- 相關(guān)推薦
深部巖層控制的關(guān)鍵層力學(xué)模型
摘要：目前，中國煤炭逐步進(jìn)入“深部開(kāi)采”階段。本文在介紹了深部開(kāi)采的特點(diǎn)和研究現狀的基礎上，針對深部巖體的流變性，在較低應力水平下選取廣義開(kāi)爾文流變本構模型，在較高應力水平下選取Burgers 流變本構模型，運用彈性─流變性相應原理，對關(guān)鍵層的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析得出：在較低應力水平下,關(guān)鍵層的撓度、彎距開(kāi)始具有瞬時(shí)彈性，隨后受時(shí)間影響顯著(zhù)，最后達到穩定，流變量一般為瞬時(shí)彈性的20%—30%,在較高應力水平下，關(guān)鍵層的撓度的蠕變經(jīng)歷衰減蠕變和等速蠕變兩個(gè)階段，等速蠕變顯著(zhù)。關(guān)鍵層破斷距雖隨時(shí)間變化不明顯，但由于巖體受流變影響強度在減少，其破斷距比彈性分析得到的小得多。針對關(guān)鍵層受四周巖體擠壓作用，分析了關(guān)鍵層的屈曲失穩，得出了關(guān)鍵層失穩的臨界載荷，并對其進(jìn)行流變分析，得到失穩的兩種形式，即瞬時(shí)彈性失穩形式和延遲失穩形式。
關(guān)鍵詞：深部開(kāi)采;關(guān)鍵層;流變;屈曲
0、引言
隨著(zhù)經(jīng)濟發(fā)展，能源需求不斷增加，淺部資源正日益減少，國內外礦山相繼進(jìn)入深部開(kāi)采狀態(tài)，中國煤礦開(kāi)采深度以每年8-12m 的速度增加[1]。采深的增加導致工程災害日趨增多，如礦井沖擊地壓、瓦斯爆炸、礦壓顯現加劇、巷道圍巖流變等，對深部資源的安全高效開(kāi)采造成了巨大威脅。因此，有必要對深部資源開(kāi)采過(guò)程中所產(chǎn)生的力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究。
深部指隨著(zhù)開(kāi)采深度增加，工程巖體開(kāi)始出現非線(xiàn)性力學(xué)現象的深度及其以下的深度區間，把位于該深度的工程稱(chēng)為深部工程[2]。深部巖體由于其處于復雜的地球物理環(huán)境和應力場(chǎng)中，使得其表現出特有的力學(xué)特性，比如脆延轉變、強流變性等。
對于深部開(kāi)采，巷道圍巖破壞現象加劇，巖體的流變性隨采深的增加越來(lái)越明顯，因此對深部巖層控制問(wèn)題的解決迫在眉睫。目前，已有不少科研工作者在從事相關(guān)研究。鞠楊應用DDA 數值方法模擬分析了深部煤礦開(kāi)采上覆巖層的應力場(chǎng)變化和變形移動(dòng)規律[3];王永巖根據深部軟巖巷道圍巖的蠕變試驗數據得到了深部軟巖巷道圍巖在高應力作用下的蠕變方程，進(jìn)而對深部軟巖巷道進(jìn)行了變形仿真分析[4];戴華陽(yáng)通過(guò)相似材料模擬實(shí)驗，分析了在焦坪礦區地質(zhì)條件下，隔離煤柱尺寸對地表移動(dòng)的影響，研究表明深部開(kāi)采條件下工作面留設一定寬度的隔離煤柱對地表沉陷起到有效的控制作用[5];徐乃忠研究了深部開(kāi)采地表沉陷規律及特點(diǎn)，得出：工作面覆巖破壞具有均勻、整體壓縮、移動(dòng)、變形的特點(diǎn)以及地表移動(dòng)變形連續、緩慢、周期長(cháng)的特點(diǎn)，提出用參數修正的概率積分預測模型來(lái)預測深部開(kāi)采的地表沉陷[6];尹光志分析了(急)傾煤層深部開(kāi)采覆巖變形，將上覆巖層簡(jiǎn)化為巖板，建立了上覆巖層的變形的力學(xué)模型，為(急)傾煤層深部開(kāi)采覆巖變形計算提供了科學(xué)依據[7];柏建彪研究了深部巷道圍巖穩定性，認為深部巷道圍巖控制的基本方法是提高圍巖強度、轉移圍巖高應力以及采用合理的支護技術(shù)[8]。
以錢(qián)鳴高、繆協(xié)興為首的科研團隊提出的巖層控制的關(guān)鍵層理論[9]，將采場(chǎng)礦壓、巖層內部裂隙發(fā)育及地表沉陷等巖層由下往上移動(dòng)的過(guò)程作為一個(gè)整體來(lái)研究，從而能以一個(gè)統一的視角和手段對采礦工程實(shí)踐尤其是巖層控制實(shí)踐提供了重要理論依據。然而這一有力工具目前一般局限于彈性分析，沒(méi)有過(guò)多地研究其時(shí)間效應。
