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构造应力场与采动应力场协同作用下对覆岩变形影响研究

尹士献  
【摘要】:本文以鹤煤八矿主井煤仓为工程应用背景,采用理论分析、岩石力学参数测试、相似材料模实验、数值实验及现场实测等研究方法,对覆岩在构造应力场与采动应力场协同作用下破坏区域进行了较为系统的分析和研究。把覆岩复杂空间曲面离散,利用微分几何理论,求出某点的最大、最小主曲率半径,结合覆岩厚度、力学参数求得构造主应力。为了较为准确的计算采动应力,对影响预计精度的四种因素进行了优化:①开采微单元的大小,通过数值实验方法确定了开采微单元的边长d与工作面长L和深厚比D成函数关系;②通过工作面煤层底板等高线拟合空间曲面方程,在此基础上求得开采微单元形心点处的倾角及倾向,进而求得开采微单元对覆岩移动变形的影响;③运用六节点三角形有限单元法预计开采微单元形心点处的煤厚;④通过数值实验方法,根据不同的GSI值,计算覆岩内不同高程主要影响半径的大小,拟合出主要影响半径指数n与综合抗压强度cR之间的函数关系。把采动应力按照坐标轴旋转方法,转化到以构造主应为坐标轴的新坐标系中,然后经过复杂的数学运算,使两个坐标系的应力转化为同一坐标系的应力,按照D-P准则判断覆岩的破坏区域及特定点位的应力大小,若应力差大于零,表明覆岩不破坏;应力差等于零,表明覆岩处于临界状态;应力差小于零,表明覆岩破坏。通过相似材料模拟实验进行验证,采动应力在煤仓处倾向方向与相似材料模拟结果误差为12.6%,竖直方向误差为19.0%。构造应力与采动应力协同作用下,预计值与实测值比较结果,煤仓处走向方向σx误差为5.2~23.8%;倾向方向σy误差为1.2~10.3%。运用D-P准则判断煤仓处不破坏,与现场实测相符。


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