采动应力场与覆岩两带耦合分析方法
这是山东科技大学蒋力帅等研究人员基于采动覆岩“两带”破坏特征及其力学机制,考虑采空区垮落带压实承载力学特性与裂隙带岩体破断劣化特性的动态演化力学过程,研究提出的采动应力场与采动覆岩的耦合分析方法。
长壁工作面垮落法管理顶板是最为普遍的采煤方法。随着工作面推进,采场围岩应力分布不断调整及演化,采空区直接顶垮落、基本顶及其上部岩层破断运移、高位岩层缓慢沉降等破坏及移动现象随之出现,垮落的松散岩体充填采空区形成垮落带,上覆岩层破断运移形成裂隙带,高位岩层直至地表形成弯曲下沉带。
垮落带松散岩体的压实与承载力学特性,是采空区应力恢复与分布规律的基础,明显影响着采动应力场特别是支承压力分布。研究人员指出,覆岩裂隙带范围较大、裂隙纵横,裂隙带岩层的采动劣化对采动应力场的影响是不应忽略的。
研究人员通过实例仿真模拟分析对以上分析方法进行了验证。
研究发现:垮落带渐进压实承载的力学特性是指数型表达式,压缩刚度随压缩应变呈非线性增长。由双屈服本构模型反演得到与理论解拟合度较好的垮落带力学参数,实现了垮落带压实承载特性的仿真模拟。裂隙岩体劣化系数表达式反映了模量劣化特性,应变软化本构模型增加模量劣化算法组成岩体劣化本构模型,实现了应变软化和裂隙岩体模量劣化的动态分析,较真实严谨的反映裂隙带岩体的力学特性。基于垮落带与裂隙带特征的仿真模拟,实现了采动应力场与采空区覆岩“两带”特征的耦合分析。
通过赵固二矿11030 工作面应用实例分析,采用采动应力场与覆岩两带耦合方法,研究了工作面采动应力场演化规律,结果表明采高对超前支承压力分布、采空区应力恢复和侧向煤柱集中应力分布均有显著影响。将计算结果与理论分析进行对比,验证了采动应力场与覆岩两带耦合方法的可行性和正确性,提高了采动应力场和围岩采动响应研究的严谨性和可靠性,对区段煤柱稳定性、回采巷道采动影响与控制设计、岩层与地表移动、保护层开采等工程问题,具有重要的科学意义及应用价值。