文摘

在长壁开采上覆地层的变形和破坏总是落后于采煤。上覆地层特征的横向边界采场可以分为四类,即:、软硬、摘要、努力,软软的。为了分析以上四个结构的影响,我们采用粘弹性理论的有限元法(FEM)和定义的安全系数评价岩石损伤。通过例子验证编程的准确性验证。修改viscoelastic-plastic有限元模型应用于分析四个表土结构的性能。数值计算结果显示:覆岩破裂的稳定,四个典型结构的持续时间可以分类为“软软的<软硬摘要本文介绍< <努力”。每个结构的裂缝方向和倾角变化。H-S结构倾向于断裂带的采空区,而h结构倾向于横向采场的边界。高度差的断裂带结构也倾向于横向边界,与角大于h结构,而s的断裂带结构倾向于采空区,角大于H-S结构。

1。介绍

煤炭开采面临向前推,上覆地层不断地裂缝和扩大其受损的范围。随着工作面推到距离足够的长度,它扩展了范围最大化。上覆岩层的破坏规律研究具有重要的现实意义的煤柱的安排1),确定采矿限制(2,3),和矿业的选择过程。

pressure-arch后德国学者提出的假说w .黑客和g Gilizer 1928年,研究人员提出了许多假设和理论对覆岩结构,即。“悬臂梁”、“预制裂缝”,“铰接摇滚,”“转移岩石梁,”“砌体梁”和“关键层”[4,5]。在假设的基础上,科学家对具体问题进行了深入的研究。为了获得支承压力极大,Zhang et al。6)建立了一个计算模型的隔离煤柱,也适用于评估破裂的可能性。来判断关键层可以减少旋转不稳定主要的屋顶,史等。7)建立了一个考虑的准则层旋转。Behera et al。8]调查印度主要煤田的四个长壁板,从而补充方法在长壁开采各种地质情况。基于现场监测数据,榉和徐et al。9)定义三种覆岩的结构模型。康等。10物理模型)模拟大规模屋顶倒塌。王等人。11]分析了岩石的力学属性拱在关键层及其派生的条件和演化形成。温家宝et al。(12)建立了一个屋顶结构模型对大采高采场和介绍其控制标准。Mondal et al。13)收集矿井微震的数据来计算分形维数的关系,然后分析应力分布。

停止线的工作面,采场边界可分为罢工边界和外侧边界。外侧边界两侧的采空区。不同岩性结构、上覆岩层的破坏模式是不同的。破坏法律的上覆地层侧向边界矿业布局具有指导意义。在巷道掘进和支持,我们必须考虑横向柱的稳定性。虽然自动形成条目保留技术,Manchao他(14- - - - - -18)开发了一种no-pillar提取方法。当谈到叠加连续复合模型,侬张(19,20.]推导方程关于支架阻力的巷道变形的条件。谭et al。21)提出了一个人工复合墙满足强劲的需求权重开采条件。Zhang et al。22)简化了屋顶力学模型分析条目保留。通过分析灾害从表土分离、元等。23)创建了一个物理模型,采用了数字散斑相关方法。

后,上覆岩层就会下降,填充采空区煤炭开采。然后上面的层的影响形成了液压断裂带和弯曲变形区。上覆层破坏的研究方法主要包括结构力学方法,材料力学方法,弹性力学方法。此外,研究人员还用各种数值方法来研究上覆层的破坏,如有限元法、FLAC,离散单元的代码。王等人。24)采用物理模型试验分析上覆地层的裂缝发展。Tien et al。25)提出了一个discontinuum建模方法对放顶煤开采过程的行为。放顶煤开采过程中通过分析数据和研究非伴生弹塑性应变软化材料的行为,Alehossein和布雷特26)开发了一种产量和caveability标准。Alshkane et al。27)提出了一个方法在预测岩石强度和可变形性。李等人。28)使用模拟调查裂纹演化特征,说明了各种地层结构参数标定过程。在当前使用的方法、李等。29日]探索物理方法来研究软弱岩石的破坏模式。Shabanimashcool和李30.)提出了一种新颖的数值方法研究岩石螺栓的加载过程。

