越大。5)在工作面推進(jìn)過(guò)程中,基本頂中不連續(xù)面傾角較小和較大時(shí),與不連續(xù)面傾向相反的工作面推進(jìn)方向都能引起巖層垮落角增大,即推進(jìn)方向與不連續(xù)面傾向相反時(shí),更易造成頂板整體切落。(4)利用數(shù)值流行法,對(duì)巷道圍巖不連續(xù)面分布進(jìn)行反演分析并應(yīng)用。首先,通過(guò)原始代碼、等效邊界載荷和原始代碼與等效邊界載荷共同作用三種方法加載地應(yīng)力,并比較不同施加地應(yīng)力方法的收斂速度,最終提出最優(yōu)的數(shù)值流行法中施加地應(yīng)力的方法。為在數(shù)值流行法中產(chǎn)生隨機(jī)不連續(xù)面,基于數(shù)值流行法原代碼(nmm)的mc塊和非連續(xù)變形分析法(dda)的dl塊,開(kāi)發(fā)了數(shù)值流行法中隨機(jī)不連續(xù)面的接口代碼,在數(shù)值流行法建模時(shí),可根據(jù)不連續(xù)面的傾角、傾向、巖橋、間距、跡長(zhǎng)等參數(shù)產(chǎn)生隨機(jī)不連續(xù)面,并應(yīng)用于數(shù)值流行法計(jì)算中。利用數(shù)值流行法可以計(jì)算非貫通不連續(xù)面對(duì)巖體變形的影響的特點(diǎn),以同煤集團(tuán)的煤峪口煤礦的運(yùn)輸大巷掘進(jìn)期的巷道變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用數(shù)值流行法進(jìn)行反演分析,利用數(shù)值流行法建模,結(jié)合所總結(jié)的地應(yīng)力施加方法,及開(kāi)發(fā)的隨機(jī)不連續(xù)面接口代碼,分別改變不連續(xù)面的間距及跡長(zhǎng),產(chǎn)生144組不同不連續(xù)面分布的巖體模型,根據(jù)實(shí)際巷道測(cè)點(diǎn)位置,在數(shù)值流行法模型中布置測(cè)點(diǎn),得到的收斂位移認(rèn)為是巷道變形穩(wěn)定后的位移,通過(guò)比較全部位移測(cè)點(diǎn)與測(cè)試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差,找出標(biāo)準(zhǔn)差最小的不連續(xù)面分布參數(shù),認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)差最小的不連續(xù)面分布為最接近工程實(shí)際的不連續(xù)面分布情況,根據(jù)數(shù)值流行法反演分析得出的不連續(xù)面分布參數(shù)及煤峪口礦412盤(pán)區(qū)82002工作面地質(zhì)條件,建立該工作面的二維數(shù)值流行法模型,計(jì)算工作面初次來(lái)壓步距并與實(shí)際工作面情況對(duì)比。(5)通過(guò)對(duì)同煤集團(tuán)王莊煤礦和潞安集團(tuán)東周窯煤礦工作面回風(fēng)巷道內(nèi)利用鉆孔窺視儀觀測(cè)基本頂中不連續(xù)面,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)算基本頂巖層中不連續(xù)面的密度,以理論分析部分為基礎(chǔ),計(jì)算不連