考虑围岩力学性质梯度特征的支承压力分布及影响因素.pdf

分类号分类号TD322TD322密密级级公公 开开 U DU D C C单位代码单位代码1041042424 学学 位位 论论 文文 考虑围岩力学性质梯度特征的支承压力分考虑围岩力学性质梯度特征的支承压力分考虑围岩力学性质梯度特征的支承压力分考虑围岩力学性质梯度特征的支承压力分 布及影响因素布及影响因素布及影响因素布及影响因素 孙孙 伟伟 芳芳 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称工程力学工程力学 指导教师姓名指导教师姓名谭谭 云云 亮亮职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二二 OOOO 九年六月九年六月 论文题目论文题目论文题目论文题目 国家自然科学基金（国家自然科学基金（No.5067063No.5067063No.5067063No.5067063）） 山东省自然科学基金重点项目（山东省自然科学基金重点项目（Z2008F01Z2008F01Z2008F01Z2008F01）） 考虑围岩力学性质梯度特征的支承压力分考虑围岩力学性质梯度特征的支承压力分考虑围岩力学性质梯度特征的支承压力分考虑围岩力学性质梯度特征的支承压力分 布及影响因素布及影响因素布及影响因素布及影响因素 作者姓名作者姓名作者姓名作者姓名孙孙 伟伟 芳芳入学时间入学时间入学时间入学时间2006200620062006 年年 9 9 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称专业名称工程力学工程力学研究方向研究方向研究方向研究方向计算力学及应用软件计算力学及应用软件 指导教师指导教师指导教师指导教师谭谭 云云 亮亮职职职职称称称称教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期论文提交日期2009200920092009 年年 6 6 6 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期2009200920092009 年年 6 6 6 6 月月 12121212 日日 授予学位日期授予学位日期授予学位日期授予学位日期 RESEARCHRESEARCHRESEARCHRESEARCH ONONONONABUTMENTABUTMENTABUTMENTABUTMENTPRESSUREPRESSUREPRESSUREPRESSUREDISTRIBUTIONDISTRIBUTIONDISTRIBUTIONDISTRIBUTIONLAWLAWLAWLAW ANDANDANDANDINFLUENCINGINFLUENCINGINFLUENCINGINFLUENCING FACTORFACTORFACTORFACTOROFOFOFOF THETHETHETHESURROUNDINGSURROUNDINGSURROUNDINGSURROUNDING ROCKROCKROCKROCK BASEDBASEDBASEDBASEDONONONON MMMMECHANICALECHANICALECHANICALECHANICAL PROPERTIESPROPERTIESPROPERTIESPROPERTIESGRADEDGRADEDGRADEDGRADEDFEATURESFEATURESFEATURESFEATURES A A A ADissertationDissertationDissertationDissertation tedtedtedted inininin fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirementsofofofof thethethethe degreedegreedegreedegreeofofofof MASTERMASTERMASTERMASTEROFOFOFOF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY fromfromfromfrom ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand TechnologyTechnologyTechnologyTechnology b b b by y y y S S S SununununWeifangWeifangWeifangWeifang SupervisorSupervisorSupervisorSupervisor ProfessorProfessorProfessorProfessorTanTanTanTanYunliangYunliangYunliangYunliang CollegeCollegeCollegeCollege ofofofof NaturalNaturalNaturalNatural ResourcesResourcesResourcesResourcesandandandand EnvironmentalEnvironmentalEnvironmentalEnvironmental EngineeringEngineeringEngineeringEngineering JuneJuneJuneJune 2009200920092009 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclaredeclare thatthatthatthat thisthisthisthis dissertation,dissertation,dissertation,dissertation, tedtedtedted inininin fulfillmentfulfillmentfulfillmentfulfillment ofofofof thethethethe