文摘
采煤工艺开采的工作面大切割高度通常是由肋骨剥落破坏工作面灾难。预防措施根据原状煤层条件未能提供安全预测,随着大规模骨折在软煤的脸上经常出现在开挖之前由于采动压力。探讨一个案例研究的削皮器煤矿11224工作面在淮南矿区,中国特色是在保护煤层开采上覆层保护。模拟故障过程这样一个我,我们阐述了一个简化的物理模型的煤壁进行了剪切破坏和滑动不稳定,符合三角棱镜单元标准。相似模拟试验、理论计算和钻孔监测用于全面分析煤层开采后上覆岩层断裂和运动降低防护层。开发三个表土区高度确定,和保护的特征层受到采矿。结果表明,故障主要是屋顶荷载有关,煤炭内聚力、内摩擦角、煤层倾角、侧壁保护力。的关键限制滑体的摩擦滑动是减少屋顶荷载,增加滑动系数和凝聚力的主要控制薄弱面(华盛顿)。此外,自主研发的三维数值计算软件RFPA3D(现实的断裂过程3 d分析),考虑岩石非均质性,被用来繁殖弱三角柱的渐进破坏过程。数值模拟结果同意断裂模式预测的理论模型,准确地描述了肋剥落机制在软煤面对大型切割高度和保护层。
1。介绍
煤炭工业的可持续发展是很局部,特别是在中国,煤炭仍然是主要的能源资源(1- - - - - -3]。这个问题全面解决方案需要的账户等次要的高效采矿技术的发展(4- - - - - -6),保护生态环境和地下水7- - - - - -9),使用干净的甲烷(10,11造成的灾害,预防和控制煤炭生产(12,13]。煤炭的主要来源在中国连续煤层厚,约占总数的45%煤炭资源储备和生产(14]。长壁采煤采矿和放顶煤开采过程方法主要用于最有效的开采厚煤层(15,16]。当煤层的厚度超过3.5米,与放顶煤开采过程通常是采用长壁开采,但回收率低的问题和复杂的技术没有充分解决17- - - - - -19]。采矿设备的改进和管理水平的工作面近年来,采场的切割高度逐渐增加。对煤层的厚度3.5 - -7.5 m,煤炭切割的高度可以有效地克服上述问题。然而,增加切割高度可以产生强大的地面压力等问题,肋骨裂开,屋顶失败,支持倾销,和滑动采场(中难以完全避免的20.,21]。特别是,肋骨剥落是最常见的灾难当工作面煤层厚,然而变得柔软,这是一个严重的安全侵犯。同时,采矿设备的启动速度显著下降,创造一个低效率的系统与大型切割高度完全机械化开采。肋骨剥落造成的不稳定围岩支护采场的已经成为一个瓶颈限制技术的可持续发展。这是一个紧急的问题需要解决的安全、高效开采的柔软,厚煤层。
煤壁骨折和滑倒在采矿导致肋骨剥落的工作面,但后者的机制还不是很清楚。几个物理模型基于断裂特征和肋骨裂开的位置在厚煤层大切割高度发达(22- - - - - -24]。几个参数对煤壁的稳定,进一步预防和控制措施也被提出(25]。野外观察表明,软煤层容易灭弧或线性肋剥落的上部煤壁或工作面整体剪切滑移。直接塌顶通常是这三种形式(数据同步1(一)- - - - - -1 (c))。硬煤层的不稳定是突然而脆弱。根据发生地点,肋骨碎片形成沟槽或水平整体拉伸整个壁骨折(图1 (d)- - - - - -1 (f))。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
提出了一些理论模型来描述这些形式的肋在煤壁剥落。Zhang et al。26)提出了分层板结构模型使用骨折损伤和弹塑性理论。阴et al。27和宁28)提高了煤壁偏转特性的使用提出了压力棒结构模型。元等。25)建立了楔形滑动体的力学模型分析了煤壁和重要影响因素一个楔形的身体的稳定。郝et al。29日)应用边坡工程的随机分析方法建立煤面滑移的力学模型部分大型矿业高度。王(30.)提出了一种剪切破坏模式软,厚煤层,发现广泛的实践和理论的应用。傅et al。31日)使用卸荷岩体力学理论和断裂力学理论建立的煤壁开挖卸荷效应模型。他们提出了一个新的不稳定判据楔形结构。杨et al。32]研究煤层裂缝中形成矿业的发展,分析了煤壁不稳定的机械过程利用滑移线理论。