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能考慮承壓水壓力作用下的采場底板破壞深度的計算方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510547771.7

申請日:

2015.08.31

公開號:

CN105160174A

公開日:

2015.12.16

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G06F 19/00申請日:20150831|||公開
IPC分類號: G06F19/00(2011.01)I 主分類號: G06F19/00
申請人: 安徽理工大學
發明人: 魯海峰; 張平松; 姚多喜; 胡友彪; 孫建; 馮琛
地址: 232001安徽省淮南市舜耕中路168號
優先權:
專利代理機構: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司34112 代理人: 余成俊
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510547771.7

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2016.01.13|||2015.12.16

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種能考慮承壓水壓力作用下的采場底板破壞深度的計算方法,包括以下步驟:1)選取模型計算范圍;2)分別定義支撐壓力和底板水壓力的作用范圍和荷載分布形式;3)定義計算范圍內底板巖體材料屬性;4)設定底板應力分量是由礦壓和水壓引起的附加應力和原巖應力的疊加;5)依據彈性半空間理論符拉芒解和明德林解推導出由支撐壓力和水壓力作用下的底板附加應力分量;6)根據應力求解結果,選擇帶拉伸屈服的mohr-coulomb準則對底板破壞深度進行計算,得出底板剪切和拉伸破壞深度和范圍。與現有解析解方法相比,本發明考慮了底板承壓水壓力的作用,更加符合實際情況。

權利要求書

權利要求書
1.  一種能考慮承壓水壓力作用下的采場底板破壞深度的計算方法,其特征在于包括以下步驟:
1)選取模型計算范圍;
2)分別定義支撐壓力和底板水壓力的作用范圍和荷載分布形式;
3)定義計算范圍內底板巖體材料屬性;
4)設定底板應力分量是由礦壓和水壓引起的附加應力和原巖應力的疊加;
5)依據彈性半空間理論符拉芒解和明德林解推導出由支撐壓力和水壓力作用下的底板附加應力分量;
6)根據應力求解結果,選擇帶拉伸屈服的mohr-coulomb準則對底板破壞深度進行計算,得出底板剪切和拉伸破壞深度和范圍。

2.  根據權利要求1所述的一種能考慮承壓水壓力作用下的采場底板破壞深度的計算方法,其特征在于,所述的步驟1)中的模型建立的原則為:沿工作面推進方向,建立采場力學模型,同時要滿足平面應變求解條件,即工作面推進長度應是其斜長的1/4或更小;沿模型豎向,模型高度取決底板隔水層厚度。

3.  根據權利要求1所述的一種能考慮承壓水壓力作用下的采場底板破壞深度的計算方法,其特征在于,所述的步驟2)中模型中,支撐壓力等效為一定寬度的均布荷載,其載荷集度為(n+1)γh/2,式中γ為上覆巖土體平均重度;h為煤層埋深;n為最大應力集中系數,一般取值2~3;等效區的寬度為采空區端部到支撐壓力峰值位置處這一距離的兩倍;底板承壓水視為均布荷載,其作用范圍為采空區長和兩邊等效支撐壓力作用寬度之和。

4.  根據權利要求1所述的一種能考慮承壓水壓力作用下的采場底板破壞深度的計算方法,其特征在于,所述的步驟3)中模型材料屬性為均質各向同性的彈性體,巖體塑性屈服符合mohr-coumlob屈服準則和最大拉應力屈服準則。

5.  根據權利要求1所述的一種能考慮承壓水壓力作用下的采場底板破壞深度的計算方法,其特征在于,所述的步驟4)和步驟5)中采場底板應力分量是由支撐壓力和水壓力引起的附加應力和其原巖應力的疊加組成;支撐壓力和水壓力均視為均布條形荷載,分別依據符拉芒解和明德林解推導出其在底板中引起附加應力分量。