requirementsrequirementsrequirementsrequirements forforforfor thethethethe awardawardawardaward ofofofof MasterMasterMasterMaster ofofofof PhilosophyPhilosophyPhilosophyPhilosophy inininin ShandongShandongShandongShandong UniversityUniversityUniversityUniversity ofofofof ScienceScienceScienceScience andandandand Technology,Technology,Technology,Technology, is is is is whollywhollywhollywholly mymymymy ownownownown workworkworkwork unlessunlessunlessunless referencedreferencedreferencedreferenced ofofofof acknowledge.acknowledge.acknowledge.acknowledge. TheTheTheThe documentdocumentdocumentdocument hashashashas notnotnotnot beenbeenbeenbeen tedtedtedted forforforfor qualificationqualificationqualificationqualification atatatat anyanyanyany otherotherotherother academicacademicacademicacademic institute.institute.institute.institute. SignatureSignatureSignatureSignature DateDateDateDate 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 采场周围煤（岩）体在其力学平衡被打破时，围岩抵抗变形的能力，随着距工作面 距离的不同，自表向里其承载和抗变形的能力有增大的趋势，具有明显的梯度变化的特 征。本文从这一角度出发，以弹塑性力学知识为基础，将煤矿开采理论、与现代岩石力 学理论相结合，通过研究分析和数值模拟的方法，对支承压力分布的力学性质梯度特征 进行研究。 利用 ANSYS 有限元分析软件，建立围岩的弹性模量随岩体厚度呈梯度变化的平面 应变模型，研究分析考虑围岩力学性质梯度特征时，采深、断层分布、采高等因素对围 岩支承压力分布的影响。 巷道开挖后，围岩发生卸载破坏，在塑性区内围岩的弹性模量呈现出梯度变化的特 征。对考虑围岩力学性质梯度特征的支承压力分布进行模拟分析，研究表明将围岩力学 参数按照梯度变化处理是合理的、可行的，并得出相应的变化规律。同时得出了考虑围 岩力学性质梯度特征时，围岩支承压力在采深、断层、采高影响下的分布规律。该研究 成果无论是对围岩破坏及其控制的理论研究还是工程实践都有一定的意义与推广价值。 关键词关键词围岩，力学性质梯度，支承压力分布，数值模拟 山东科技大学硕士学位论文摘要 AbstractAbstractAbstractAbstract When the mechanical balance of the coal mining rock around the Field was broken， with the different distance from the face, the ability of surrounding rock to resist deation has a trend of increasing from the outside to inside , and with the characteristics of significant changes in the gradient . From this perspective, basing on the knowledge of elasto plastic science, cooperating with the theory of coal mining, the theory of mechanical properties graded and the modern theory of rock mechanics, the article studies the abutment pressure distribution of the surrounding rock based on mechanical properties graded features through the s of theoretical analysis and numerical simulation. Making use of the analysis software of ANSYS finite element, Establish the plane strain model that the Elasticity coefficient was changing with the thickness of the surrounding rock, to analyze the effect ofthe mining depth, height and the fault distribution to the force of support from the surrounding rock. When the mechanical parameters of surrounding rock is changing in non-linear as power function, the tangential