独特的地质背景的基础上煤矿、王等。33)提出了一种煤炭围岩梁模型来分析矿业在陡峭缝厚度稳定性的影响。吴et al。34)使用shear-slip失效准则建立的空间应力模型在工作面煤壁块元素。彭日成et al。35]阐述了拉伸cracking-sliding模型,这意味着它是防止煤壁拉伸开裂问题只有通过液压支架护板的力量。不过,后者会抑制受损的身体滑。刘等人。36)监测了大采高煤壁损伤过程使用智能控制系统,发现非常有效。Chang et al。37)利用莫尔-库仑准则推导出煤壁水平位移的解析表达式,断裂带,塑性区半径。他们还报道,支承压力集中系数,降低高度,和支架阻力的支持是关键因素控制肋剥落。歌等。38]利用里兹方法基于位移变分原理,分析煤壁破坏机理和使用一个三维相似模拟平台研究的协调变形规律“roof-support-coal墙”系统。
上述研究结果大大提高了煤壁裂缝和滑移的理解。然而,大多数研究人员减少了煤壁不稳定问题,平面应变问题的力学模型建立肋骨剥落。这种方法不适合某些情况下具有复杂三维故障特征。此外,获得失败力学模型大多是基于煤层开采在其原始状态。肋骨剥落在已经被开采的煤层压力和大型矿业骨折前提取很少研究。为瓦斯突出煤层渗透率较低,区域的保护层开采是最有效的方法消除气体爆发危害保护煤层(11]。的一个特定的范围内煤层顶部和底部层保护层的减压开采裂缝通过采矿工作。这允许保护煤层的渗透性增加和脱气注入煤层甲烷的提前(10]。然而,这种损害正常采矿发生之前煤岩体的完整性。还需要进一步的研究来确定失败、滑和肋骨剥落large-height切削面的煤层保护。这将允许采用工程措施预防和控制肋剥落,提高完全机械化开采面临的效率。
在这项研究中,一个简化的物理模型建立了一个远程下保护层开采的范围来确定影响保护层开采和煤壁不稳定。这个模型包括表土压裂和运动仿真的基础上,理论分析和实地测量,提高模型精度。三个垂直的范围区域(屈服带、断裂带和bending-and-sinking区)的影响在保护性开采决心模型的范围在不同条件下保护性开采的影响。自主研发的RFPA3D软件被用来模拟数值计算large-height矿业软煤面负荷不稳定来验证提出的物理模型。研究结果可以指导预防和控制措施的发展,以及确保安全、高效开采的综采工作面large-height,软煤壁。
2。项目概述
案例研究我的削皮器煤矿,位于淮南矿区,中国,一个重要的煤炭和电力生产基地在中国东部。有两个煤层矿区地层组,A和B,倾向(倾角)从15到30°。A组煤地层位于下部的B组煤地层厚度的75 - 90米。接缝# 1和# 3主要从A组煤开采,煤层# 4,# 5,# 6主要从B组煤开采。测试工作面对这项研究是第一个工作面煤层# 4,也称为11224工作面。11224工作面埋深约700米,平均厚度为3.5米。长壁综采开采大切割高度是目前用于提取工作面。风险高的煤与瓦斯突出煤层# 4,因为它有一个12.5米的气体含量3/ t和气体压力为2.9 MPa。# 5和# 6煤层的复苏已经完成。# 5煤采空区距# 4煤层约25米。数值分析和现场观测结果表明,采矿# 6和# 5 # 4煤层煤层没有影响。研究结果已发表(39]。
约80 # 4煤层底板的# 3煤和煤层中气体压力和内容相对较低。较低的保护层也实现在矿业消除# 4煤层突出危险。# 3的11223工作面煤炭开采,执行和布拉格提取后,# 4煤卸压。两个工作面临的位置如图2。
地层学和煤岩体力学参数# 3和4煤层通过字段取心和实验室机械测试,如图3。
在降低保护层的开采过程中,布拉格提取的11224工作面煤层保护是极其成功的。瓦斯突出煤层的压力和内容都显著降低。在正常11224工作面开采,采场围岩完整性较差,和肋骨剥落经常发生在不同程度。同时,立即塌顶工作面严重限制了采场的安全、高效开采。野外观察发现肋骨碎矿11224工作面复杂空间破裂模式。肋骨碎片如图痕迹4。
