重复采动下煤层顶板裂隙岩体的变形规律研究.pdf

万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 目 录 摘 要........................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 1 文献综述.................................................................................................................... 1 1.1 研究背景 .............................................................................................................. 1 1.2 研究意义和目的 .................................................................................................. 2 1.3 国内外研究现状与存在的问题 .......................................................................... 2 1.3.1 研究现状 ....................................................................................................... 2 1.3.2 存在的问题 ................................................................................................... 4 1.4 研究内容、方法及技术路线 .............................................................................. 4 1.4.1 研究内容 ....................................................................................................... 4 1.4.2 研究方法 ....................................................................................................... 4 1.4.3 技术路线 ....................................................................................................... 5 1.5 预期结果 .............................................................................................................. 6 1.6 文章创新点 .......................................................................................................... 6 2 裂隙岩体变形与强度特征分析................................................................................ 7 2.1 概述 ...................................................................................................................... 7 2.2 变形特征 .............................................................................................................. 7 2.2.1 岩石的变形特征 ........................................................................................... 7 2.2.2 裂隙面的变形特征 ....................................................................................... 9 2.2.3 裂隙岩体的变形特征 ................................................................................. 10 2.3 强度特征 ............................................................................................................ 11 2.3.1 单一裂隙岩体强度特征 ............................................................................. 11 2.3.2 两组或多组裂隙岩体的强度特征 ............................................................. 17 2.4 本章小结 ............................................................................................................ 18 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 3 裂隙结构面的提取及分析...................................................................................... 19 3.1 全景图像的处理流程 ........................................................................................ 19 3.2 钻孔全景图像的获取 ........................................................................................ 20 3.3 钻孔全景图像预处理 ........................................................................................ 20 3.3.1 图像去噪 ..................................................................................................... 21 3.3.2 图像对比度增强 ......................................................................................... 21 3.4 钻孔全景图像展开及拼接 ................................................................................ 21 3.4.1 图像展开 .................................................................................................... 22 3.4.2 图像拼接 .................................................................................................... 25 3.5 钻孔壁图分析及结构面统计 ............................................................................ 