本文基于巖層控制的關(guān)鍵層理論，在考慮深部開(kāi)采這一特殊情況下，結合合適的流變本構關(guān)系，建立深部巖層控制的關(guān)鍵層力學(xué)模型。
1、流變本構及彈性-流變性相應原理隨著(zhù)開(kāi)采深度的增加，關(guān)鍵層上的載荷在變化，不同的深度，對應不同的載荷。巖石的流變規律受應力水平的影響很大，因此不同深度下的巖體，其流變規律也是不同的。當關(guān)鍵層所處深度較淺，其上作用的載荷較低時(shí)，巖石流變一般為衰減流變，一定時(shí)間后，流變即趨于穩定。對于巖石的這種蠕變，可選用廣義開(kāi)爾文模型來(lái)描述關(guān)鍵層巖體的本構關(guān)系。
2、關(guān)鍵層流變力學(xué)模型本文將關(guān)鍵層簡(jiǎn)化為薄板結構，忽略支撐介質(zhì)影響，考慮單一薄板的邊界問(wèn)題，在進(jìn)行流變分析時(shí)，取四邊固支邊界條件。
2.1 關(guān)鍵層撓度的時(shí)間相關(guān)性
(1) 低應力水平下關(guān)鍵層撓度的時(shí)間相關(guān)性可見(jiàn)，隨著(zhù)粘性系數的增大，流變速率減小;穩態(tài)時(shí)間在增加，即流變系數大的巖體，其撓度要經(jīng)過(guò)更長(cháng)時(shí)間才能達到穩定，但當流變穩定時(shí)，流變系數對穩態(tài)流變沒(méi)有多大影響，撓度最終將達到同一穩定值。
另外，分析得到，本構模型彈性體部分彈性體模量E2 變化對瞬時(shí)彈性撓度影響較大，而對于撓度隨時(shí)間的變化部分影響甚微。相反，開(kāi)爾文體部分彈性模量E1 的變化只影響撓度隨時(shí)間的變化，在初始階段，撓度基本相同，E1 越小流變越明顯，穩態(tài)時(shí)間越長(cháng)，流變穩態(tài)值越大。
(2) 高應力水平下關(guān)鍵層撓度的時(shí)間相關(guān)性2.2 關(guān)鍵層內力的時(shí)間相關(guān)性(1) 低應力水平下關(guān)鍵層內力的時(shí)間相關(guān)性設工作面長(cháng)度a=100m，推進(jìn)距離b=30m，關(guān)鍵層上作用均布載荷q=1Mpa，根據砂巖的蠕變試驗資料，設關(guān)鍵層E1=60GPa， 1η=600GPa·d，E2=20GPa.
(2) 高應力水平下關(guān)鍵層內力的時(shí)間相關(guān)性2.3 關(guān)鍵層初次破斷的時(shí)間相關(guān)性設工作面長(cháng)度a=100m，推進(jìn)距離b=30m，關(guān)鍵層上作用均布載荷q=5Mpa，抗壓強度為15MPa，根據砂巖的蠕變試驗資料，設關(guān)鍵層E1=20GPa， 2η =600GPa·d，E3=60GPa，3 η=300GPa·d，下面為關(guān)鍵層初次破斷距隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)由上圖可見(jiàn)，關(guān)鍵層初次破斷距隨時(shí)間而衰減，在150 天時(shí)達到穩定，總體變化非常小，但這并不能忽略流變對破斷距的影響。流變破斷時(shí)巖體的強度降低，一般為彈性強度的70%，對于深部開(kāi)采而言，具有很強的時(shí)間效應，因此必須考慮巖體的流變效應。
3、關(guān)鍵層屈曲失穩對于深部開(kāi)采而言，地應力水平是相當高的，雖然采空區上方橫向載荷比地應力低得多，但采空區四周煤壁附近卻處于高應力集中區。在高水平應力的影響下，勢必使關(guān)鍵層處于壓曲狀態(tài)，造成關(guān)鍵層失穩并向采空區內彎曲，這也是導致關(guān)鍵層破斷的一個(gè)重要原因。
(1)當水平載荷c N 超過(guò)薄板的瞬時(shí)彈性臨界載荷0c N 時(shí)，薄板受載后，立即發(fā)生屈曲失穩，這與彈性情況相同。
(2)當水平載荷c N 低于薄板的瞬時(shí)彈性臨界載荷0c N 而大于長(cháng)期穩定載荷∞c N 時(shí)，由于材料的流變性，板在經(jīng)歷時(shí)間c t 后喪失穩定性，即為延遲失穩。
(3)當水平載荷c N 低于薄板長(cháng)期穩定載荷∞c N 時(shí)，板不會(huì )發(fā)生失穩破壞。
4、結論
