能考慮承壓水壓力作用下的采場(chǎng)底板破壞深度的計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及煤炭開(kāi)采領(lǐng)域，具體涉及一種能考慮承壓水壓力作用下的采場(chǎng)底板破 壞深度的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 承壓水上采煤底板突水是我國(guó)煤炭開(kāi)采中的重大災(zāi)害之一，如何避免底板突水一 直是我國(guó)煤礦安全開(kāi)采中的一項(xiàng)技術(shù)難題。
[0003] 煤層開(kāi)采時(shí)，隔水底板在礦山壓力和下伏承壓水的聯(lián)合作用下，當(dāng)達(dá)到或超過(guò)底 板巖體強(qiáng)度極值時(shí)，工作面底板一定范圍內(nèi)的巖體將產(chǎn)生破壞，若采動(dòng)破壞帶與煤層下伏 承壓含水層溝通，則底板突水形成。故準(zhǔn)確計(jì)算出采場(chǎng)底板破壞深度是避免底板突水的重 要條件，也是底板突水預(yù)測(cè)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
[0004] 實(shí)際工程中，理論分析被普遍應(yīng)用于承壓水上采煤底板應(yīng)力分量與破壞深度的求 解中。張金才和劉天泉（1990)運(yùn)用彈性和塑性力學(xué)理論并結(jié)合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則 求得了底板的破壞深度，奠定了底板采動(dòng)破壞理論分析的基礎(chǔ)。隨著研究的深入，底板采 動(dòng)破壞深度的解析解得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。如張文泉（2004)、朱術(shù)云（2007)、孟祥瑞 (2010)、王連國(guó)（2013)等學(xué)著考慮了礦山壓力的不同分布規(guī)律以及采場(chǎng)來(lái)壓周期等因素， 運(yùn)用彈性半空間理論，推導(dǎo)出底板的應(yīng)力分量表達(dá)式，并采用mohr-coumlob屈服準(zhǔn)則計(jì)算 出了底板破壞深度。
[0005] 上述承壓水上采煤底板破壞深度的解析解大都只考慮了工作面支撐壓力的作用， 沒(méi)有考慮底板承壓水壓力影響下的應(yīng)力重分布以及破壞機(jī)制。眾所周知，在支撐壓力作用 下的壓縮區(qū)段和采空區(qū)卸壓的膨脹區(qū)段，底板在水壓力的作用下，必然會(huì)加大其壓縮變形 量和膨脹量，使得底板的剪切破壞和拉伸破壞范圍變大。因此與不考慮水壓力的底板破壞 相比，其應(yīng)力分布和破壞深度的求解也表現(xiàn)得較為復(fù)雜。且上述研究成果只考慮了底板的 剪切破壞，沒(méi)有考慮拉伸破壞形式顯然不夠合理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可以考慮底板 承壓水作用，且有適用范圍廣、計(jì)算參數(shù)容易獲取的承壓水上采煤底板采動(dòng)破壞的計(jì)算處 理方法。
[0007] 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：
[0008] -種能考慮承壓水壓力作用下的采場(chǎng)底板破壞深度的計(jì)算方法，其特征在于包括 以下步驟：
[0009] 1)選取模型計(jì)算范圍；
[0010] 2)分別定義支撐壓力和底板水壓力的作用范圍和荷載分布形式；
[0011] 3)定義計(jì)算范圍內(nèi)底板巖體材料屬性；
[0012] 4)設(shè)定底板應(yīng)力分量是由礦壓和水壓引起的附加應(yīng)力和原巖應(yīng)力的疊加；
[0013] 5)依據(jù)彈性半空間理論符拉芒解和明德林解推導(dǎo)出由支撐壓力和水壓力作用下 的底板附加應(yīng)力分量；
[0014] 6)根據(jù)應(yīng)力求解結(jié)果，選擇帶拉伸屈服的mohr-coulomb準(zhǔn)則對(duì)底板破壞深度進(jìn) 行計(jì)算，得出底板剪切和拉伸破壞深度和范圍。
[0015] 步驟1)中的模型建立的原則為：沿工作面推進(jìn)方向，建立采場(chǎng)力學(xué)模型，同時(shí)要 滿足平面應(yīng)變求解條件，即工作面推進(jìn)長(zhǎng)度應(yīng)是其斜長(zhǎng)的1/4或更??；沿模型豎向，模型高 度取決底板隔水層厚度。
[0016] 步驟2)中模型中，支撐壓力等效為一定寬度的均布荷載，其載荷集度為（n+1) yh/2,式中γ為上覆巖土體平均重度；h為煤層埋深；η為最大應(yīng)力集中系數(shù)，一般取值 2~3 ;等效區(qū)的寬度為采空區(qū)端部到支撐壓力峰值位置處這一距離的兩倍；底板承壓水視 為均布荷載，其作用范圍為采空區(qū)長(zhǎng)和兩邊等效支撐壓力作用寬度之和。
[0017] 步驟3)中模型材料屬性為均質(zhì)各向同性的彈性體，巖體塑性屈服符合 mohr-coumlob屈服準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力屈服準(zhǔn)則。
[0018] 步驟4)和步驟5)中采場(chǎng)底板應(yīng)力分量是由支撐壓力和水壓力引起的附加應(yīng)力和 其原巖應(yīng)力的疊加組成。支撐壓力和水壓力均視為均布條形荷載，分別依據(jù)符拉芒解和明 德林解推導(dǎo)出其在底板中引起附加應(yīng)力分量。
[0019] 步驟6)中的屈服準(zhǔn)則選用的是剪切和拉伸的復(fù)合判據(jù)，計(jì)算中優(yōu)先判別拉伸破 壞的發(fā)生。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0021] 1、本發(fā)明考慮了底板承壓水對(duì)采場(chǎng)底板應(yīng)力分布及破壞深度的影響，更加接近實(shí) 際情況。
