文摘
力链机制挠度和instability-caused大规模灾难的围岩深部采场检查在本研究使用理论分析,实验,PFC3D数值模拟等综合研究方法基于离散单元理论,包括力链研究为主线。结果表明,采场覆岩的一个拱形的力链在罢工和倾斜方向的工作面。此外,力链壳组成的强链类似于塑造“椭球”已经形成的整个采场覆岩空间。力链壳的主要力学特性如下:壳内的强度水平的力链是最大的;力的强度水平链内部和外部的壳都相对较低,发展进步的工作面;力的方向链的不同区域周边岩体采场的反射,形成一个各向异性特征有一定偏转角是shell基地分布在垂直方向;壳牌的力链肩在水平方向的角度,和力链壳顶部有一个明显的水平方向;最后,强大的链式集群周围岩体采场形成一个力链的壳在采场空间,应力壳是力的宏观体现移情力链形成的壳链中的集群,这不仅显示的力链壳的力学机制形成的围岩也宏观应力壳和压力之间的关系链。壳的稳定性决定了围岩的稳定性,和蜗牛壳的不稳定会导致动态强烈动压或岩爆等灾害。
1。介绍
地下矿山的稳定性一直是研究人员关注的焦点(1]。中国和国际研究专家们进行了许多实验研究对采场周围岩石的力学特性和深部采场动态灾难和取得了丰硕的研究成果。结果有辅助的形成丰富的理论(主要是基于连续介质理论)分析的分布特征和围岩的动态灾难部队在斯特普从宏观的角度来看2,3]。
本世纪初,作者带领一个研究小组提出了一个“压力壳”的理论的基础上,实地测量和理论分析的结果。认为,应力壳是由“高压力包”采场周围岩体。理论,这些应力壳的主要承载力系统的采场的覆层。的采空区工作面位于低应力区域的宏观应力壳的保护下采场围岩。它的形状和特征密切相关的特定开采条件,以及工程地质条件。的压力外观矿井工作面及其相邻巷道控制压力的存在和演化壳,有重大影响的动态现象采场(4- - - - - -6]。岩石的物理力学性质及其应力状态的决定因素(7,8]。
随着全球逐渐煤矿进入深部开采,开采强度和工作面开采规模逐渐增加,采场地压的越来越复杂,岩爆等灾害和动态的机制也越来越复杂(9,10]。
发现,我的进步的工作面,在采场上覆地层的力学性能一定会在不断地发生变化。因此,演化过程将一个quasicontinuous /连续/不连续的离散模式。岩石破裂过程中,以及其他深部采场围岩的动态灾害是更复杂的11]。
专家在中国和在世界其他地方进行了广泛研究围岩的力学特性和动力灾害的机理,获得了丰富的研究成果。然而,动态灾难围岩的力学性质显然没有被透露。因此,研究具有重要意义的力链偏转,骨折,在采场围岩不稳定,揭示了围岩的动力灾害机理及其预防和控制。
因此,基于离散单元理论,随着压力的先前的研究结果链为主线,本研究采用综合研究方法的理论分析,数值模拟,和实地测量来进行考试压力的分布特征链。在实验过程中,应力链贝壳的形成机制和机械应力的形成贝壳的本质在深度进行了研究。
2。分析煤岩力链的形成机制
在固体材料的细观分析力学的过程,宏观尺度定义为整个系统的粒状材料。与此同时,微尺度是一种稳定的结构由大量颗粒材料单位(12]。颗粒之间的力传递路径材料单位被称为力链。力链网络的复杂的动态响应规律导致内部的颗粒材料呈现独特的力学特性和现象。以前,通过系统的分析和研究实验力学的粒状材料,院士教授和院士王光谦微山中国认为太阳粒子之间的力传递路径的基础是一个网络结构形成的粒子之间的联系。人们相信上述结构的准线性路径通常传播更大的力量,这被称为强链。此外,相对较小的力传递结构被称为弱力链(13- - - - - -15]。
一些专家也使用不同的研究方法进行深入研究实验的力链,能够取得一定的成果16- - - - - -18]。
过去,关于力链的研究主要集中在小规模的松散的粒状材料之间的力链。在最近的研究中,主要的焦点是放在粒状材料的力链的条件下大规模在矿山采场围岩质量(19,20.]。
密集的粒子分布系统内的煤和岩石材料,颗粒之间的活动空间小,粒子的力链系统的强劲链主要传输的大多数外部荷载和重力。粒子的粒子主要是由大变形,这是连接在一条直线。相比之下,弱力链传播更少的外力,和粒子形成弱链之间的变形不明显。它已经被观察到,在相同的力链,颗粒之间的接触力的大小、方向基本上是相同的。此外,力链的方向平行于外力的方向,和力链只能承担一小部分切向外力(21,22]。