stress concentration factor is closest to the theoretical value, and proving its reasonableness and get thetrue. At the same time, the rule ofthe force of support from the surrounding rockaccording tothe mining depth, height and the fault distributioncan be got. So not only to the theory of surrounding rock failure and controlling, but also toproject practice,the results of this paper have importantsignificance and expanding value. KeyKeyKeyKeywordswordswordswordssurrounding rock,graded, abutment pressure distribution, numerical simulation 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 1 1 1 绪绪绪绪论论论论1 1 1 1 1.1 课题的提出及研究意义1 1.2 国内外研究现状2 1.3 课题主要研究内容5 1.4 课题研究方法5 2 2 2 2 围岩支承压力分布的基本规律研究围岩支承压力分布的基本规律研究围岩支承压力分布的基本规律研究围岩支承压力分布的基本规律研究6 6 6 6 2.1 围岩破坏机理6 2.2 工作面前后方支承压力的分布12 2.3 影响围岩支承压力显现的主要因素14 2.4 本章小结16 3 3 3 3 围岩力学性质梯度特征的分析研究围岩力学性质梯度特征的分析研究围岩力学性质梯度特征的分析研究围岩力学性质梯度特征的分析研究17171717 3.1 围岩力学性质梯度特征的分析17 3.2 圆形洞室周围的应力分布18 3.3 基于围岩力学性质梯度特征的支承应力分析21 3.4 本章小结24 4 4 4 4 基于围岩力学性质梯度特征的支承压力分布数值模拟研究基于围岩力学性质梯度特征的支承压力分布数值模拟研究基于围岩力学性质梯度特征的支承压力分布数值模拟研究基于围岩力学性质梯度特征的支承压力分布数值模拟研究25252525 4.1 ANSYS 有限元分析方法25 4.2 不同采深下支承应力分布的数值模拟研究30 4.3 不同断层构造对支承应力分布的数值模拟研究42 4.4 不同采高下支承应力分布的数值模拟研究55 4.5 本章小结68 5 5 5 5 主要结论及讨论主要结论及讨论主要结论及讨论主要结论及讨论70707070 5.1 主要结论70 山东科技大学硕士学位论文目录 5.2 创新点71 5.3 不足与展望71 参考文献参考文献参考文献参考文献72727272 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果76767676 致致致致谢谢谢谢77777777 山东科技大学硕士学位论文目录 ContentsContentsContentsContents 1 1 1 1I I I Introductionntroductionntroductionntroduction 1 1 1 1 1.1The significance of study and choosing project1 1.2History and Present Situation of the Study2 1.3The main study content5 1.4The study 5 2 2 2 2ResearchResearchResearchResearch onononon thethethethe basicbasicbasicbasic lawlawlawlaw ofofofof abutmentabutmentabutmentabutment pressurepressurepressurepressure ofofofof surroundingsurroundingsurroundingsurrounding rockrockrockrock6 6 6 6 2.1Broken mechanism of the surrounding rock6 2.2Abutment pressure distribution before and after the working face12 2.3The main factors of impact abutment pressure appearance14 2.4Brief summary16 3 3 3 3StudyStudyStudyStudy ofofofof thethethethe surroundingsurroundingsurroundingsurrounding rockrockrockrock basedbasedbasedbased onononon mechanicalmechanicalmechanicalmechanical propertiespropertiespropertiesproperties gradedgradedgradedgraded featuresfeaturesfeaturesfeatures17171717 3.1Theoretical analysis of the surrounding rock based on mechanical properties graded features17 3.2Stress distribution around the circular roadway 18 3.3abutmentpressure analysis based on