从图可以看出4,肋骨剥落发生在煤壁的上部,区域①图1,剥落了煤炭的身体是一个不规则三角棱镜。这个三角形的顶面棱镜是煤层顶面,和侧表面几乎是平行于煤层正常。同时,宏观裂纹穿透煤层被观察到的痕迹。后肋剥落发生在区域①,②和③地区煤炭的身体支离破碎,滑倒了。剥落了煤炭也是一个不规则三角棱镜,但其形状和体积是明显不同的。通常,肋骨剥落形状相对统一在同一工作面(图1)。煤壁不稳定与一个复杂的空间破裂的形状,如11224工作面,不能简化为平面应变问题,建立力学模型。
3所示。采矿对保护煤层的影响
布拉格提取层保护成功,表明较低的保护层的开发改变了应力环境和断裂分布特征的初始状态11224工作面。因此,有必要研究11223工作面开采的扰动效应在# 4煤层。主要分析区分三个垂直区表土的保护层开采后采空区,由于上覆层保护位于不同的空间区域,有不同程度的干扰和损害。
关键层理论提出的钱等。40]暗示该地区的结构决定的主要因素和关键层上覆地层的采空区上方空间结构和矿业的发展这三个区域高度骨折。判断关键层理论提出的钱等。40和曲等。41)是用于这个研究来验证三个注册表子项地层的存在(SKS) # 3和# 4煤层(图3)。相对较弱的岩层控制的每个SKS岩石属于同一组,与相应的SKS打破同步移动。
3.1。相似模拟试验
3.1.1。仿真方案
基于地层结构特点# 3和# 4煤层之间,自主研发的测试设备能够双向压力加载的不平等是用来模拟斜11223工作面开采过程。仿真平台的大小 ( )。在测试中,细河沙作为总用石膏和石灰水泥和混合。水被用作粘合剂,云母喷洒模拟本地分层。相似材料的制备和物理模型的建立并不是本文的重点。由于空间限制,细节可以找到在其他地方,例如,Ghabraie et al。42]。材料来模拟各种岩性的比例如表所示1,模拟试验中的每个材料的固化时间大约是15天。类似的应力比是1:160年,模拟几何和强度比率为1:100。模型的底面是固定的,而顶面和侧面表面受到法向应力不变,分别。0.096 MPa的负载应用到物理模型模拟上覆岩层的重量。侧压力系数为1.442,所以0.138 MPa是应用于水平方向。人工开挖是用来模拟11223工作面开采。
3.1.2。类似的仿真结果
图5显示了上覆岩层采动裂隙的特征提取后的11223工作面。矿11223工作面后,SKS1及其控制岩组1一起倒塌,悄悄向采空区下方。SKS2矿业发达底部层分离,和屈服区停止在这里。随后,地层裂缝SKS2上部和中部部分的开发。SKS2破裂,断裂和运动控制摇滚乐队2中不断发生。然而,由于有限的空间崩溃,没有新的分离层SKS3底部的出现,和断裂带的发展停止SKS3的底部。4 #煤层SKS3控制的同步移动层。开采后,摇滚乐队3位于采空区bending-and-sinking区。岩石运动bending-and-sinking区域仍然保持连续性和完整性。各个部分的沉降和变形量垂直该区域很小的部分。
物理模拟还发现许多正常方向的宏观裂纹出现在# 4煤层及其周围地区。裂缝的空间位置和规模无序,所示区域(a)和(b)图5。下保护层开采过程后,# 4煤层的初始状态被打破了。# 4的正常方向骨折违反了完整性煤与随机分布。
3.2。裂隙带高度计算的理论基础
先前的研究结果对上覆岩层的三个区域的发展高度主要是通过统计处理经验公式推导。然而,计算结果不典型体现实际测量。徐et al。43)认为,主关键层的空间位置可以根据类似的仿真结果和实地测量来确定断裂带的高度。然而,这个模型没有考虑多个SKS在表土深部开采。对于深部开采,杨et al。44关键层理论)用于治疗每一个注册表子项地层薄斜板固定在一个中心位置。three-overburden区域的发展高度的计算模型阐述了分析注册表子项地层的断裂条件。根据这个模型,这三个区域的发展现状在采场上方的上覆地层由关键层结构、开采高度,和岩石膨胀系数。假设的采场开采厚度(即。,full thickness of the coal seam),岩层在一定的SKS,每个岩层的厚度 ,和相应的裂缝的膨胀系数 ,SKS打破条件如下:
如果下面的岩层SKS1满足公式(1)当SKS1达到它的极限跨度,它打破,断裂带发展SKS2的底部。然后,如果下面的岩层SKS2满足公式(1)当SKS2达到它的极限跨度,它打破,断裂带继续开发SKS3的底部。直到下面的岩层SKS未能满足公式(1),断裂带高度结束第一个完整的SKS的底部。
3.3。井下监测
3.3.1。监测方案
现场监测是最直观和可靠的方法来研究层骨折和运动。底层天然气开采巷道的11224工作面位于SKS3, 25米远离# 4煤层。的低级天然气开采巷道11225工作面位于21米# 4煤屋顶和是predraining # 5煤层巷道。两者之间的水平距离道路是13米。监测井眼被放在75°的倾斜斜率在11224低级天然气开采巷道屋顶。观察孔位于底部的11225低级天然气开采巷道。钻孔空间位置如图2。监控保护煤层矿11223工作面后干扰特点,岩石钻探探测器是用来观察井壁变形。
3.3.2。监测结果
观察结果如图6。11223工作面通过观察孔155米,垂直裂缝穿透岩层的深度观察32 m,如图6(一个)。当工作面通过观察孔186,# 4煤层坍塌并封锁了钻孔。垂直裂缝也观察到16米的深度,如图6(b)。在11223年的开采工作面,没有监控的钻孔层分离,表明SKS3没有打破。然而,垂直裂缝广泛观察到。因此,干扰周围岩层# 4煤层是位于上覆岩层bending-and-sinking区。骨折的平行钻孔出现在保护煤层附近,这是与物理仿真结果一致。同时,macronormal穿透骨折更直观地观察到在11224年的采矿工作面,如图7。
3.4。综合分析
类似的模拟显示,矿11223工作面后,传送的断裂带水停止SKS3的底部。同时,# 4煤保护层位于bending-and-sinking表土区。然而,由于试验装置的规模有限的室内物理模拟实验,关键层的极限跨度可能不会达成。因此,它不可能准确地确定三个覆盖区域的发展现状简单地基于实验结果。
方程(1)是SKS断裂判据获得基于薄板理论(45]。由于缺乏测量数据层膨胀系数11223采空区上覆岩层的,郝(46结果在阳泉煤矿地质条件相似的被用于这项研究。 在哪里是岩石膨胀系数,代表了煤层的垂直距离。
膨胀系数测量的基础上从阳泉煤矿岩层和价值观,这是计算,只有SK1和SKS2骨折发生在11223年的上覆岩层工作面,与断裂带停在SKS3的基础。软岩渗透控制SKS3位于bending-and-sinking区,包括# 4煤层。钻孔监测观察矿业# 4煤附近的骨折,但并没有层分离发生。推断,SKS3没有骨折后提取11223采场。类似的模拟、理论分析和钻孔监测的结论是一致的。所有结果反映,# 4煤保护层位于bending-and-sinking表土区。煤岩层bending-and-sinking区通常少下保护层开采过程的影响,并没有发生大规模的开采损害严重。
宏观裂纹沿法线方向的岩层出现在# 4煤层附近的区域,和他们也观察到类似的模拟和钻孔监测。这种现象也发生在11224年的正常开采工作面。这表明保护层# 3煤炭开采影响的原始岩石状态保护# 4层煤位于bending-and-sinking区;# 4煤不是严重骨折。煤岩体,它有很好的完整性在挖掘之前,是由随机分布的分割的骨折。
4所示。肋骨剥落的力学模型煤层保护
4.1。物理力学模型
前面的分析表明,11224工作面下保护层开采的影响尽管它坐落在连续弯曲表土区。即使在这个区,已经有几个随机分布的正常方向骨折矿业开始之前。先进的支承压力的影响,煤壁属性挖掘过程中逐渐恶化。煤炭的正常方向骨折的身体在工作面前继续发展和渗透由于支承压力增加,形成弱共同面临着不同大小的47]。关节表面裂缝和疲软的存在大大降低了煤的身体完整性和增加了困难在控制煤壁的稳定(48]。