矿井工作面被发掘后,从原始岩石的采场围岩的破裂和倒塌的块和noncollapsed岩体可以被看作是颗粒状材料。在这项研究中,光弹性实验进行了采场围岩的使用双轴粒子物质光测弹性学重点实验室的仪器矿业灾难预防和控制反应和安徽科技大学。采用仪器如图1。颗粒之间的力链的分布形式是成功获得,详细如图2。厚力链图中显示的更大的强度力链,和薄力链表明连锁的力量强度越小。图中可以看出,强力链已经形成了一个root-like结构。力链不仅代表了粒子之间的作用力的大小还表示力的方向传播,在力链的厚度表示的强度水平力链。
已经确定,当与强力链相比,弱力链往往更容易受到剪切失败由于小颗粒之间的接触力和小摩擦部队。因此,强相互作用的粒子链承担大部分的外部力量,和颗粒之间的接触变形大。当粒子的接触力线范围内的摩擦角、颗粒力链中处于“自锁”状态。随后,强相互作用的粒子链可以承受一定的切向力。然而,增加粒子的表面的摩擦系数,以及增加粒子之间的挤压变形,人们已经发现,大的切向力链能承受的力,力链的稳定性越高。当颗粒力链的表面光滑,力链不能承受切向力。它只能承受法向力,其稳定性将弱23]。
煤岩体的应力和变形过程的粒子主要承担粘附和摩擦的联合行动,由于颗粒之间的接触和铝型材。因此,它可以被视为一个力链的稳定性主要由颗粒之间的摩擦和粘附。例如,如果一个力链组成粒子的总长度和总变形 ,然后变形的任何粒子都可以获得如下:
图3显示了颗粒的应力关系图在力链。在图中,力链的外力为代表F1,力链之间的角度和外力加载方向 。正常的接触力F可以计算如下:
由于粒子之间不仅有外部力量还颗粒之间的摩擦,有必要考虑这些因素在计算颗粒力链之间的力量。因此,通过假设颗粒力链之间的摩擦系数和粒子之间的弹性系数 ,最大摩擦力将需要克服为了实现粒子之间的滑动可以计算如下:
此外,力链的断裂和不稳定主要需要克服的共同行动之间的摩擦和粘附粒子。因此,如果颗粒之间的接触面积 ,力链的断裂和不稳定判据可以编写如下(6): 在哪里表明剪切破坏的阈值的力链;代表的总和摩擦力和粘附力力链;和表明粒子之间的附着力。
从公式可以看出(6),颗粒之间的摩擦和粘性力应该克服同时为了确保断裂力链的稳定性。然而,如果大量的力链在一定面积内采场围岩,这可能导致煤岩体的宏观失败。
总之,对于某些力链,如果外部负载之间的切向和内在凝聚力的力量克服粒子,力链会断裂,失去稳定。自煤系岩层也由大量颗粒材料,可能会有大量的力链系统组成的强和弱链。粒状材料的权力链网络系统在煤和岩石质量,强链主要配角在力链系统。我的工作面回采后,大量的剪切骨折不稳定强大的内链的采场围岩的macrodestruction可能导致整个煤岩系统。因此,可以说,煤的宏观裂缝的力学本质,在采场岩体的断裂和不稳定大量的力链在中尺度上。
3所示。建立数值模型
在目前的研究中,为了获得的力链分布格局的采场围岩质量及其演变规律与矿井回采工作面,21116工作面工程地质数据的淮南矿业集团谢桥煤矿为背景。PFC3D数值模拟分析方法被用来直接显示的分布特征和演化规律的力链在采矿过程中工作面。倾斜工作面长度为237.7米;罢工推进长度是1623米;6号煤的厚度介于0.3和4.7米之间;和平均煤厚度为2.5米。煤层是黑色的,大规模的,粉状,包含镜质体和丝绸木炭。
3.1。煤的微机械参数和岩层
在本实验研究中,一个平行的债券模型主要用于数值模拟、煤层和mesomechanical参数的数值计算模型主要是基于以前的相关研究的结果。每个煤层的力学参数在谢桥煤矿21116工作面如表所示1。
3.2。数值模型的建立
本研究的三维数值计算模型如图4。该模型由大量球形粒子组成的。粒子半径R是根据高斯定律从小型到大型分布式:R最小值= 0.6米,R马克斯= 0.8 m。模型的底部的垂直运动被一堵墙,有限和水平运动双方的侧墙也有限。上的均布荷载相当于重力地层模型的加载模型的顶部。模型的维度如下:长500米,宽400米,高400米。粒子的数量单位是611665年。连续数值计算序列如下:从一边挖掘模型的总共230米。