有限元方法和有限差分法具有独特的特点和解决问题的功能,而他们是可行的连续介质,因此在分析岩石断裂是不够的。离散单元法可用于研究块结构,而相关分析结果等各种因素共同财产。此外,由于相对简单的力学模型,只有有限数量的问题可以得到解决。许多学者一直致力于保留或开挖巷道沿采空区,虽然表土失败的理论和背景在外侧边界并不完善。在这个范围,viscoelastic-plastic方法应用于解决在材料和岩土工程问题。发达V-P有限元法的基础上,我们的目标是讨论表土地层的裂缝形式外侧边界。

2。Viscoelastic-Plastic有限元方法

在现有的三维弹塑性有限元程序,计算粘弹性和可塑性被添加的功能。首先,方程和相应的公式导出更新程序。然后,它是随后验证了经典解的viscoelastic-plastic (V-P)机械问题。粘弹性和可塑性的迭代法是根据提出的方法欧文和辛顿(31日]。

2.1。本构方程

一维V-P模型图1。非线性连续介质问题,总应变ε可以分解为两个部分32,33),即。,elastic strainεe和粘性应变 。因此,总应变如下:


图1
在一维粘性elastic-plasticity的典范。

假设总应力率和弹性应变率服从广义胡克定律(34]: (在哪里D是弹性矩阵。介绍了屈服函数来确定是否有粘塑性的变形: 在哪里F0是单向屈服应力。基于非标准如下:

。这里假设是,粘塑性的流动只发生在 。假定粘塑性应变率的变化遵循正交流动法则,然后可以获得以下方程: 在哪里F0是收益率方程,问是塑料的潜力,γ是流动参数。根据塑性流动条件,问≡F。 是一个开关函数,它可以定义如下:

Φ的一般表达式可以书面的形式(F- - - - - -F0)/F0,也就是说, 和 在哪里米和N是常数。方程(7)在这个程序中,和N= 1。

2.2。粘性应变增量

粘性菌株 可以分解为粘弹性变形 和粘塑性的应变 。粘弹性变形(35,36表示如下: 然后

粘塑性的应变增量(37)如下: 可以通过以下方程: 在哪里γ是流动参数。向量{一个}T固体的元素如下: 在哪里 。在上面的方程中,并让 在哪里 是局部的应力分量。因此,方程(12)可以改写如下:

一个平面元素的屈服函数如下:

那么向量{一个}T如下: 在哪里 ,和 是压力组件局部坐标系的平面元素,分别。

2.3。应力增量

从增量方程(9)和(10),我们可以得到以下方程:

通过选择适当的形态功能,可以得到以下方程: (在哪里B是几何矩阵和{∆u}t位移的增量。代入方程(9),(10)和(16)方程(15), (在哪里D是弹性矩阵。粘性应变增量(38)如下:

因此,总应变如下:

2.4。平衡方程

在任何时候t以下需要满足平衡方程: 在[∆F]t= 0表示在负载变化的时间间隔∆t。通常,(∆F]t= 0是满意的措施除了第一个增量变化的时间间隔。代入方程(17)方程(20.)获得以下平衡方程: (在哪里K是弹性刚度矩阵(39],它可以表示如下:

因此,总应力和总位移t+∆t如下:

2.5。平衡修改

因为根据获得的应力增量线性化形式的增量平衡方程,总压力{σ}t+∆t通过积累上述增量应力是不准确,不准确地满足一般均衡方程。下面的方法适用于正确的平衡。首先,在残余力量t+∆t可以计算。

残余部队被添加到外力增量在下一步。这种方法不仅可以消除需要一个迭代的过程,也减少错误。

2.6。收敛性判据和时间步长

结束的时候∆t,如果粘塑性的应变率很小,它通常可以近似位移一直稳定。在程序中,等效粘塑性的应变率 (40通常是用来判断,定义如下:

