礦井工作面過斷層的力學(xué)模型與分析

屈慶意　周義丁　李子易　張成明　徐曼

摘 要：

采用理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，建立在采動影響下含斷層頂板的力學(xué)模型，根據(jù)工作面推進方向與斷層傾角間的相互關(guān)系，將斷層分為正向斷層和反向斷層兩類，分析在工作面推進過程中巖體的應(yīng)力、變形和斷層處的受力以及含斷層頂板的初次破斷和周期破斷的問題。對于含斷層頂板的礦壓顯現(xiàn)，運用梁理論和數(shù)值分析，對工作面過斷層進行力學(xué)受力分析，推導(dǎo)破斷距表達式，分析斷層面的受力情況及破壞方式。

關(guān)鍵詞：

數(shù)值分析；正向斷層；逆向斷層；初次破斷；周期破斷

中圖分類號：TB

文獻標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.10.091

1 問題描述

工作面過斷層是礦壓顯現(xiàn)最敏感的階段。建立力學(xué)模型并進行解析分析，可以使我們獲得一些比較規(guī)律性的結(jié)果，這利于我們在一個較大的范圍內(nèi)對斷層周圍的巖體中的應(yīng)力位移響應(yīng)獲得初步了解，從而幫助我們進行仿真分析和現(xiàn)場勘測。斷層影響下的頂板力學(xué)模型如圖1。

關(guān)于含斷層的頂板的力學(xué)建模，其中比較重要的一點是判定開采方向與斷層傾向是否一致。開采方向與斷層傾角是否一致將形成完全不同的礦壓顯現(xiàn)和失穩(wěn)方式。本文把開采推進方向與斷層傾角小于90°的斷層稱之為正向斷層，把開采推進方向與斷層傾角大于90°的斷層稱之為反向斷層，在此僅研究正向斷層問題。

2 正向斷層的礦壓顯現(xiàn)

在考慮破斷距的情況下，可以忽略斷層處幾何形狀的影響，而直接以相應(yīng)的約束或作用力F、P1、P2為載荷集度，P1代表上覆巖層對頂板的作用力，P2代表煤層對于頂板的作用力。量綱：力/長度。a為對梁有作用力時的煤壁長度，采空區(qū)和煤壁的總長度為l。

2.1 初次破斷

由于斷層的存在，頂板已經(jīng)“斷”了，含斷層頂板的初次破斷可以看作一個懸臂梁。當(dāng)不考慮煤層的彈性基礎(chǔ)作用代以相應(yīng)的作用力時，則模型可以簡化為圖2。

其中σ（x）為該處巖層最下方的應(yīng)力。

假設(shè)l=50m，a=20m，巖層高度h=1m，P1=25000N/m， P2=42000N/m，F(xiàn)=40000N/m。用CAD做出彎矩、應(yīng)力變化曲線，如圖3、圖4?？梢钥闯鰪澗豈（x）、應(yīng)力σ（x）隨x呈二次曲線變化。計算可得最大彎矩發(fā)生在梁的中段部分，大約在17.5m值為最大；但是當(dāng)工作面推進至斷層下方時，最大彎矩將發(fā)生在懸臂端。

2.2 周期破斷

初次斷裂以后，左端的固定端約束改變?yōu)橹С屑s束。不考慮煤層的彈性基礎(chǔ)作用而代以相應(yīng)的作用力，模型可以簡化如圖5模式。

根據(jù)正斷層的幾何形狀和受力情況，正斷層周期破裂時可以分為破斷和回轉(zhuǎn)兩種形式，此處不再詳細講解。

2.3 斷層處力學(xué)分析

3 結(jié)論

正向斷層的初次破斷，可以模擬成懸臂梁模型。當(dāng)存在煤支撐作用時，最大彎矩面（破斷面）發(fā)生在梁的中部。而當(dāng)工作面推進到斷層下方時，煤體的支撐作用消失，破斷將會發(fā)生在梁懸臂端。正向斷層的周期破斷，可以模擬成簡支梁模型，當(dāng)存在煤支撐作用時，最大彎矩面（破斷面）仍發(fā)生在梁的中部，而當(dāng)工作面推進到斷層下方時，由于煤壁的破壞，將會導(dǎo)致頂板發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。

參考文獻

[1]徐芝綸.彈性力學(xué)簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]劉鴻文.材料力學(xué)[M].第四版.北京：高等教育出版社，2003.

[3]錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制[M]. 北京：煤炭工業(yè)出版社，1984.

[4]謝和平，陳忠輝.巖石力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[5]王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997.