6.  根據權利要求1所述的一種能考慮承壓水壓力作用下的采場底板應力分量及破壞深度的計算方法,其特征在于,所述的步驟6)中的屈服準則選用的是剪切和拉伸的復合判據,計算中優先判別拉伸破壞的發生。

說明書

說明書能考慮承壓水壓力作用下的采場底板破壞深度的計算方法
技術領域
本發明涉及煤炭開采領域,具體涉及一種能考慮承壓水壓力作用下的采場底板破壞深度的計算方法。
背景技術
承壓水上采煤底板突水是我國煤炭開采中的重大災害之一,如何避免底板突水一直是我國煤礦安全開采中的一項技術難題。
煤層開采時,隔水底板在礦山壓力和下伏承壓水的聯合作用下,當達到或超過底板巖體強度極值時,工作面底板一定范圍內的巖體將產生破壞,若采動破壞帶與煤層下伏承壓含水層溝通,則底板突水形成。故準確計算出采場底板破壞深度是避免底板突水的重要條件,也是底板突水預測中的一個關鍵問題。
實際工程中,理論分析被普遍應用于承壓水上采煤底板應力分量與破壞深度的求解中。張金才和劉天泉(1990)運用彈性和塑性力學理論并結合Mohr-Coulomb屈服準則求得了底板的破壞深度,奠定了底板采動破壞理論分析的基礎。隨著研究的深入,底板采動破壞深度的解析解得到進一步的發展和完善。如張文泉(2004)、朱術云(2007)、孟祥瑞(2010)、王連國(2013)等學著考慮了礦山壓力的不同分布規律以及采場來壓周期等因素,運用彈性半空間理論,推導出底板的應力分量表達式,并采用mohr-coumlob屈服準則計算出了底板破壞深度。
上述承壓水上采煤底板破壞深度的解析解大都只考慮了工作面支撐壓力的作用,沒有考慮底板承壓水壓力影響下的應力重分布以及破壞機制。眾所周知,在支撐壓力作用下的壓縮區段和采空區卸壓的膨脹區段,底板在水壓力的作用下,必然會加大其壓縮變形量和膨脹量,使得底板的剪切破壞和拉伸破壞范圍變大。因此與不考慮水壓力的底板破壞相比,其應力分布和破壞深度的求解也表現得較為復雜。且上述研究成果只考慮了底板的剪切破壞,沒有考慮拉伸破壞形式顯然不夠合理。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可以考慮底板承壓水作用,且有適用范圍廣、計算參數容易獲取的承壓水上采煤底板采動破壞的計算處理方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
一種能考慮承壓水壓力作用下的采場底板破壞深度的計算方法,其特征在于包括以下步驟:
1)選取模型計算范圍;
2)分別定義支撐壓力和底板水壓力的作用范圍和荷載分布形式;
3)定義計算范圍內底板巖體材料屬性;
4)設定底板應力分量是由礦壓和水壓引起的附加應力和原巖應力的疊加;
5)依據彈性半空間理論符拉芒解和明德林解推導出由支撐壓力和水壓力作用下的底板附加應力分量;
6)根據應力求解結果,選擇帶拉伸屈服的mohr-coulomb準則對底板破壞深度進行計算,得出底板剪切和拉伸破壞深度和范圍。
步驟1)中的模型建立的原則為:沿工作面推進方向,建立采場力學模型,同時要滿足平面應變求解條件,即工作面推進長度應是其斜長的1/4或更小;沿模型豎向,模型高度取決底板隔水層厚度。
步驟2)中模型中,支撐壓力等效為一定寬度的均布荷載,其載荷集度為(n+1)γh/2,式中γ為上覆巖土體平均重度;h為煤層埋深;n為最大應力集中系數,一般取值2~3;等效區的寬度為采空區端部到支撐壓力峰值位置處這一距離的兩倍;底板承壓水視為均布荷載,其作用范圍為采空區長和兩邊等效支撐壓力作用寬度之和。
步驟3)中模型材料屬性為均質各向同性的彈性體,巖體塑性屈服符合mohr-coumlob屈服準則和最大拉應力屈服準則。
步驟4)和步驟5)中采場底板應力分量是由支撐壓力和水壓力引起的附加應力和其原巖應力的疊加組成。支撐壓力和水壓力均視為均布條形荷載,分別依據符拉芒解和明德林解推導出其在底板中引起附加應力分量。
步驟6)中的屈服準則選用的是剪切和拉伸的復合判據,計算中優先判別拉 伸破壞的發生。
與現有技術相比,本發明具有以下優點:
1、本發明考慮了底板承壓水對采場底板應力分布及破壞深度的影響,更加接近實際情況。
