双层叠梁变形-开裂过程及采场采高效应的数值模拟

摘要

利用拉格朗日元方法、变形体离散元方法及虚拟裂纹模型耦合的连续-非连续方法，开展了三点弯双层叠梁的变形-开裂过程和均载-开挖双层叠梁的变形-离层-垮落过程的数值模拟研究，并开展了采动条件下采高对煤体支承压力的变化规律及上覆岩层变形-离层-垮落的影响的数值模拟研究。首先，研究了三点弯条件下双层叠梁变形-开裂过程的尺寸效应和力学参数对上硬下软叠梁和上软下硬叠梁变形-开裂过程的影响。研究发现:1）上泥岩下砂岩和上砂岩下泥岩两种叠梁的载荷-位移曲线呈现5个典型阶段:第1峰值载荷之前的弹性阶段、其后的软化阶段、第2峰值载荷之前的硬化阶段、其后的脆性破坏阶段及残余阶段;无论砂岩单梁作为上单梁，还是下单梁，开裂引起的载荷降较大;叠梁第2、3-4阶段的行为分别由下、上单梁决定;2）在仅上单梁开裂时或在下单梁开裂过程中上单梁迅速开裂时，载荷-位移曲线呈现单峰;在下单梁开裂一段时间后上单梁再开裂时或在下单梁开裂到一定程度后上、下单梁交替开裂时，该曲线呈现双峰或多峰;3）载荷-位移曲线的第1峰值载荷取决于上、下单梁的共同作用，第2峰值载荷主要取决于上单梁的作用。其次，开展了单梁高度对均载-开挖叠梁变形-离层-垮落过程的影响的数值模拟研究。研究发现:对于上硬下软叠梁，下单梁高度越小，离层高度越大;对于上软下硬叠梁，不发生离层。最后，开展了采动条件下采高对煤体支承压力的变化规律及上覆岩层变形-离层-垮落的影响的数值模拟研究。研究发现:随着采高的增加，支承压力峰值减小，支承压力峰值出现的位置与工作面的距离增大;直接顶首次出现离层的时间提前，在离层发育到中粒砂岩底部前，离层发育的高度逐渐增加。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 双层叠梁的力学行为

1．2．2 采场采高效应

1．3 研究不足与存在问题

1．4 本文工作

2 连续-非连续方法介绍

2．1 引言

2．2 应力、应变模块

2．3 节点分离模块

2．4 接触力求解模块

2．5 运动方程求解模块

2．6 本章小结

3 双层叠梁变形-开裂过程的数值模拟

3．1 引言

3．2 三点弯双层叠梁变形-开裂过程的数值模拟

3．2．1 三点弯单梁变形-开裂过程的数值模拟

3．2．2 三点弯双层叠梁的计算模型及参数确定

3．2．3 构成三点弯双层叠梁的单梁变形-开裂过程数值模拟

3．2．4 三点弯双层叠梁的物理试验的数值模拟

3．3 力学参数对三点弯双层叠梁变形-开裂过程影响的数值模拟

3．3．1 计算方案

3．3．2 抗拉强度的影响

3．3．3 断裂能的影响

3．3．4 弹性模量和泊松比的影响

3．3．5 单梁之间的法向刚度的影响

3．4 三点弯不同叠放次序双层叠梁尺寸效应的数值模拟

3．4．1 三点弯单梁尺寸效应的数值模拟

3．4．2 计算模型、参数及方案

3．4．3 计算结果及分析

3．5 均载-开挖双层叠梁变形-离层-垮落过程的数值模拟

3．5．1 均载-开挖双层叠梁物理试验的数值模拟

3．5．2 单梁高度对均载-开挖双层叠梁变形-离层-垮落过程的影响

3．6 本章小结

4 不同采高采动诱发岩层变形、开裂、垮落过程及结果分析

4．1 引言

4．2 计算模型、方案

4．3 计算结果及分析

4．3．1 不同采高时被监测单元的支承压力变化规律

4．3．2 不同采高时采场上覆岩层变形、开裂、垮落规律

4．4 本章小结

5 结论

参考文献

作者简历

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