这里的研究表明,弱面,是最大的机械控制,主要作用是主要的控制软弱面(华盛顿)在联合裂缝。调幅波的煤矿工作面附近的身体分为单位和弱机械债券与周围的煤。由于煤炭屋顶压力和体重,软煤单位发生剪切破坏到一定高度和方向滑动的身体。当周围的单位未能限制滑体滑动沿弱面,肋骨剥落形式。由于调幅波分布的随机性,单元体的形态是不同的。单位面临的煤壁的空气可以减少的三角柱确定调幅波,如图8。
基于上面的简化,煤壁不稳定的三维力学模型保护large-cutting高度软煤工作面,如图8,建立了。华盛顿的交集abcd和华盛顿bfec由采矿工作创造了三角柱abfdce弱机械与周围的煤机构债券。三角棱柱单元的剪切破坏准则和任意形状滑体的滑动准则提出了基于莫尔-库仑准则。大部分的实际剪切滑动曲面。由于有限的煤壁的高度和肋骨裂开,断裂表面被视为一个平面强度分析方便。
4.2。剪切破坏准则的单位
三角棱镜abfdce沿着华盛顿发生剪切破坏abcd和华盛顿bfec由于屋顶压力、重力、侧壁保护力,和周围的单位围压。剪切断裂痕迹和分别形成,表面由两个痕迹的交集是单位断裂表面。保护力由液压支架的侧壁 ,和围压在华盛顿周围的单位abcd和华盛顿bfec可以推导出:
在哪里是华盛顿的法向应力,是结合屋顶荷载和垂直分量的重力以及调幅波,然后呢身体是煤炭的泊松比。假设 。应用莫尔-库仑准则时的强度分析三角形棱镜,中间主应力不是认为,其断裂表面平行于 。
图9描述了煤身体的重力空间组件的两个调幅波三角柱。从空间几何关系图9,我们可以获得:
(一)
(b)
在这里,的重力是煤壁滑的身体,的组件在华盛顿bfec,的组件在华盛顿abcd;和调幅波之间的角度吗bfec,华盛顿abcd煤层罢工,分别是随机的;和的方向之间的角度吗 ,调幅波bfec,华盛顿abcd分别;和组件之间的角度吗在华盛顿bfec,华盛顿abcd和煤壁。
根据莫尔-库仑强度理论,调幅波的故障判据bfec和华盛顿abcd可以表示为滑力的区别沿着剪切面和剪切阻力 。如果差值大于0,剪切破坏发生在三角棱镜单元:
图10描绘了一个原理图的调幅波的剪切破坏,在那里是剪切平面之间的夹角和煤壁;屋顶的负载浓度,是剪切面上正应力。华盛顿的剪切破坏高度吗bfec;法向应力在华盛顿吗bfec剪切面;是华盛顿的剪切面上滑动力bfec;华盛顿的剪切破坏高度吗abcd;法向应力在华盛顿吗abcd剪切面;是华盛顿的剪切面上滑动力abcd。
(一)
(b)
从组件的几何关系图10 (),我们可以获得:
假设滑动面的宽度是1米,滑力和剪切阻力是以下,分别为: 在哪里煤的凝聚力,内摩擦角。
同样,从图10 (b):
当两个和超过零,三角柱abfdce沿着表面发生剪切破坏滑的身体。方程(22)是煤壁单元的剪切破坏准则考虑围压:
在情商。22),这决定了单位空间的形状, , , , , ,和常量值。因此,剪切破坏的单位主要是屋顶荷载有关 ,煤炭凝聚力 ,内摩擦角 ,煤层倾角 ,和侧壁保护力 。防治肋骨裂开应该通过减少屋顶荷载,增加煤炭凝聚力、内摩擦角和侧壁保护力。提高煤层的倾角可以减少重力的影响在煤层和顶板压力正常的方向,但增加的困难antifall和防滑控制的液压支架。
4.3。滑体的滑动准则
三角棱镜剪切破坏后滑体形式。当华盛顿和保护措施并不足以限制的滑滑的身体,它将沿断裂面滑移肋骨碎片。肋骨剥落往往发生在煤炭切割和支持删除,所以滑体侧壁保护力的影响没有考虑。
根据情商。3),这两个调幅波的正常压力
滑力平行于华盛顿
稳定系数滑的身体可以表示为: 在哪里和华盛顿的滑动系数吗bfec和华盛顿abcd分别为,和华盛顿的凝聚力系数。
在 ,滑的身体会导致摩擦滑动。在 ,即使单位已被打破,没有滑动不稳定,没有肋骨剥落会发生在煤壁。因此,限制滑体的摩擦滑动的关键是减少屋顶负载和增加调幅波的滑动系数和凝聚力。
5。数值模拟
5.1。简短的描述RFPA3D