因此,收敛性判据可以表示为 在哪里V一个是允许的值。求和在上面的方程是进行所有产生高斯积分点,和V一个欧文提供的是0.01。为了找到稳态位移,每个时间步的大小∆t应正确选择。有两种方法可以限制∆t。第一个经验表达式如下: 在哪里 是总应变的等效应变, 等效应变速率的粘塑性的应变率。的最小值 计算加法的高斯积分所有收益。在显式方法中,τ可以设置为任何值0.01 - -0.15的范围内获得准确的结果。

第二种方法是适用于可变步长方法,例如,

限制时间步改变任何两个间隔之间,通常,k= 1.5。在这个程序中,这两种方法,即方程(31日)和(32),被用来控制时间步。

2.7。计算步骤

解决viscoelastic-plastic问题,弹性静定问题应该计算的时间点t= 0。在这个步骤中,{你}0,{F}0,{ε}0,{σ}0得到了。然后,基于上面的推导方程,可以一步一步来解决问题。计算步骤如下。(1)假设达到平衡态的时间t和的值{你}t,{σ}t,{ε}t,{ε已经}t,{ε副总裁}t,{F}t和元素高斯点的应力状态,下列方程可以计算: 在哪里γ是一个流动参数。(2)计算位移增量和应力增量 (3)计算总位移和总压力 (4)计算粘塑性的应变率 (5)平衡修改总压力代入平衡方程得到残余力量。 然后添加到下一个增量的残余力量。(6)选择下一个时间步长 (7)验证计算收敛

的结构决定。如果得到一个满意的结果是,我们可以终止solution-seeking进程或应用下一个载荷增量;否则,程序返回到第一步,重复整个过程。编程流程图如图2。


图2
编程流程图。
2.8。数值例子

欧文和辛顿(提供的例子31日)是用于验证。这个例子是一个厚壁圆筒,100毫米外半径内半径和200毫米。四分之一的汽缸是研究(图3)。总共200毫米的轴向方向选择与两端约束。研究对象可以被视为一种平面状态与计算示例比较文学在上面。内部压力 = 1.4 MPa。弹性模量是2.1的绩点,泊松比为0.3,与单轴屈服应力σγ= 2.4 MPa。不考虑应变强化,即,H′= 0,和流动参数γ= 0.001 / d。初始时间步长为0.01 d,步长是0.01,k= 1.5。


图3
网格的数值例子。
2.8.1发布。瞬时加载( = 1.4 MPa)

图4显示了内表面的径向位移的变化 = 1.4 MPa。


图4
表面的径向位移。
2.8.2。Time-Stepped加载(加载两次)

在第一次加载, = 1.2 MPa,然后在第二加载, = 0.2 MPa。图5显示了内表面的径向位移的变化随着时间走加载。周向应力的分布如图6。


图5
表面径向位移在一个负载。

图6
稳定的周向应力下内心的负载。

上面的计算结果是在良好的协议与引用的结果。

2.9。点安全系数的定义

在有限元分析中,mc标准用来判断岩石的破坏层。完整岩层的点安全系数定义如下: 在哪里σ1和σ3分别是最大和最小主应力。断层和软弱结构面,点安全系数可以定义如下: 在哪里 是本地的坐标断层和软弱结构面。

在一个更大的安全系数,重点是远离破坏状态。Fp= 1表明,关键是限制,和Fp< 1表明岩石层已被摧毁。

3所示。模拟采场覆岩破坏法律的横向边界

3.1。一个简短的仿真模型

基于viscoelastic-plastic有限元,采场覆岩破坏规律进行了分析。采矿条件假设如下:6米的煤层开采高度和埋藏地下600米。

根据机械化放顶煤实践,液压破裂带的高度大约是10倍煤层的厚度。对煤层的厚度6 m,水力裂缝的高度范围是60 - 70 m。第一个权重的步长是30 - 40米,10 - 15米和周期性的压力。因此,如图7,一个概要文件的横向方向采场进行了分析。地板的厚度在有限元模型是20米;屋顶是100米高,60 m两侧。正反面的距离为50米。顶部边界加载重力压力和其他边界限制。