26 3.5.1 结构面产状计算 ......................................................................................... 26 3.5.2 结构面隙宽的计算 .................................................................................... 27 3.5.3 结构面间距的计算 .................................................................................... 28 3.5.4 具体结构面信息计算 ................................................................................ 29 3.6 孔壁钻孔结构面统计 ........................................................................................ 30 3.7 本章小结 ............................................................................................................ 32 4 裂隙岩体各项力学参数确定.................................................................................. 33 4.1 前言 .................................................................................................................... 33 4.2 工作面概况 ........................................................................................................ 33 4.2.1 工作面地质概况 ......................................................................................... 33 4.2.2 工作面煤层赋存情况 ................................................................................. 33 4.2.3 研究岩层岩块力学参数获得 ..................................................................... 34 4.3 裂隙岩体力学参数确定方法 ............................................................................ 34 4.3.1 岩体分类指标 RMR ................................................................................... 35 4.3.2 IRMI 取代 RQD .......................................................................................... 36 4.4 基于 Hoek-Brown 强度准则的岩体力学参数确定 ........................................ 39 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III 4.4.1 Hoek-Brown 强度准则 ............................................................................... 39 4.4.2 Hoek-Brown 强度准则确定岩体力学参数 ............................................... 41 4.5 本章小结 ........................................................................................................... 44 5 数值模拟与实际结果对比分析研究...................................................................... 45 5.1 前言 .................................................................................................................... 45 5.2 Flac3D 数值模拟软件简介 ............................................................................... 45 5.3 数值模型及模拟方案 ........................................................................................ 45 5.3.1 模型建立 ..................................................................................................... 45 5.3.2 初始应力及边界条件 ................................................................................. 46 5.3.3 数值模拟方案及岩体力学参数 ................................................................. 46 5.4 数值模拟计算结果及分析 ................................................................................ 47 5.5 理论计算结果与实际观测数据分析 ................................................................ 50 5.6 本章小结 ............................................................................................................ 52 结 论...................................................................................................................... 53 参考文献...................................................................................................................... 55 在学校期间研究成果.................................................................................................. 60 致 谢...................................................................................................................... 61 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 煤矿开采必然伴随着地应力的重新分布， 而每一次的重新稳定过程必然会对 附近煤岩体造成一定扰动影响， 在重复采动影响下， 岩层经历再次变形和破坏后， 煤岩体的结构特征和稳定性发生变化。 