区别不同的矿物成分和力学性能的缺陷,如气孔和裂缝,确定岩石自然是一个复杂的非均质物质。唐et al。49- - - - - -51)开发了一个分析系统异构materials-RFPA2D岩石破裂过程的模拟。这个软件是基于mesoelement弹性损伤本构关系,结合了材料属性的统计分布假设和有限元计算方法。最大拉应力准则和莫尔-库仑准则用于确定当这些元素达到他们的损伤阈值。与有条件的有限元数值计算软件,RFPA模拟初始开裂,变形本地化、裂缝岩石破裂过程中,有限元技术的应用可以开发模拟岩石破裂的整个过程。RFPA3D基于RFPA2D软件的发展。在这项研究中,与RFPA3D进行数值分析,模拟的损伤与断裂过程三角柱屋顶荷载和围压下。
5.2。材料非均质性描述
威布尔首次提出一个方法来描述材料的非均质性使用统计数学。威布尔理论指出,不可能精确测量强度的细观的元素时失败,而是失败的概率可以被定义在给定应力水平。RFPA3D假设分布的介观元素的机械性能统计,介绍了威布尔分布函数来描述的统计分布密度介观力学性能的因素: 在哪里的力学参数(强度、弹性模量等)的岩石细观的元素,是它的平均值,然后呢是均匀系数,它反映了岩石介质的均匀性。图11显示了介观力学性能的元素的统计分布均匀性系数不同。唐et al。50,52]对均匀性的影响详细介绍宏观响应的一个示例。
5.3。介观元素的本构关系
人们普遍认识到,在岩体应力诱发微裂隙,传播整个内部岩石结构。这些微裂隙引起的无塑性的变形和非线性的应力-应变曲线。这也说明了岩石断裂机理从mesostructural立场。因此,它是合理的使用弹性损伤力学的本构关系来描述介观的岩体的力学性能。此外,根据应变等效假设,压力由压力引起的作用于受损材料相当于应变由有效应力引起的作用于完整的材料: 在哪里和分别弹性损伤前后模,然后呢损伤变量。 代表一个nondamaged状态, 代表完全丧失承载力, 对应于不同程度的损害。初始状态,介观元素都是弹性的,和他们的力学性能由弹性模和打破比率表示。随着外部环境的变化,介观的应力或应变状态元素变化和弹性计算的有限元程序。每个元素都有一个损伤阈值,此后的煤炭的身体将受到损害。图12显示弹性损伤本构关系的单轴应力状态下的一个元素。在此基础上,本构关系是扩展到三维应力状态。
在单向拉伸状态下,介观元素的弹性损伤本构关系的坐标轴的左边部分所示图12。损伤变量的表达 在哪里元素的剩余抗拉强度,相对应的拉伸应变弹性极限,即拉伸破坏应变阈值,然后呢时元素的极限抗拉应变单轴拉伸应变达到极限。当达到拉伸应变,元素是完全受损,到达破碎状态,也就是说, 。当元素在三维应力状态和假设损伤仍然是各向同性,等效应变是用来取代拉伸应变吗在情商。28)。等效应变来源于以下关系: ,在哪里是一个函数定义如下:
莫尔-库仑准则作为剪切破坏时的损伤阈值判据的介观元素是由单轴压缩或剪切应力: 在哪里是介观的内摩擦角元素,单轴抗压强度的细观的元素,而和分别是最大和最小主应力。按照元素的单轴拉伸应力的本构关系,它的弹性损伤本构关系的单轴压缩应力下元素显示在右边的图的坐标轴12。损伤变量是 在哪里元素的压缩残余强度,最大压应变。 在哪里中间主应力和吗泊松比。在一维应力本构关系扩展到三维。当元素有三轴应力状态和满足莫尔-库仑准则,最大压缩主应变是用来取代单轴压缩应变情商。31日),推导出通过情商。32)。损伤变量的表达采用以下形式:
RFPA3D分析系统采用假设受损的元素仍有一个特定的刚度和承载力。只有元素的最大主拉应变达到极限抗拉应变,和 ,元素被认为是完全断裂。值得注意的是,RFPA3D裂缝系统的治疗而不是删除原始的模型替换原来的固体原始非常低的弹性模量。此外,由于极低弹性模量的新原语,坚实的媒体的行为可以近似为不存在的。通过这种方式,不改变的数学结构,该模型能反映物理特性的变化引起的原语的破裂的总体特征。
5.4。力学模型和参数