图7
建模方案。

上覆岩层由8层,每一层的厚度是4米。为了反映不同岩石梁之间的运动,层间的接口模拟联合为0.1 m。破坏发生后,岩石的强度相应减少。在分析过程中,影响区和液压骨折区处于中断状态可以通过降低岩石的力学参数。

在倾角分析,被认为是零。采用平面应变模型使用8-node等参的元素。如表所示1岩石,从机械和蠕变测试获得的参数。

表1
每一层的参数。
3.2。上覆岩层结构的破坏法律
3.2.1之上。四种表土结构

根据实际的岩石特征、采场的覆结构在横向边界可以由以下四个岩性描述:

(1)软硬结构。一层坚硬的岩石坐落在4米的煤层,然后一个相对软层位于向上。提取后的变形和破坏时间持续40天。

(2)摘要本文结构。一层软岩座落在4米的煤层,然后一层坚硬的岩石坐落在软层。岩体的破坏可以持续45天。与第一种结构相比,变形持续时间延长,与大多数表土地层硬岩层。

(3)软软的结构。当覆岩组成的软岩层、岩体的破坏持续37天。与前两个州相比,其持续时间缩短,与上覆岩层被一层软岩。

(4)努力结构。覆岩组成的硬岩层时,变形持续46天。与前三个州相比,失败的持续时间延长,与上覆岩层硬岩层。

3.2.2。点安全系数

图8显示了覆岩中轮廓的点安全系数。

(一)
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图8
点不同的上覆岩层结构的安全系数。(一)软硬。摘要本文介绍(b)。(c)软软的。(d)努力。

(1)软硬结构。点安全系数煤层采场附近横向小于或等于1.0,表明煤炭的身体已经处于收益状态。坚硬的岩石的断裂层的上部煤提取层位于约15米的横向边界。它可以发现前面的25米内煤的身体外侧边界已经被摧毁了,这是由于煤炭的身体由上覆岩层压梁。从图8,我们得出这样的结论:煤的身体靠近地面层有一个大的伤害范围。此外,随着裂缝的位置向上离煤层定位,裂缝逐渐向采空区斜坡。很明显,这种变化在断裂的位置与上覆岩层结构的特点。

(2)摘要本文结构。有一个乐队的表土点安全等于和小于1.0,这表明岩体在该地区已经损坏。很明显,断裂带向上偏转,发展煤前的身体。这种现象是完全相反的状态1故障发展的法则。此外,煤炭的点安全系数的身体前面的横向边界小于1.0,这表明一个受损的状态。

(3)软软的结构。在乐队的采场覆岩在前面的横向边界,安全是0.9点。此外,1.0可以观察到进一步的等值线附近。这一结果表明,上覆岩层岩石层断裂沿着这区域。与状态1相比,覆岩的层由H-S岩层,断裂的位置有一个增加倾角向采空区。显然,这是与采场覆岩岩性有关。此外,在采场侧向边界的面前,点安全系数小于1.0,这表明煤炭身体的损害状态。

(4)努力结构。岩体的点安全系数小于1.0的横向边界。因此这个区域可以被视为损坏。与状态2,上覆岩层由h岩层,断裂的位置有一个大倾角向横向边界的前面。此外,安全系数小于1.0,观察到的一些地区煤炭的身体,表明煤体内的这一部分被摧毁。

3.2.3。最大原则应力

图9是最大主应力高于横向的轮廓边界。

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图9
最大主应力(kPa)。(一)软硬。摘要本文介绍(b)。(c)软软的。(d)努力。