4所示。的分布特征在采场围岩的应力链
4.1。的原力链分布特征采场
图5显示了原始分布形式的力链之前开挖工作面。图中可以看出,粒子内部的力链的传播是不均匀的,和力量水平的力链增加了从上到下的岩层。然而,力链的强度水平在同一层,基本上都是相同的。
图6显示了不同的计量点的安排从顶部向底部中间的数值模拟和颗粒之间的接触力链的分布在不同的层,代表力的尺寸链。图7显示了测量地层的垂直压力。从本研究的比较分析,数值模拟结果与实测地应力值基本一致。它是发现,随着深度的增加,强度水平的力链和垂直应力线性增加。
4.2。分布特征的罢工迫使采场周围的岩体内链
图8显示了围岩力的分布特征链中间的采场沿走向方向时煤层工作面已经先进到230米。图中可以看出,煤壁的力链在后面和前面的工作面相对较厚和强大,形成强力链区域。此外,一个拱形的强力链区域已经形成了采空区在75.6米以上。强度达到了最大的力链的拱脚拱(10 m在煤壁前),3.84×107N。力的主要力学特征链拱的强度水平力的内外链拱低于拱内的力链的强度。工作面位于的力链拱下采场围岩。因此,力链拱起了整个上覆地层的主要轴承的作用。因为力链只能承担少量的切向力,力链的优势和方向在采场围岩质量代表的最大主应力的大小和方向。本研究的实验结果显示,强链的方向在采场上覆地层的不断变化,和最大主应力的方向的采场围岩的偏转一定的角度。
这是观察到当工作面开挖和进步的打扰了采场围岩质量,煤岩体的内部粒子已经下滑,有明显的变形。再一次,以达到平衡的力链经验丰富的转移过程,重组和浓度。强力链的方向大致平行于最大主应力。也就是说,最大主应力主要是链沿传播方向的强大力量。
本研究分析了接触力的大小和方位链在某一地区矿井工作面已经先进到230米。然后,接触力的大小和方位链适合关键领域(A / E:前后拱基地;B / D:拱肩;C:拱顶)根据傅里叶公式。
拟合公式如下: 在哪里f0平均正常接触力遍历所有的接触力;表明傅里叶拟合系数,代表相应变量的各向异性程度;和代表了正常接触力的各向异性的主要方向。
最后,每个区域的接触力和方位角度通过拟合过程,如图9。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
图9拟合结果显示接触力的大小和方向的五个关键领域(一个,B,C,D,E)详细图8。从图可以看出,在装配完成后,力的方向链形状的“花生”作为一个整体,与强链的分布在每个方向上拱点a和E的基础。强和弱链扮演配角。然而,最主要的是强力链在垂直方向,弱力链在水平方向上和其他方向打辅助支持的角色。在拱肩位置B和D,强力链在60°和130°水平方向的角度,分别垂直接触力很小(例如,弱力链)。强力链的大小和方向在该领域的主要路径和方向由上覆岩层的重力转移群众,这是传播的前后工作面通过拱内的强链。顶部的shell (C),强力链显示一个明显的水平方向,和外壳的顶部的接触力小于A和e .观察到上述分析结果表明,强力链的方向沿走向围岩质量的工作面是不断变化的。然而,力链拱是由链路径有一定的方向性,一定范围内偏转,在上覆岩层的严重性已经转到工作面前方和后方。这个明显的定向力链拱的力链网络成立于围岩沿走向的工作面。力链拱决心成为主要的传输路径和上覆岩体的支持系统。
4.3。的倾向力链分布特征的采场围岩质量
图10显示的力链的分布格局方向倾斜的墙壁煤矿230工作面回采后。力的大小和方位链不同关键领域的采场围岩质量的图所示11。图中可以看出,6.5上方和下方的区域工作面煤壁两端的区域的力链强度降低,和力链强度水平达到了煤壁内的最大值在11米,3.61×107N。有一个力链拱位于工作面上方的围岩。拱的高度是31.2米,12倍煤层的厚度。力链拱的力学特性,力链的强度水平拱内大于以外的拱门,和工作面位于拱下弱力链区域。此外,力链转移的现象被观察到在整个工作面围岩质量,与煤体内的力量转移到unmin煤层。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