基于物理模型的三角棱镜单元煤壁,使用RFPA3D构造相应的数值模型。三角柱的尺寸abfdce模型如图所示13。随着三角柱的任意形状的理论模型,模型大小没有特殊要求。在这个仿真,模型的高度3500毫米与现场切割高度一致。的长度cd和ce两侧分别设置为1750和1400毫米。392000六面体模型包含相同的大小。弹性模量和单轴抗压强度的细观的元素设置通过基于情商的威布尔分布。26)。底部表面12月是固定的,而顶面吗空军基地受到一个位移加载(8毫米每一步增量)。表面bfec和abcd受到常数法向应力模拟周围的元素应用的围压三角柱。最初的垂直11224工作面约为17.5 MPa的压力。支承压力峰值测量5煤压力探测器的工作面约为22.2 ~ 26.8 MPa,煤壁的距离是9.6 ~ 12米。监测数据显示,6米的煤壁的垂直压力为7.6 MPa。随着煤炭的身体,泊松比为0.31,从情商。3),围压bfec和abcd表面是3.4 MPa。表面阿拉伯环境与发展论坛受到一个常数法向应力为0.2 MPa,模拟了围压在煤壁采用液压支架护板。三棱柱模型的材料参数表中列出2。
5.5。数值结果
在计算,有限元模拟退化根据分段描述的统计损伤本构模型5.1。每个元素的压力迭代计算在一定加载步骤通过当前的边界条件,并转移到下一个加载步骤后才发生损伤饱和(当没有生成更多的伤害)。在顶部位移应用程序中,模型在一步49失去承载力。
数据14和15说明两个模型的破坏过程abcd和bfec表面,分别。为了简便起见,只有少数典型细节的细观破裂过程三角柱所示数选择加载阶段。这里的弹性模量、位置、声发射能量,最大剪应力分别进化所示。最大剪切应力和弹性模量的颜色表明它们的相对大小在一定加载步骤。在声发射,球的中心位置代表弹性应变能量释放的位置和直径代表能量的相对大小。蓝色球体代表产生的声发射在一定加载步骤中,和红色的代表聚集在前面的所有步骤。在步骤8和22步,三角柱在弹性变形阶段。在计算步骤8,弹性模量的分布几乎是一样的在装载之前,表明零介质单元损伤。因此,只有一些小声发射连能源水平均匀分布在模型中。最大剪应力分布在这一步也相对均匀分布。 With the axial displacement increased to step 22, numerous acoustic emission events caused by the release of elastic strain energy appeared in the two surfaces, indicating that many elements were close to being damaged. However, at this step, the distribution of maximum shear stresses was still uniform, and there was no indication of nucleation sites for the initiation and propagation of large cracks. At loading step 40, the two surfaces began to show a preliminary shear nucleation zone, which was caused by the unevenness of the unit. Macrocracks (depicted by red areas) appeared in the elastic modulus graph. A large number of acoustic emission events clustered around the shear nucleation zone, and macrofracture began to occur. At this time, the accumulated acoustic emissions in other