(1)软硬结构。轮廓的最大主应力、拉应力为正,负值表示压应力。拉应力出现在上面的岩层中采空区,它扩展了整个上部岩体。的最大拉应力值是32.7 kPa。所以,围岩在这种情况下很容易毁坏。随着岩石的断裂位置梁,压应力值在−42.0∼−27.0 kPa。

(2)摘要本文结构。与例1相同,拉应力出现在采空区上方的岩层,在最大值5.5 kPa。最大主应力增加采空区侧向边界的前面。与此同时,压应力达到最大值,即。−40.2 kPa,覆岩的断层带附近。

(3)软软的结构。最大值是−4.1 kPa,接近拉应力。最大主应力在覆岩断裂的位置层−52.3 kPa。此外,煤体内的横向边界,−4.1 kPa,最大主应力和压应力很小,接近拉应力。

(4)努力结构。拉应力出现在表土地层侧向边界,最大值为5.4 kPa。在岩石的断裂位置梁,压应力最大主应力是−59.1 kPa的价值。此外,在横向边界的前面,拉应力出现在一个位置靠近煤地板最大值为53.8 kPa。这个值的出现可能与边界条件;然而,从应力分布的角度来看,拉应力是煤体内观察到在这个位置。

3.2.4。最小主应力

图10显示最小主应力的分布。

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(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图10
最小主应力(kPa)。(一)软硬。摘要本文介绍(b)。(c)软软的。(d)努力。

(1)软硬结构。拉应力出现在左侧上部岩体的边界,导致岩体的损伤。在一些地区在采空区上方,最大和最小压力都是拉伸应力。在岩石的裂缝区域梁,最小主应力在−202.9∼−167.7 kPa。

(2)摘要本文结构。最小主应力不断增加从侧面边界断裂岩石梁的位置,达到−134.2 kPa的最大值。

(3)软软的结构。最小主应力的最大值,−230 kPa,观察到骨折的位置。

(4)努力结构。最小主应力的最大值是覆岩断裂的位置观察到层,这是−228.2 kPa。最小主应力逐渐降低工作面覆岩断裂位置的两边。最小主应力对采场的横向边界下降更快。

分析结果基本上符合一般情况下(41- - - - - -45),这意味着V-P有限元法检测失效模式是很有用的。这项研究提供了一种方便、经济的方法确定表土地层的横向边界的安全。

4所示。结论

在这个研究中,visco-elastoplastic模型分析的基础上,建立了岩层运动之前的研究。考虑四种覆岩结构形式,我们采用开发方法研究横向边界的采场岩石破裂模式。此外,我们定义的安全判断岩石层受损。

根据采场上覆岩层的特点,提到了采场覆岩结构模型代表不同的组合层。数值计算表明,煤壁的断裂模式的岩石梁在不同组合不同。(1)覆岩结构组成的软硬层,前面的硬摇滚梁第一个突破采场侧向边界,而断裂位置上软岩梁逐渐走向采空区。的断裂带向采空区上覆岩层斜坡。采空区上方的最大主应力是拉应力。(2)摘要组成的覆岩结构层,软岩层首先打破前外侧边界,然后断裂的位置在横向上坚硬的岩石逐渐发展面前的岩体横向边界,形成了一个断裂带。(3)努力的岩层,断裂带发育的位置对采场的前面的横向边界,但其倾角大于第二状态。(4)对软软的岩层,断裂带对采空区覆层的开发,但倾角大于第一状态。(5)时间发生的骨折稳定上覆岩层结构的不同而变化,可以根据排名的时间如下:s < H-S < h <高度差。

在实践中,骨折的位置在覆岩可以相差很大,由于岩体的复杂性。上述结果为特定的上覆岩层结构的定性结论,也是四个最典型的场景。因此,计算结论的代表。

数据可用性

所有数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了重点实验室的深度和灾难预防和控制煤矿开挖响应,安徽省科技(安徽大学),淮南,中国,232001年,(KLDCMERDPC16101和01 ck05002)、刘Jinxiao ((电子邮件保护))。