mechanical properties graded features21 3.4Brief summary24 4 4 4 4NumericalNumericalNumericalNumerical simulationsimulationsimulationsimulation thethethethe abutmentabutmentabutmentabutment pressurepressurepressurepressure ofofofof thethethethe surroundingsurroundingsurroundingsurrounding rockrockrockrock basedbasedbasedbased onononon mechanicalmechanicalmechanicalmechanical propertiespropertiespropertiesproperties gradedgradedgradedgraded featuresfeaturesfeaturesfeatures 25252525 4.1Finite element analysis s of ANSYS25 4.2Numerical simulation of abutment pressure distribution in different mining depth30 4.3Numerical simulation of abutment pressure distribution in rock with fault42 4.4Numerical simulation of abutment pressure distribution in different mining height55 4.5Brief summary68 5 5 5 5MainMainMainMain ResearchResearchResearchResearch ConclusionConclusionConclusionConclusion andandandand discussiondiscussiondiscussiondiscussion70707070 5.1Main Research Result70 5.2Innovation 71 5.3Prospect71 山东科技大学硕士学位论文目录 ThanksThanksThanksThanks 72727272 PublishedPublishedPublishedPublished paperspaperspaperspapers duringduringduringduring mastermastermastermaster studystudystudystudy 76767676 ReferenceReferenceReferenceReference 77777777 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 煤矿安全生产是煤炭行业的头等大事，矿山压力及其显现一直都是影响煤矿安全生 产及提高经济效益的重要因素。矿山压力是一个复杂的力学现象，其影响因素众多，对 其研究存在很大的难度。采场支承压力是引起矿山压力显现的重要组成部分，其对开采 煤层、顶底板及其作用范围内的煤岩层都会产生很大的影响。 在煤层开采过程中，支承压力引起的采场围岩变形，对巷道维护和回采工作面落煤 有直接影响，且对冲击地压、煤与瓦斯突出以及顶板的完整性、支架受力大小等也有直 接影响，因此采场支承压力分布规律是矿山压力控制的重要研究内容[1]。目前确定支承 压力分布规律的方法，主要包括巷道变形量观测和支架载荷测量及应力测量法，相似材 料模拟和数值模拟及弹性简化计算[2-6]，用实测和物理模拟的方法研究采场支承压力分 布规律既有可靠性，又有局限性。 深入研究采场支承压力分布规律，对采场的合理支护、巷道开挖与支护方式的选择 及支承压力相关的动力灾害事故防治，均具有重要的理论意义和工程应用价值[1]。目前 对支承压力分布规律的研究，一般都基于经典弹塑性理论，把围岩划分成若干个区域， 最典型的是分成弹性区和塑性区，然后根据弹性理论和塑性理论计算支承压力分布，研 究其分布规律。但是在实际情况下，在煤层开采推进的过程中，距工作面距离的不同， 围岩抵抗变形的能力也不同，自表向里其承载和抗变形的能力有增大的趋势，具有明显 的梯度变化的特征。而在在工程上，弹性模量是材料刚度的度量，是物体变形难易程度 的表征。本文正是从这一角度出发，将煤矿开采理论、现代岩石力学理论相结合，通过 分析和数值模拟的方法，建立围岩的弹性模量随岩体厚度呈梯度变化的模型，研究支承 压力分布规律。 目前， 我国煤矿顶板事故在整个煤矿安全事故中所占比重超过40， 每年顶板事故影 响的产量约占总产量的5。其它煤矿重大事故如冲击地压、突水等，都与开采引起的矿 山压力密切相关。与此同时，由于矿山压力及岩层情况不清，而浪费在工作面顶板管理 和巷道维护上的人力和财力更难以估计。 因此， 结合我国煤矿特点进行矿山压力的研究， 是关系到煤矿安全生产及提高经济效益的大事。充分考虑深部采动巷道围岩破裂区域力 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 学参数呈梯度分布的特征， 研究其支承压力分布规律， 这对深部开采具有重要应用价值。 1.21.21.21.2 国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状 影响支承压力的参数很多，主要有与开采深度有关的原岩应力、采空区的形状和尺 寸、采空区上覆岩层的性质及动态、煤柱的强度及其周围采动状况以及煤层的开采厚度 等。 1.2.11.2.11.2.11.2.1 现场观测现场观测现场观测现场观测 大量的现场观测和相似模拟等研究表明[8-14]，随开采厚度的增加，支承压力范围增 大，峰值点离工作面煤壁愈远，且煤的强度愈低，支承压力分布范围愈大，峰值离煤壁 愈远。 