2、本發明對底板巖體材料的本構模型選用帶拉伸破壞的mohr-coumlob屈服準則,一方面考慮了底板巖體的抗剪切破壞能力,另一方面考慮了巖體抗拉強度弱的特點。從底板塑性破壞分析的安全角度來看,它更適用于底板巖體的破壞計算,且計算簡單,計算參數容易獲得。
附圖說明
圖1模型中支撐壓力及底板水壓力作用圖。
圖2支撐壓力增量引起的底板M點的附加應力計算示意圖。
圖3彈性體內作用均布條形荷載時任一點應力求解示意圖。
圖4為本發明實施例的不同水壓力作用下同深度底板垂直應力分布規律。
圖5為本發明實施例的不同水壓力作用下同深度底板水平應力分布規律。
圖6為本發明實施例的不同水壓力作用下同深度底板剪應力分布規律。
圖7為本發明實施例的考慮底板水壓力作用下的底板剪切和拉伸破壞圖。
圖8為本發明實施例的不考慮底板水壓力作用下的底板剪切和拉伸破壞圖。
圖9為本發明實施例的不同水平位置處的底板破壞深度與水壓力關系。
圖10為本發明實施例的不同水平位置處的底板破壞深度與隔水層厚度關系。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
一種能考慮承壓水壓力作用下的采場底板破壞深度的計算方法,其特征在于,包括以下步驟:
1)選取模型計算范圍;
2)分別定義支撐壓力和底板水壓力的作用范圍和荷載分布形式;
3)定義計算范圍內底板巖體材料屬性;
4)設定底板應力分量是由礦壓和水壓引起的附加應力和原巖應力的疊加;
5)依據彈性半空間理論的符拉芒解和明德林解推導出由支撐壓力和水壓力作用下的底板附加應力分量;
6)根據應力求解結果,選擇帶拉伸屈服的mohr-coulomb準則對底板破壞深度進行計算,得出底板剪切和拉伸破壞深度和范圍。
所述的步驟1)中的模型建立的原則為:
沿工作面推進方向,建立采場力學模型。同時滿足平面應變求解條件,即工作面推進長度應是其斜長的1/4或更小;沿模型豎向,模型高度取決底板隔水層厚度。
所述的步驟2)中,將支撐壓力等效為一定寬度的均布荷載,如圖1所示,其載荷集度為(n+1)γh/2(式中γ為上覆巖土體平均重度;h為煤層埋深;n為最大應力集中系數,一般取值2~3);l1、l3為等效支撐壓力區,等效區的寬度為采空區端部到支撐壓力峰值位置處這一距離的兩倍;底板受承壓水作用,l2-l3為工作面推進距離。
底板承壓水視為均布荷載,其作用范圍為采空區長和兩邊等效支撐壓力作用寬度之和,即圖1中的l1+l2范圍。
所述的步驟3)中模型材料屬性為均質各向同性的彈性體,巖體塑性屈服符合mohr-coumlob屈服準則和最大拉應力屈服準則。
所述的步驟4)中采場底板應力分量是由外荷載(支撐壓力和水壓力)引起的附加應力和其原巖應力的疊加組成。
所述的步驟5)中,將支撐壓力減去上覆原巖壓力,煤體側所受到支撐壓力增量如圖2所示。依據符拉芒解可推導出其在底板中引起附加應力分量為:
Δσz1=(1-n)γh2π[arctanxz-arctan(x+l1z)+xzx2+z2-z(x+l1)z2+(x+l1)2]+γhπ[arctanxz-arctan(x-l2+l3z)+xzx2+z2-z(x-l2+l3)z2+(x-l2+l3)2]+(1-n)γh2π[-arctan(x-l2z)+arctan(x-l2+l3z)+z(x-l2+l3)z2+(x-l2+l3)2-z(x-l2)z2+(x-l2)2]Δσx1=(1-n)γh2π[arctanxz-arctan(x+l1z)-xzx2+z2+z(x+l1)z2+(x+l1)2]+γhπ[arctanxz-arctan(x-l2+l3z)-xzx2+z2+z(x-l2+l3)z2+(x-l2+l3)2]+(1-n)γh2π[-arctan(x-l2z)+arctan(x-l2+l3z)-z(x-l2+l3)z2+(x-l2+l3)2+z(x-l2)z2+(x-l2)2]Δτxz1=(1-n)γh2π[z2z2+(x+l1)2-z2z2+x2]+γhπ[z2z2+(x-l2+l3)2-z2z2+x2]+(1-n)γh2π[z2z2+(x-l2)2-z2z2+(x-l2+l3)2]]]>
所述的步驟5)中,水壓力在底板中引起的附加應力的求解,可以以由明德林解推導出的彈性半空間體內豎向均布線荷載作用時產生的附加應力解為基礎,在條形荷載作用寬度上運用積分法(圖3)可求出,其應力分量為:

式中,p為水壓力;d為底板隔水層厚度;v為底板巖體的泊松比。
依據彈性力學疊加原理,由支撐壓力以及水壓力在底板中引起的附加應力, 加上相應的原巖應力,可得底板下任一點的應力分量為:
σz=Δσz1+Δσz2+γh+γ'z
σx=Δσx1+Δσx2+k0(γh+γ'z)
τxz=Δτxz1+Δτxz2
式中,γ’為底板巖體平均重度。
所述的步驟6)中的屈服準則選用的是剪切和拉伸的復合判據,計算中優先判別拉伸破壞的發生。其屈服表達式為:
fs=σ1-σ3Nφ-2cNφft=σ3-σt]]>
式中,c為底板巖體的內粘聚力;為底板巖體的內摩擦角。
實施例
某煤礦一工作面,走向長壁法采煤,頂板管理為全部垮落法,工作面斜長為240m。經礦壓觀測,工作面初次來壓步距為40m,最大應力集中系數n=3,且位于工作面前方7.5m處。煤層埋深h=500m,上覆巖土體平均重度γ=20kN/m3,底板隔水層厚d=40m,隔水底板承受的最大靜水壓力為5MPa,側壓力系數k0為0.5,試求初次來壓期間采場底板破壞深度,并探討水壓力和底板隔水層厚對計算結果的影響。
根據步驟1),由圖4所示,沿工作面推進方向模型的計算范圍可定為,l1=l3=15m,工作面推進距離為40m,同時選取25m寬度的原巖應力區;在模型豎直方向,取d=40m。
根據步驟2),支撐壓力等效為均布荷載,其強度為2γh,等效寬度為l1=l3=15m;水壓力視為均布荷載,強度為5MPa,作用寬度為l1+l2=70m。
根據步驟3),底板巖體參數如表1所示
表1底板巖體參數

