巨厚砾岩深井开采地表斑裂产生判据及数值模拟研究

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新汶矿区华丰煤矿覆岩主要特点是具有第三系巨厚砾岩层,厚度500~960m,开采时地表多处出现了斑裂现象,斑裂严重损害农田、房屋、桥梁,给区域环境带来严重影响。因此预测巨厚覆岩下地表斑裂产生时,工作面的开采宽度及斑裂线与工作面的空间关系,对矿井安全生产及地表构建筑物的防护具有重要意义。本次利用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,对巨厚砾岩完整及含有弱面时,地表斑裂产生的规律进行了研究。  采用弹性力学等理论,推导了巨厚砾岩在下部受集中载荷作用时,任一点的水平拉应力;推演了巨厚砾岩的破坏过程为:离层的出现,在离层的周围形成应力增高区,随着离层范围的扩大,集中应力逐渐增大,岩石首先在集中应力区附近达到其抗拉强度,使其进入塑性区,而后随着离层的扩大,塑性区的范围向上向前发展,当离层范围扩展到16√3πσ0]/9γ时,位于集中力F作用点的地面投影前方h/√3处,达到岩石抗拉强度,此处易发生斑裂现象。一般来说,塑性区在向上发展到一定程度时,巨厚砾岩在重力作用下,可能发生滑移或旋转现象,导致塑性区加速向上发展,地表斑裂应在地表岩石达到抗拉强度之前出现。因此,斑裂出现的位置位于集中力F地面投影与最大拉应力之间,但与最大拉应力处更接近,并通过现场实测验证该理论与实际符合较好。本文同时对巨厚砾岩存在弱面情况下斑裂产生判据进行了研究。  利用数值模拟软件,模拟了当巨厚砾岩为完整状态时,工作面宽度达到170m,位于工作面下平巷280m处出现了拉伸破坏。即发生了斑裂现象;若巨厚砾岩中含有弱面,当弱面与工作面开采起始距离较近时,主要破坏发生在弱面处;若在300m与500m之间,弱面会出现拉伸破坏,但弱面与工作面下平巷之间的区域也可能出现破坏。若弱面与工作面开采起始距离大于550m,开采对弱面无采动影响。
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