不連續(xù)面對頂板破斷影響機理研究

不連續(xù)面對頂板破斷影響機理研究工程巖體的失穩(wěn)破壞通常是由于施工引起應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發(fā)展,巖體中的不連續(xù)面不斷地蠕變、演化,進而產(chǎn)生宏觀斷裂并產(chǎn)生新的貫通滑移面所引起的。論文以實驗室相似材料模擬、現(xiàn)場觀測為基礎,采用損傷力學、材料力學、彈性力學等固體力學理論,運用數(shù)值流行法,較全面的研究了不連續(xù)面對頂板破斷的影響機理,主要包括不連續(xù)面密度對基本頂上載荷和基本頂極限跨距的影響機理;不連續(xù)面及其傾角、工作面推進方向與不連續(xù)面傾向關(guān)系對頂板初次垮落步距、周期來壓步距、導水裂隙帶發(fā)育高度、巖層垮落角等的綜合影響。推導出了在不連續(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)值流行法對巷道圍巖內(nèi)不連續(xù)面分布進行反演并將反演結(jié)果應用于預測基本頂初次垮落,為進一步研究頂板破斷機理提供了理論依據(jù),為礦山壓力基礎理論做了新的探索。通過對王莊煤礦和東周窯煤礦巷道頂板進行鉆孔窺視觀測及礦壓監(jiān)測,將論文的理論研究成果進行了應用,預測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)以損傷力學為基礎,分別分析了在二維單元體和三維單元體中不連續(xù)面密度對巖體彈性模量和泊松比的影響,在二維單元體中,當泊松比為0.3時,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,當不連續(xù)面密度從0增加至0.5時,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,當泊松比為0.3時,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,當不連續(xù)面密度從0增加至0.5時,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模型,推導出基本頂上載荷在不同不連續(xù)面密度下的理論解,推導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)通過舉例,計算了不連續(xù)面密度對基本頂上載荷計算以及基本頂極限跨距計算的影響,并對兩者進行敏感性分析,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,更進一步的分析得出,不連續(xù)面對基本頂極限跨距的影響隨著工作面長度的減小而增加,即不連續(xù)面對短壁工作面基本頂極限跨距的減小作用較大,對長壁工作面基本頂極限跨距的減小作用較小。(3)以同煤集團煤峪口煤礦412盤區(qū)82002工作面為工程背景,構(gòu)建室內(nèi)相似材料實驗模型,預先在相似試驗臺兩側(cè)繪制不連續(xù)面分布跡線,在構(gòu)建相似模型時,根據(jù)預先繪制的不連續(xù)面跡線的角度和長度,利用鋼尺切割未夯實的相似材料,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。共進行5個相似實驗,以進行不連續(xù)面傾角及工作面推進方向與不連續(xù)面傾向關(guān)系的對頂板破斷影響的對比分析,分別為完整巖體相似模型實驗、不連續(xù)面傾角為30°工作面推進方向與不連續(xù)面傾向相反相似模型實驗、不連續(xù)面傾角為30°工作面推進方向與不連續(xù)面傾向相同相似模型實驗、不連續(xù)面傾角為60°工作面推進方向與不連續(xù)面傾向相反相似模型實驗和不連續(xù)面傾角為60°工作面推進方向與不連續(xù)面傾角相同相似模型實驗。通過比較實驗結(jié)果分析不連續(xù)面傾角、工作面推進方向與不連續(xù)面傾向關(guān)系對初次垮落步距、周期來壓步距、導水裂隙帶發(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壓步距減小,且不連續(xù)面的傾角越大,發(fā)生初次垮落時覆巖的垮落高度越大。不連續(xù)面能夠造成周期來壓步距減小,導水裂隙帶發(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)在初次來壓時,基本頂中不連續(xù)面傾角較小時,與不連續(xù)面傾向相反的工作面推進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,在初次來壓,與不連續(xù)面傾向相反的工作面推進方向引起初次來壓步距減小。3)在周期來壓時,基本頂中不連續(xù)面傾角較小時,工作面推進方向?qū)χ芷趤韷翰骄酂o明顯影響,基本頂中不連續(xù)面傾角較大時,與不連續(xù)面傾向相反的工作面推進方向引起周期來壓步距減小。4)推進相同距離時,與不連續(xù)面傾向相反的工作面推進方向引起導水裂隙帶的發(fā)育高度增加,且不連續(xù)面傾角越大,導水裂隙帶發(fā)育高度越大。5)在工作面推進過程中,基本頂中不連續(xù)面傾角較小和較大時,與不連續(xù)面傾向相反的工作面推進方向都能引起巖層垮落角增大,即推進方向與不連續(xù)面傾向相反時,更易造成頂板整體切落。(4)利用數(shù)值流行法,對巷道圍巖不連續(xù)面分布進行反演分析并應用。首先,通過原始代碼、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力,并比較不同施加地應力方法的收斂速度,最終提出最優(yōu)的數(shù)值流行法中施加地應力的方法。為在數(shù)值流行法中產(chǎn)生隨機不連續(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,開發(fā)了數(shù)值流行法中隨機不連續(xù)面的接口代碼,在數(shù)值流行法建模時,可根據(jù)不連續(xù)面的傾角、傾向、巖橋、間距、跡長等參數(shù)產(chǎn)生隨機不連續(xù)面,并應用于數(shù)值流行法計算中。利用數(shù)值流行法可以計算非貫通不連續(xù)面對巖體變形的影響的特點,以同煤集團的煤峪口煤礦的運輸大巷掘進期的巷道變形實測數(shù)據(jù)為基礎,利用數(shù)值流行法進行反演分析,利用數(shù)值流行法建模,結(jié)合所總結(jié)的地應力施加方法,及開發(fā)的隨機不連續(xù)面接口代碼,分別改變不連續(xù)面的間距及跡長,產(chǎn)生144組不同不連續(xù)面分布的巖體模型,根據(jù)實際巷道測點位置,在數(shù)值流行法模型中布置測點,得到的收斂位移認為是巷道變形穩(wěn)定后的位移,通過比較全部位移測點與測試數(shù)據(jù)的標準差,找出標準差最小的不連續(xù)面分布參數(shù),認為標準差最小的不連續(xù)面分布為最接近工程實際的不連續(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,計算工作面初次來壓步距并與實際工作面情況對比。(5)通過對同煤集團王莊煤礦和潞安集團東周窯煤礦工作面回風巷道內(nèi)利用鉆孔窺視儀觀測基本頂中不連續(xù)面,通過統(tǒng)計分析,計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,計算不連