在目前的研究中,按照攻击方向,傅里叶公式用于符合强度水平和方位力链的不同关键领域中的采场上覆地层的倾斜方向,如图11。图中可以看出,类似于罢工的方向,力的方向链周围岩体内的上方工作面沿走向方向也不断变化。之后,拟合点的和E拱基地,力链分布在一个“花生”的形状在垂直方向,这表明,强劲的方向链的位置主要是在垂直方向和主导。与此同时,弱力链主要分布在其他方向。此外,拟合后壳位置B和D的肩膀,发现强链和水平方向之间的角度是大约30°、150°,分别。强烈的接触力顶部位置C shell提供了一个接近水平分布。同时,还发现,力的方向链前后拱基地,前后拱肩,按照一定的规则和拱顶偏转。这些力链的偏转方向,形成的力链上覆地层的拱门,后来上覆地层的重量转移到工作的前方和后方的脸。因此,力链拱所形成的强烈的链被认为是主要的传播路径和上覆地层的重量的支持系统。
4.4。力链的三维空间分布特征在采场围岩质量
图12展示了三维空间内的力链分布特征的采场围岩质量。图中可以看出,工作面回采后,围岩质量的更强的力链被转移到前面,后面,和煤壁的顶部,采场的覆层形成一个力链拱沿走向和趋势方向的工作面。力链拱的形状的罢工和趋势方向的采场围岩类似“半椭球体”类型围岩力链的壳。链式壳壳基地是位于后面的工作面和内在的unmin墙壁两端。外壳是位于完整的上覆地层,以及unmin煤层采场。本研究观察到,最引人注目的机械力链的壳如下特点:强度水平力链的力链的壳是最大的;力的强度水平链内部和外部的壳是相对较低;工作面是位于力链减少面积形成的应力壳的保护范围的力链。力链壳决心工作面上方的主轴承系统,和力量水平的力链外的一颗炮弹已经逐渐接近原文的力链的强度岩体在开挖之前。
在采场上覆岩体的加载力转移到工作区域周围的煤和岩石在力链通过强链路径层以形成一个强大的现象链浓度。强大的连锁反映的集群和移情能力的转移路径和模式的最大主应力在采场围岩质量。力链上覆岩层围岩质量发生。然后,骨折和崩溃的力链下的岩层壳牌、强和弱力链也坏了,分岔。岩石破碎块形成了一个清晰的结构和岩石的块接触挤压压力链铰链是重组为了转移力再一次。此外,三维空间内的采场,力链壳组成的强大的连锁是内部的重组的结果强链后的围岩质量煤回采。强者的变位链方向确定主应力方向的变形量。力链的地区被组装成束的最大主应力集中的领域。因此,应力壳周围岩体的三维空间的采场力的宏观体现移情力链形成的壳链中的集群。
5。结论
本文综合室内实验的方法,理论分析和数值模拟是用来研究机制力链的偏转和深部采场围岩的不稳定性。本文揭示了破碎的运动机理和采场围岩的灾难,这对预防和控制具有重要指导意义的动态采场的灾难。在这项研究中:达成以下结论(1)力的分布特征链在采场围岩质量检查在这项研究中使用一个离散元素粒子材料模拟方法。发现在采场上覆地层的空间沿走向和趋势方向的工作面强链的形式拱门。强链拱罢工和趋势的方向形成一个力链shell在三维空间中,实现了可视化的力链在采场围岩质量。据透露,宏观应力壳的采场围岩的力学本质组成的强大的链包。(2)力链壳形成的强大的连锁在采场上覆地层的形似“半椭球体。”其主要机械特性,壳内的强度水平的力链是最大的,和力量水平的力链内部和外部的壳都相对较低。也发现,力的方向链不同关键领域的采场围岩的偏转,形成各向异性特征和一定的偏转角。特定的性能结果,力链分布在垂直方向壳基地,这表明强烈的接触力链的分布主要在垂直方向。此外,力链在壳牌的肩膀在某个角度与水平方向和力链在外壳上面显然是在水平方向上。(3)观察到,在采场的覆层,力链形成的壳链是内力的重组的结果后的围岩质量链煤矿挖掘。偏转方向的力链确定方向的变形量的主要压力。力链最集中的地区是最大主应力集中的领域。因此,应力壳周围岩体的三维空间的采场力的宏观体现移情力链形成的壳链中的集群。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是由安徽省自然科学基金(没有。1908085 qe226)、自然科学基金会的安徽高等教育机构(没有。KJ2018A0077)和独立研究项目的国家重点实验室矿业响应和灾难预防和控制煤矿(没有。SKLMRDPC19ZZ02)。