[0022] 2、本發(fā)明對(duì)底板巖體材料的本構(gòu)模型選用帶拉伸破壞的mohr-coumlob屈服準(zhǔn) 貝IJ，一方面考慮了底板巖體的抗剪切破壞能力，另一方面考慮了巖體抗拉強(qiáng)度弱的特點(diǎn)。從 底板塑性破壞分析的安全角度來(lái)看，它更適用于底板巖體的破壞計(jì)算，且計(jì)算簡(jiǎn)單，計(jì)算參 數(shù)容易獲得。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1模型中支撐壓力及底板水壓力作用圖。
[0024] 圖2支撐壓力增量引起的底板M點(diǎn)的附加應(yīng)力計(jì)算示意圖。
[0025] 圖3彈性體內(nèi)作用均布條形荷載時(shí)任一點(diǎn)應(yīng)力求解示意圖。
[0026] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的不同水壓力作用下同深度底板垂直應(yīng)力分布規(guī)律。
[0027] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的不同水壓力作用下同深度底板水平應(yīng)力分布規(guī)律。
[0028] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例的不同水壓力作用下同深度底板剪應(yīng)力分布規(guī)律。
[0029] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例的考慮底板水壓力作用下的底板剪切和拉伸破壞圖。
[0030] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例的不考慮底板水壓力作用下的底板剪切和拉伸破壞圖。
[0031] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例的不同水平位置處的底板破壞深度與水壓力關(guān)系。
[0032] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例的不同水平位置處的底板破壞深度與隔水層厚度關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0034] -種能考慮承壓水壓力作用下的采場(chǎng)底板破壞深度的計(jì)算方法，其特征在于，包 括以下步驟：
[0035] 1)選取模型計(jì)算范圍；
[0036] 2)分別定義支撐壓力和底板水壓力的作用范圍和荷載分布形式；
[0037] 3)定義計(jì)算范圍內(nèi)底板巖體材料屬性；
[0038] 4)設(shè)定底板應(yīng)力分量是由礦壓和水壓引起的附加應(yīng)力和原巖應(yīng)力的疊加；
[0039] 5)依據(jù)彈性半空間理論的符拉芒解和明德林解推導(dǎo)出由支撐壓力和水壓力作用 下的底板附加應(yīng)力分量；
[0040] 6)根據(jù)應(yīng)力求解結(jié)果，選擇帶拉伸屈服的mohr-coulomb準(zhǔn)則對(duì)底板破壞深度進(jìn) 行計(jì)算，得出底板剪切和拉伸破壞深度和范圍。
[0041] 所述的步驟1)中的模型建立的原則為：
[0042] 沿工作面推進(jìn)方向，建立采場(chǎng)力學(xué)模型。同時(shí)滿足平面應(yīng)變求解條件，即工作面推 進(jìn)長(zhǎng)度應(yīng)是其斜長(zhǎng)的1/4或更??；沿模型豎向，模型高度取決底板隔水層厚度。
[0043] 所述的步驟2)中，將支撐壓力等效為一定寬度的均布荷載，如圖1所示，其載荷集 度為（η+1) γ h/2 (式中γ為上覆巖土體平均重度；h為煤層埋深；η為最大應(yīng)力集中系數(shù)， 一般取值2~3) I3為等效支撐壓力區(qū)，等效區(qū)的寬度為采空區(qū)端部到支撐壓力峰值位 置處這一距離的兩倍；底板受承壓水作用，I2-I3為工作面推進(jìn)距離。
[0044] 底板承壓水視為均布荷載，其作用范圍為采空區(qū)長(zhǎng)和兩邊等效支撐壓力作用寬度 之和，即圖1中的I^l 2范圍。
[0045] 所述的步驟3)中模型材料屬性為均質(zhì)各向同性的彈性體，巖體塑性屈服符合 mohr-coumlob屈服準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力屈服準(zhǔn)則。
[0046] 所述的步驟4)中采場(chǎng)底板應(yīng)力分量是由外荷載（支撐壓力和水壓力）引起的附 加應(yīng)力和其原巖應(yīng)力的疊加組成。
[0047] 所述的步驟5)中，將支撐壓力減去上覆原巖壓力，煤體側(cè)所受到支撐壓力增量如 圖2所示。依據(jù)符拉芒解可推導(dǎo)出其在底板中引起附加應(yīng)力分量為：
[0049] 所述的步驟5)中，水壓力在底板中引起的附加應(yīng)力的求解，可以以由明德林解推 導(dǎo)出的彈性半空間體內(nèi)豎向均布線荷載作用時(shí)產(chǎn)生的附加應(yīng)力解為基礎(chǔ)，在條形荷載作用 寬度上運(yùn)用積分法（圖3)可求出，其應(yīng)力分量為：
[0051] 式中，p為水壓力；d為底板隔水層厚度；V為底板巖體的泊松比。
[0052] 依據(jù)彈性力學(xué)疊加原理，由支撐壓力以及水壓力在底板中引起的附加應(yīng)力，加上 相應(yīng)的原巖應(yīng)力，可得底板下任一點(diǎn)的應(yīng)力分量為：
[0053]
[0054]
[0055]
[0056] 式中，γ '為底板巖體平均重度。