陆士良教授研究认为[15]，采空侧留设的护巷煤柱受相邻工作面支承压力分布影响。 为使煤柱处于稳定状态，煤柱的宽度应大于巷道开挖所形成的塑性区宽度和相邻工作面 开采在煤柱采空区边缘形成的塑性区，煤柱中间应有一定弹性宽度，煤柱上的应力呈双 峰分布。 翟新献教授研究认为[16-17]， 综放开采时， 砌体梁结构仍然存在， 但其位置远离采场 ， 并在上位直接顶中，可以形成“半拱”式小结构，对采场造成影响，随工作面的推进， 老顶岩梁形成“三铰拱”的砌体梁结构，“三铰拱”的失稳造成了初次来压和周期来压。 张顶立教授、钱鸣高院士研究认为[18-21]，综放采场直接顶垮落后形成不稳定的“类 拱”式结构图，且随机性的失稳。这种“类拱”结构随工作面的推进不断地形成和失稳， 从而造成工作面周期性变化的压力显现， “类拱”式结构失稳垮落的高度决定了采场矿压 显现的剧烈程度。 1.2.21.2.21.2.21.2.2 理论分析理论分析理论分析理论分析 靳钟铭教授应用弹塑性理论建立了综放面走向塑性区和弹性区支承压力分布规律方 程式，并认为支承压力与煤厚成正比，即随煤层厚度的增大，支承压力降低[22-25]。 塑性区 （1.1） 12 1 12 2 z k k s kk m σ 弹性区 山东科技大学硕士学位论文绪论 3 （1.2） 0 2 exp z f krHxx m σ β ⎡⎤ − ⎢⎥ ⎣⎦ 式中支承压力；直接顶刚度；煤体刚度 z σ 1 k 2 k 应力集中系数；直接顶的初次下沉，即煤体压缩量；k 1 s 支承压力峰值距工作面煤壁距离；煤层厚度；系数 。 0 xmβ （1.3） ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −− 22 0 2 2/2/ 2/1 mmxx m u u β 侯朝炯、柏建彪、王卫军等研究认为[26-30]，采空区边缘巷道上覆岩层与巷道支架存 在大小结构关系，认为当煤与直接顶厚度较大时，支承压力相对较高、影响范围较大。 并应用损伤力学本构关系建立了给定变形条件下超前支承压力和侧向支承压力。表 1 σ 1 σ 达式（1.4）及（1.5），认为当煤与直接顶厚度较大时，支承压力相对较高、影响范围 较大[24]。 （1.4） ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − m b b E x c h xa c h xa E x 0 3 1 1 1 1 31 2 40 1 exp exp 40 1 exp 2 1 1 1 ε σ σσ （1.5） ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − m b b E y c h xa c h xa E y 0 3 2 2 2 2 3 1 2 40 1 exp exp 40 1 exp 2 1 21 2 ε σ σσ 式中煤岩围压；某点的走向距离；该点的倾向距离； 3 σxy 直接顶与煤层的厚度；Weibull分布标度与形态参数；h 0 ,m ε ,,,,,待定常数。 1 a 2 a 1 b 2 b 1 c 2 c 宋振骐院士研究认为[31-33]，由于放顶煤采出煤层厚度增加，支承压力出现内应力场 的可能性和外应力场所延伸的范围都比分层开采大的多；内应力场范围与开采厚度成正 比；顶煤的实际回收情况对采场结构组成状态及相关参数的影响很大，在放顶煤开采条 件下，跨落的直接顶厚度与采空区残留的浮煤高度间的关系式可用式（1.6）表示 山东科技大学硕士学位论文绪论 4 （1.6） 1 TdAf z A hhSh m K − − 式中直接顶厚度；顶煤厚度；底煤厚度； z m T h d h 岩石接触矸点的沉降值；冒落岩石的碎胀系数。 A S A K 谢和平院士、陈忠辉博士类比不同围岩条件下岩石的应力应变本构关系，根据损伤 理论建立给定变形下的工作面支承压力分布规律[34-38]，如式（1.7）所示。认为煤岩的 性质对支承压力影响最大，而顶煤和直接顶厚度影响甚微。 （1.7） 0 1 2 exp 2 m b h b zn ax ax hE E h σ ε σσε ε ⎛⎞ − ⎜⎟ ⎛⎞ −⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠ 式中支承压力；煤岩围压，相当水平应力； z σ h σ 距煤壁的距离；煤岩的变形曲线参数；x,a b 原岩应变；顶煤和直接顶高度； εh 煤岩弹性模量；煤岩体本构关系的形态系数。E 0 ,m ε 闫少宏博士应用有限变形理论分析认为[39]，放顶煤高位岩层形成宏观连续的“挤压 拱”式平衡结构，该拱走向随采场推进，规律地开裂，在横向保持很好的力传递关系。 邓广哲通过相似材料模拟和理论分析研究认为[40-45]， 放顶煤采场中随工作面推进和 顶煤的不断放出，上覆岩层的破断运动具有明确的二次结构运动特征。由于一次开采空 间的增大，老顶岩层的破断回转缺少有效支撑而失稳，使破断范围向更高的范围延伸， 从空间形态而言，上覆岩层在形成砌体梁结构回转失稳的二次结构为拱壳结构。 1.2.31.2.31.2.31.2.3 数值模拟数值模拟数值模拟数值模拟 陈忠辉博士、谢和平院士通过数值模拟分析认为[46-50]，支承压力具有明显的分区特 征，顶煤的始动点就是支承压力的峰值位置，支承压力分布范围较广，其峰值位置位于 煤壁前方5-7m处。 吴健教授等通过三维相似模拟和数值模拟研究认为[51-53]， 综放面煤体和上覆岩层受 到支承压力作用影响而产生压力增加的初始位置是相同的， 应力明显增加的趋势也相似。 上覆岩层所形成的大变形梁与开采厚度不成线性关系，工作面顶煤在工作面前方一定位 山东科技大学硕士学位论文绪论 5 置位于卸压区。 1.31.31.31.3 课题主要研究内容课题主要研究内容课题主要研究内容课题主要研究内容 本论文的主要研究内容是 1）研究围岩破坏机理，分析围岩支承压力分布的规律特点，并进行总结和归纳，从 而得出影响围岩支承压力显现的主要因素