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

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Rc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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1绪论

1.1选题研究的意义

1.2覆岩破坏规律研究现状

1.3覆岩构造应力研究现状

1.4鹤煤八矿主井煤仓附近回采区域概况

1.5主要研究内容及关系

1.6研究方法与技术路线

2 覆岩构造应力场研究

2.1 空间曲面的第一基本形式

2.2空间曲面的第二基本形式

2.3 主曲率及方向求取

2.4空间曲面求取倾斜、曲率、扭曲

2.5 空间曲面主应力

2.6 二次抛物线型Mohr强度屈服准则

2.7 鹤煤八矿岩石力学参数测试

2.8 鹤煤八矿工程实例

2.9 本章小结

3 煤层倾角变化对覆岩移动变形研究

3.1 开采微单元的划分及形心点坐标的求取

3.2 曲面拟合的方法

3.3 曲面拟合的最小二乘法

3.4 曲面上任意点处倾角、倾向的求取

3.5 开采微单元的偏移距及偏移方向

3.6鹤壁二矿地表下沉及水平移动预计

3.7 本章小结

4煤厚变化对覆岩移动变形研究

4.1 煤层厚度常规的预计方法

4.2 六节点三角形单元法预计煤厚理论推导

4.3预计区域内三角剖分

4.4 煤厚基础资料

4.5 有限元法预计煤厚与常规的九种预计结果比较

4.6 地表移动变形值两种预计方法比较

4.7 本章小结

5 覆岩内主要影响半径研究

5.1 覆岩内主要影响半径、水平移动系数的数学表达

5.2岩体Hoek-Brown经验强度准则

5.3岩石力学参数计算

5.4 数值模拟计算

5.5模拟结果分析

5.6覆岩及主井煤仓附近GSI测定

5.7 本章小结

6 覆岩采动应力场研究

6.1 六个应变分量的求取

6.2 求取主应变、主应力

6.3 鹤煤八矿煤仓采动应力场预计

6.4煤仓倾向剖面变形的相似模拟实验

6.5 本章小结

7 两种应力场协同作用对覆岩影响研究

7.1 空间一点应力分量与任意方向应力分量换算

7.2 空间一点应力分量在不同坐标系之间的换算

7.3 采动应力分量与构造主应力的合成

7.4 构造主应力所形成的新坐标系在整体坐标系中的方向余弦

7.5 D-P准则判断覆岩破坏区域

7.5鹤煤八矿主井煤仓工程实例

7.6煤仓变形观测及分析

7.7本章小结

8 结论

8.1 主要结论

8.2 主要创新点

8.3 展望

参考文献

作者简历

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