本文基于受重复采动过程影响下的钻孔图 像处理，重点研究重复采动下煤层顶板裂隙岩体的变形规律。 通过数值模拟和理论计算结果对比，以工程实测变形量结果为基准，对覆岩 裂隙岩体变形规律进行分析。对煤层顶板钻孔全景图像处理，得到测点全景展开 图，再通过计算产状信息，H-B 强度准则计算顶板煤岩体力学参数。通过理论计 算与FLAC3D数值模拟软件对重复采动工况下覆岩裂隙岩体变形状况进行模拟， 得到顶板变形量。 （1）根据记录观测点的钻孔全景图像，通过一系列图像处理，实现全景图 像的平面化展开，得到顶板特定观测点的钻孔全景展开图； （2）根据得到的钻孔全景展开图，提取研究所需的裂隙结构面，然后对裂 隙结构面进行分析与计算，得到它的基本产状信息； （3）以实验室观测同岩性完整岩块力学参数为依据，采用等效裂隙岩体力 学参数的方法，在 RMR 岩体分类指标和 H-B 强度准则基础上，对裂隙岩体具体 力学参数进行计算获得； （4）运用 FLAC3D 数值模拟软件对 11912 工作面重复采动过程进行模拟， 根据模拟结果可以发现，随着煤层开采的进行， 切眼处和煤壁前方的应力表现出 升高趋势， 而采空区上部岩体表现为相反结果； 煤层顶板岩体因为地应力重新分 布而在垂直方向出现向下位移量， 且钻孔位置上部岩体最大位移量达到 11.6mm， 开挖 60m 后，应力模拟图像最终形态为中间低、两端高的形态。 （5）将模拟结果、理论计算结果与实际观测数据进行对比研究发现，三种 方法结果近似相同。通过结果得到覆岩裂隙岩体变形规律裂隙岩体变形下沉量 约为完整岩体的 23 倍，巷道两帮偏移约为完整岩体的 2 倍。 关键词钻孔全景图像；结构面产状；岩体力学参数；数值模拟；变形规律 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Coal mining is bound to be accompanied by redistribution of ground stress, and each time the process of stabilization will inevitably cause some disturbance to the nearby coal rock mass, and the structural characteristics and stability of the coal-rock body are changed after repeated mining and deation. Based on the borehole image processing under the influence of repetitive mining process, the deation law of fractured rock mass in seam roof under repeated mining is studied in this paper. By comparison of numerical simulation and theoretical calculation results, the deation law of overburden fractured rock mass is analyzed based on the measured deation results. In the process of panoramic image processing of coal seam roof, the survey Point Panorama expansion chart is obtained, and then the mechanical parameters of roof coal rock mass are calculated by h-b strength criterion. The deation of overburden rock mass under repeated mining conditions is simulated by theoretical calculation and flac3d numerical simulation software, and the deation of the roof is obtained. 1 According to the borehole panoramic image of the recorded observation point, through a series of image processing, the panoramic image is flattened and the drilling panorama of the roof is obtained. 2 According to the borehole Panorama, the paper extracts the fissure structure surface, then analyzes and calculates the fissure structure surface, obtains its basic production ination. 3 Based on the laboratory observation and the mechanical parameters of the intact rock block, using the of the equivalent fractured rock mass mechanics parameter, the concrete mechanical parameters of the fractured rock mass are calculated on the basis of the RMR Rock mass Classification index and the h-b strength criterion. 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III 4 Using FLAC3D numerical simulation software to simulate the repeated mining process in 11912 working face, according to the simulation results, the stress in the front of the cut eye and the coal wall shows an increasing trend along with the coal seam mining, and the upper part of the Mined-out area shows the opposite result. Because of the redistribution of the Earth stress in the coal seam roof and the downward displacement in the vertical direction, the maximum displacement of the rock in the borehole position reaches 11.6mm, and after the excavation 60m, the final shape of the stress simulation image is the middle low and the high two ends. 5 Comparing the simulation results, the theoretical calculation results with the actual observation data, we find that the results of the three s are approximately the same. The deation law of overburden fractured rock mass is obtained by the results the deation and subsidence of fractured rock mass is about 23 times of the intact rock mass, and the drift is about twice times of the intact rock mass. Keywords Borehole panoramic image; Structural surface production;Rock mechanics parameter; Numerical simulation;Deation law 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1 文献综述 1.1 研究背景 岩体从受外力影响产生形变到破坏是个异常复杂的过程[1]。