基于关键层理论的岩层变形数值模拟-甘肃科技.PDF

第２８卷　第６期 甘肃科技 Ｖｏｌ２８　Ｎｏ６ ２０１２年３月 ＧａｎｓｕＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｒ　２０１２ 基于关键层理论的岩层变形数值模拟 杜文龙，谢裕江 （兰州大学，甘肃 兰州７３００００） 摘　要：基于关键层理论，应用Ａｎｓｙｓ１００软件分析采动影响下覆岩变形的动态发展过程。数值模拟再现了上覆岩 层弯曲、沉降的变化以及采动工作面推进过程中逐步演化的应力场和应变场。模拟结果初步揭示了覆岩变形机理， 指出了覆岩的变形特征受分步开挖引起的应力重新分布及损伤积累的影响。 关键词：关键层理论；数值模拟；应力分布 中图分类号：ＴＤ３２７ 　　随着经济的发展和人口密度的不断增大，地 下空间资源的开发和利用是缓解日趋严峻土地使 １　层状关键层理论 ［１］ 岩层控制关键层理论认为，在采场覆岩层中存 用和人口压力的有效途径之一 。尤其是煤炭资 源的开采。近年来，随着煤炭资源的大量开采，开 在多层岩层时，对岩体活动全部或局部起控制作用 ［８］ 采条件越来越困难，优良易于开采的煤炭资源日 的岩层称为关键层 ，一般来说，关键层即为主承 益匮乏，只得转向水体下、建筑物下及深部的煤炭 载层，在破断前可以是板或简化为梁结构的形式承 资源，大量的开采形成大面积的地表沉陷，损害地 受上部岩层的重量，断裂后可形成砌体梁结构。 表及其建筑物，造成巨大的经济损失。因此，采空 １．１　关键层判别方法 区上方覆岩的稳定性，即采动岩层破断就成为一 ［９］ 关键层判别方法 主要有以下流程： 个相当突出的问题。然而，传统地下采矿工程中 １）由下往上确定覆岩中的坚硬岩层位置（关键 遇到的岩层破断问题，多凭经验解决，但工程实践 层的刚度判别条件）； 表明，单凭经验越来越难以适应日益发展的工程 ２）计算各硬岩层的破断距； 规模及工程的复杂性［２］。出于工程建设安全及技 ３）确定关键层的位置（关键层的强度判别条 术经济因素的考虑，煤矿开采中要求进行矿压破 件）。 断模拟分析。应用数值计算法对地下工程开挖过 １．２　关键层变形破坏 程中岩层破断进行模拟，分析岩层破断规律，并进 ［７］ 据钱鸣高等 岩层控制的关键层理论可知，如 行稳定性评价，预测预报可能发生的破坏范围，以 图１所示，设采场覆岩中有 ｍ层岩层，其中有２层 便采取相应的措施确保安全，避免事故的发生。 坚硬的厚岩层（可能有多层），即直接顶之上的第一 目前，国内外特别是我国在对于工作面围岩力学 层（第一层老顶）和第ｎ＋１层（第二层老顶），地表 模型的建立和计算机数值模拟［３－６］也有较深入的 有表土层，其载荷为ｑ。图１中每层岩层的厚度为： 研究，而基于层状岩体关键层理论的岩层破断数 ｈ（ｉ＝１，２，３，…，ｍ），体积力为：Ｖ（ｉ＝１，２，３，……， ｉ ｉ 值模拟研究相对较少。鉴于坚硬岩层中关键层是 ｍ