對于深部開(kāi)采，采場(chǎng)周?chē)V壓顯現非常劇烈，關(guān)鍵層理論能合理解釋礦壓顯現，巖層移動(dòng)等采礦現象。本文針對深部巖體所體現出的流變效應，在低應力水平下選用廣義開(kāi)爾文本構模型，在較高應力水平下選取Burgers 模型，運用相應原理對關(guān)鍵層進(jìn)行了流變分析�？紤]因周?chē)鷰r體對關(guān)鍵層的擠壓作用而產(chǎn)生的屈曲失穩，并對其進(jìn)行流變力學(xué)分析。得出如下結論：
(1)考慮深部開(kāi)采巖體的流變效應，當作用在關(guān)鍵層上的載荷較低時(shí)，選用廣義開(kāi)爾文本構模型，得出：隨著(zhù)時(shí)間推移，關(guān)鍵層撓度和內力的流變速率呈指數衰減，到20 天后基本達到穩定，撓度和彎矩的時(shí)間效果明顯，穩定值一般比瞬時(shí)彈性值大20%—30%。
(2)當作用在關(guān)鍵層上的載荷較高時(shí)，其撓度具有衰減和等速流變兩階段，一般衰減流變時(shí)間較短，而等速流變持續較長(cháng)時(shí)間，在未達到破壞前，等速流變階段具有相當大的流變量。然而，以此對應的彎矩卻呈衰減趨勢，但穩定時(shí)間較長(cháng)，流變量也較大。
(3)針對關(guān)鍵層受四周巖體的擠壓作用，對關(guān)鍵層進(jìn)行屈曲失穩分析，得出其失穩時(shí)的臨界載荷，并對其分析得出：當工作面長(cháng)度遠大于工作面推進(jìn)距離大時(shí)，臨界載荷基本不變;當采空區為方形時(shí)，臨界載荷最大。
(4)考慮屈曲失穩的流變效應，分析得出屈曲的三種形式：第一種形式是，薄板受載后，立即發(fā)生屈曲失穩;第二種形式是，當水平載荷c N 低于薄板的瞬時(shí)彈性臨界載荷0c N 而大于長(cháng)期穩定載荷∞c N 時(shí)，由于材料的流變性，產(chǎn)生延遲失穩;第三種形式是，當水平載荷c N 低于薄板長(cháng)期穩定載荷∞c N 時(shí)，板不會(huì )發(fā)生失穩破壞。當關(guān)鍵層處于特殊力學(xué)環(huán)境中時(shí)，這三種失穩形式是必須考慮的，尤其是延遲失穩形式。
參考文獻 (References)
[1] 何滿(mǎn)潮，謝和平，彭蘇萍等.深部開(kāi)采巖體力學(xué)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005(16)：2803～2813.
[2] 何滿(mǎn)潮.深部的概念體系及工程評價(jià)指標[J].巖石力學(xué)與工程學(xué),2005(16):2854～2858.
[3] 鞠楊.煤礦開(kāi)采的巖層應力分布與變形移動(dòng)的DDA 模擬[J].巖土工程學(xué)報，2007(2)
[4] 王永巖,魏佳.深部巖體非線(xiàn)性蠕變變形預測的研究[J].煤炭學(xué)報，2005(4)
[5] 戴華陽(yáng),王世斌,易四海等.深部隔離煤柱對巖層與地表移動(dòng)的影響規律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005(8)
[6] 徐乃忠,王斌.深部開(kāi)采的地表沉陷預測研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2006(1)
[7] 尹光志,王登科,張衛中.(急)傾斜煤層深部開(kāi)采覆巖變形力學(xué)模型及應用[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2006(2)
[8] 柏建彪,侯朝炯.深部巷道圍巖控制原理與應用研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006(2)
[9] 錢(qián)鳴高，繆協(xié)興，許家林等.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003
【深部巖層控制的關(guān)鍵層力學(xué)模型】相關(guān)文章：
基于系統動(dòng)力學(xué)模型的庫存控制機理研究08-10
基于XML的三層C/S模型10-23
環(huán)境成本三層控制體系10-21
控制環(huán)境和財務(wù)控制是有效內部控制的關(guān)鍵07-15
染色過(guò)程對流擴散動(dòng)力學(xué)模型研究10-27
基于遞階結構的多模型切換控制08-26
混沌系統的模型參考模糊自適應控制05-08