受研究条件、设 施和诸多因素的限制， 多数情况下岩体的力学性质参数是在对同岩性较小岩块进 行力学测试试验获得，与实际数据存在较大差距，误差偏大。研究与工程结构破 坏有密切关联的工程力学现象，如地下洞室坍塌、边坡失稳、裂隙岩体变形移动 等，测验岩体的力学参数，采用实验室试验显然是不现实的。 煤矿的开采必然引起采场围岩变形[2]、破断和移动，从而造成各种地质弱面 完美发育，影响煤层顶板稳定，尤其在覆岩包含大量裂隙的情况下，地下开采活 动对裂隙覆岩的扰动更加明显和剧烈。而重复采动时，上覆岩体已经经历过初次 采动的影响而产生一定变形， 再加上初次采动对岩层的弱化作用， 降低岩石强度， 造成的影响更甚。 由于地质作用的影响， 在岩体内部有地质弱面会不断地形成。故几乎所有的 岩体中都有地质弱面存在， 它们对岩体的强度存在一定影响和制约作用。煤岩体 中各种裂隙结构面为流体的渗透、运移提供了专有通道，煤层上覆岩层会伴随着 工作面的回采过程产生弯曲、下沉，最终断裂的地质现象。有关学者指出，在长 壁采煤工作面条件下，研究采动覆岩裂隙动态分布规律发现，覆岩层动态变化形 态由下到上存在垮落带、裂隙带和弯曲下沉带 3 个不同的分布带。刘天泉、钱鸣 高[45]等院士在导水裂隙通道分布特征与顶板岩层破坏的基础之上，经过理论分 析、现场实测及实验研究之后，建立了“横三区”、“竖三带”的理论体系。对 覆岩裂隙空间分布形态及其演化规律研究的一些新成果， 随着专家学者进一步深 入研究实践被不断取得。钱鸣高院士等经过大量研究提出 “O”形圈理论[45]， 袁亮院士吸取经验后指出“顶板环形裂隙圈”的初始概念，林柏泉[53]的“回” 形圈理论是对之前研究结果的深入解读[52]，李树刚称其为“采动裂隙椭抛带”， 并将其进一步简化为 “采动裂隙圆角矩形梯台带” [54]， 谢广祥将其描述为 “∩” 型高帽状[55]。这些新的研究成果对研究单层煤层开采覆岩动态演化规律起了重 要指导作用，并随着越来越多新研究成果的获得逐渐完善，形成了比较完整的理 论体系，为顶板裂隙岩体在煤层重复开采条件下，裂隙产生、发育规律和岩体破 坏形式提供准确参照。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 1.2 研究意义和目的 在地下煤层开采前，各层地质岩体和煤层处在一种相对稳定的结构状态。一 旦进行人为开采活动，地应力会受到采动影响而进行应力重新分布。而对同一煤 层的重复采动时，上覆岩层已经经历过冒落、裂缝、离层和下沉等移动和变形， 岩层的原始状态遭到破坏， 岩层的强度被减弱， 整个岩层已经变软。 重复采动时， 冒落带还没得到充分发展，覆岩就迅速弯曲下沉，产生的离层裂缝比初次开采时 要小，造成地表下沉值增大；另外，重复采动时，已破裂碎胀的部分岩体产生的 碎胀较小，初次采动后破裂岩体内存在的空隙闭合，对岩体的影响程度相应的加 大，进而影响煤层顶板的稳定性。 应用计算机数值模拟软件， 建立研究工作面的煤层模型， 对其进行重复采动， 模拟此时覆岩的变形破坏，得到了覆岩顶板裂隙发育规律，分析采动前后覆岩顶 板垂直应力的变化情况；另外，模拟结果还能反映出裂隙覆岩受重复采动影响而 产生新裂隙和各种地质弱面的损伤变形情况；最后，数值模拟结果对研究煤层顶 板稳定性、巷道支护、采空区处理等工作具有重要的指导意义。 1.3 国内外研究现状与存在的问题 1.3.1 研究现状 岩体结构的稳定性能进行顺利分析的基础是裂隙存在对岩体强度和变形特 性基本力学性质造成的影响， 分析裂隙存在对岩体力学性质的影响对实际岩体工 程的起初设计、后阶段施工及工程后期维护具重要意义。 目前，进行大量经验理论和实际工程实践研究之后，国内外学者运用计算机 数值模拟技术在采动覆岩的裂隙发育及破断规律的研究方面取得了很多新成果。 对综采中覆岩的冒落过程，以 RFPA2D 数值模拟软件为技术支撑，得到采动过 程中采空区支承压力动态分布规律及顶板覆岩的破断垮落规律[24]。对采动后应 力场和位移场变化情况，在 FLAC3D 模拟软件进行模拟的基础上，分析煤岩体 采动裂隙在煤层开采后的分布规律[27]；对从开切眼到完全充分采动全过程顶板 覆岩随工作面推进时的变形、 冒落情况， 以 RFPA2D 数值模拟软件为基础支撑， 得到与现场实地观测结果相吻合的顶板位移变形量。如结合莫尔－库伦强度准 则、最大应变准则等，以存在于岩体内部并且符合 Weibull 分布的裂隙结构面为 研究对象， 提出了 RFPARock Failure Process Analysis方法 唐春安[4]等， 2011； 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 葛修润[5 ，6]提出的非线性分析计算模型研究变形受法向应力作用的影响，是建立 在裂隙单元的基础之上； 在简单外界应力状态下，对实验前含有已知地质弱面或 裂隙孔的石灰岩进行一般力学实验，并采集 AE 信号，得出微破裂规模与能量计 数率之间的关系Feng Ren [29] 等，2007；国内外很多学者通过理论和试验相结 合的方法，对含裂隙结构面的煤岩体的力学性质进行分析与研究， 在微裂隙面处 于非贯通状态的岩体进行单轴或多轴剪破坏试验， 再在激光散斑照相技术的基础 上记录应力、位移量，分析在平面应力状态下，脆性岩体的变形和破坏规律，得 出能够计算出现裂隙贯通破坏时岩体的强度和裂隙岩体初裂强度的表达式， 对比 试验结果与计算结果，验证两个强度表达式的合理性白世伟[3]等，1999；在不 同剪切变形速率下， 对人为利用混凝土浇筑成的含有一些裂隙存在的岩石试样进 行轴向剪切试验，研究裂隙岩石；另外，分析剪切变形速率、起伏角和法向应力 与试件破坏方式和刚度特征之间的关系李海波[10]等， 2008； 余子华[11]等， 2005； 対多个试件进行不同剪切变形过程的剪切试验， 研究裂隙岩体力学性质受不同剪 切变形过程的影响杜守继[7]等，2006；周小平[8]等，徐靖南[37]等，1994；2002； 田小甫[9]等，2012；根据强度和变形尺度效应的要求，研究了脆性岩石相似模 拟材料的比例， 提出了模拟材料断裂的方法。 并利用分形分布断裂模拟材料标本， 研究了脆性岩体轴向抗压强度和变形的尺度效应王谦源[14]等，2008；析了岩石 断裂过程， 研究了岩石性质的异质性对宏观力学性能的影响傅宇方[12]等， 2000； 柯长仁[13]等，2011；本文建立了随机裂隙岩体网格生成方法，研究了裂隙裂隙 和非穿透性裂隙的啮合，研究了裂隙岩体等效变形模量的大小效应和各向异性 杨建平[24]等，2011；王利[39]等，2006；根据裂缝的统计分布规律和岩体与结构 面力学性能的实验结果，建立了岩体与结构面的本构模型，建立了考虑非厚度断 裂面力学响应的分析模型，研究了断裂岩体的力学响应特性、变形模量和断裂岩 体单轴抗压强度的大小效应陈卫忠[15]等，2008；研究了岩石微裂缝的闭合、滑 动、膨胀和相互作用过程，得到了各阶段裂纹扩展引起的宏观变形 肖洪天[16] 等，2001；对尺寸效应对裂隙岩体变形模量影响的研究利用有限元法开展（杨 建平[24]等，2011）；利用实验和计算机模拟技术研究重复采动下顶板覆岩的破 断形式和变化规律（李树刚[21]等，2016）；从质量、定量和可靠性等方面，采 用系统的方法，分析整体稳定性和部分岩块的稳定性 Darke[18]等，2013；胡夏 嵩[20]等，2005；研究节理裂隙岩体损伤力学特性（凌建明[3133 ，38]等）等，并发 现许多问题，为关于裂隙岩体损伤[30 ，32，34]的理论研究创造条件。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 1.3.2 存在的问题 ①开采扰动后的煤岩体内所含裂隙的数量、形态、延展性等对裂隙研究相当 重要的关键特征不能确定[25]； ②数值模拟中应用的力学参数多以实验室完整煤岩石力学试验结果为依据， 没有完全考虑重复采动对煤岩体结构及力学参数的具体影响； ③模拟结果和实际观测结果数据可能出现较大误差，不利于实际应用。 1.4 研究内容、方法