依據步驟4)、5),計算得出當水壓力p為0MPa、1MPa、2MPa、3MPa、4MPa和5MPa時,得到相同深度底板(z=10m)下垂直應力σz、水平應力σx以及剪應力 τxz在x方向上的分布規律如附圖4到附圖6所示。從圖中可看出,水壓力作用下,底板垂直應力σz和剪應力τxz出現應力略微集中,而水平應力σx則出現明顯的應力擴散現象,表明水壓力對底板垂直應力和剪應力影響較小,而對水平應力影響較大。
依據步驟6),計算得出當水壓力p為0MPa和5MPa時,底板破壞區分布情況如附圖7和8所示。
從附圖7和附圖8中可以看出,有無水壓力的作用,底板的剪切破壞形式總體相似。破壞區域在采空區兩端呈對稱分布。在支撐壓力區段,底板的剪切破壞深度大,而位于采空區卸壓區段,底板剪切破壞深度相對較小。彎拉破壞區域主要發生在采空區卸壓區段,但其破壞形式受水壓力的影響較為顯著。水壓力作用下的底板剪切和拉伸破壞深度和范圍遠大于無水壓力的情況。考慮水壓力作用時,本文算例中,底板最大剪切和拉伸破壞深度分別為24m和12m,遠遠大于不考慮水壓力影響下的15m剪切破壞深度和5m拉伸破壞深度。以上計算結果表明,承壓水上采煤采場底板破壞深度的預計不可忽視承壓水的作用。
依據圖4建立的坐標系,選取x=-5m、0m和20m區段,分別給出了底板破壞深度與水壓力和隔水層厚度的關系,如附圖9和10所示。
從附圖9和附圖10中可以看出,隨著水壓力的增大,底板破壞深度和范圍增大明顯;而隨著隔水層厚度的增大,底板破壞深度總體呈下降趨勢,但下降幅度較小,計算結果表明加大隔水層厚度并不能有效降低底板破壞深度。從以上分析可以看出,高承壓水上采煤時,采用疏水降壓的措施比增大隔水層厚度將更有利于提高帶壓開采的安全系數。
實例應用
皖北煤電集團劉橋二礦2614工作面位于261采區中上部東側,主采6煤層,平均埋深470m。該工作面走向長733m,傾向寬190m,平均采高3m,煤層平均傾角7°,為近水平煤層。煤層下伏平均47m為太原組灰巖高承壓含水層,隔水底板承受的最大靜水壓力為3MPa。隔水層巖性主要為細砂巖、粉砂巖和海相泥巖。根據工作面礦壓觀測可知,初次來壓步距為30m,最大應力集中系數n=2.8,且位于工作面前方8.5m處,即計算中可取l1=l3=17m。根據底板巖層厚度分布情況,采用權重計算底板巖體的平均物理力學參數,即
R‾=Σi=1nhiRiΣi=1nhi]]>
式中,hi底板第i分層厚度;Ri為第i層的力學參數。
根據室內巖石物理力學性質測試資料,經式(10)換算,并考慮巖體的尺寸效應,對室內獲取的巖塊強度參數按1/4折減(彭蘇萍,2001),最終得到底板巖層的平均重度γ=2450kN/m3、c=2.2MPa、σt=0.6MPa、v=0.32,取k0=0.5、γ'=2000kN/m3,以下對老頂初次來壓期間底板的最大破壞深度進行計算。
采用上述考慮水壓作用下的采場底板破壞深度的計算方法分析,計算得出當考慮水壓力作用時的底板最大破壞深度為13.5m,為剪切破壞;當不考慮水壓時的底板最大破壞深度只有8.6m,同樣為剪切破壞。并將計算結果與現場震波CT探測進行了對比。現場震波CT探測技術探得底板最大破壞深度為14.9m,與本文考慮水壓力作用下的底板破壞深度解析解的計算結果較為吻合。
上述實例計算結果顯示,不考慮水壓作用下的底板采動破壞深度計算結果與現場實際出入較大,而采用考慮水壓作用下的底板破壞計算方法分析,得到的計算結果與現場實測結果較為吻合,從而驗證了本發明技術方案的正確性。

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考慮 水壓 力作 底板 破壞 深度 計算方法
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