areas of the surfaces were no longer displayed due to the relatively small magnitude of energy. Meanwhile, the maximum shear stress of the mesoscopic elements around the shear nucleation zone on the surfaces was higher than that of other areas. When the axial displacement continued to rise until step 45, the scattered cracks in the shear nucleation zone gradually expanded, coalesced, and penetrated, leading to a distinct shear band. At the same time, continuous macroscopic cracks were formed across the shear band both onabcd和bfec表面。声发射资源位置更集中沿剪切带和裂纹有关。在装货45步,三角柱失去承载力,只有一个小残余强度。
5.6。断裂模式的比较分析
从计算结果可以看出,当软三角柱加载轴向变围压,该模型将进行剪切断裂。最终失败的位置是在中上三角柱的一部分。两侧表面含有较大的围压,通过剪切带是一种分离,剪切带断裂角相同θ和交点b。滑体形成的失败会在表面,最低围压。从图可以看出16数值模型的断裂模式是在良好的协议与不稳定模式下的物理模型采用莫尔-库仑准则分析煤壁的破裂过程。因此,物理模型提出了适用于大型切割高度软肋剥落的研究在保护煤层开采工作面。
(一)bfec表面
(b) abcd表面
6。结论
获得的结果可以得出以下结论:(1)在煤矿大型切割软煤高度、下保护层开采后,上部的工作面形成了错综复杂的空间裂缝模式,大大不同于一个传统的煤壁。飞机结构在煤层中观察到的残余肋骨剥落(2)物理模拟的案例研究(削皮器煤矿,位于淮南矿区,中国)显示,1223工作面开采后,断裂区扩展整个SKS1和2和停止SKS3的底部。同时,远程保护层在bending-and-sinking区,和大量的随机分布的正常关节骨折出现。分析的基础上的最终挠度薄板模型,理论计算模型提出了三种覆盖区域的影响,并测量岩层的断裂膨胀系数是用来计算破裂带的高度。这些测量结果与物理模拟结果是一致的。此外,通过钻孔监测,提出骨折的钻孔观察附近的层,保护和没有显示分离,表明SKS3不破坏和干扰岩层钻孔位置完全在弯曲区(3)基于特征扰动的影响和肋的形式剥落,保护的空间物理模型建立了煤壁,和三角棱镜形成的剪切破坏准则的部门提出了华盛顿。应力状态分析表明,煤壁受损屋顶荷载有关,煤炭凝聚力,煤炭内摩擦角,保护力,煤层倾角。煤壁单元破裂形成滑动的身体。华盛顿决定它是否可以摩擦沿断裂面滑落。滑动摩擦和滑动失稳判据的身体滑体稳定系数也被提出。在 ,滑体摩擦幻灯片和一根肋骨剥落形式(4)获得的结果被认为是相当的分析仪器肋剥落机制在软煤面临大型切割高度和保护层
数据可用性
使用的数据来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有关的出版。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(51634007),能源研究所的合肥综合国家科学中心批准号19 kzs203之下,国家青年科学基金(51904011),安徽省自然科学基金(1908085 qe183),安徽大学科学研究基金会(没有。QN2018108)和国家重点实验室开放基金的水资源保护和利用煤矿(没有。gjny - 18 - 73.7)。