采场顶板岩块回转的应力演化及稳定性分析

第29卷第3期2015年5月

济南大学学报（自然科学版）

JOUＲNAL OF UNIVEＲSITY OF JINAN（Sci．＆Tech.）

Vol．29No．3

May2015

文章编号：1671－3559（2015）03－0172－07DOI：10．13349/j．cnki．jdxbn．2015．03．005采场顶板岩块回转的应力演化及稳定性分析

吕海洋，唐春安，唐世斌

（大连理工大学岩石破裂与失稳研究所，辽宁大连116024）

摘要：针对煤炭开采中的主要安全隐患采场顶板冒落问题，以采场顶板断裂成的关键块体为研究对象，通过理论公式推导与数值模拟相结合的方法，分析顶板关键块体在回转过程中的应力演化。结果表明：在完全对称回转情况下，随着回转角度的增大，初期水平推力增速较缓，后期增速加快；非对称情况下，水平推力整体变化趋势与前者相似，但在增长过程中由于非对称破坏的存在，导致其出现较大的波动；在顶板回转初期或顶板断裂度i＞3时，极易发生滑动失稳破坏；随着回转角度的增大，水平推力增大导致岩石被挤碎，发生回转失稳，这种现象在i＜3时尤为明显。

关键词：关键块体；数值模拟；水平应力；滑落失稳；转动失稳

中图分类号：TD325文献标志码：A

Stress evolution and stability

analysis of rocks of stope roof in rotation procsses

LYU Haiyang，TANG Chunan，TANG Shibin

（Institute forＲock Instability and SeismicityＲesearch，Dalian University of Technology，Dalian116024，China）

Abstract：Stope roof caving is a major problem in coal mining．Taking the key blocks of broken roof as the research object，we ana-lyze the stress evolution of the key blocks in their rotation process by theoretical formula and numerical simulation．It is shown that，in the case of perfectly symmetrical rotation，with the increase of rotation angle，the initial horizontal thrust grows slowly at first and then grows fast；in the case of unsymmetrical rotation，the changing trend of horizontal thrust is similar to the symmetrical case，however，there exist large fluctuations in its growth process due to the impact of non-symmetry breaking．After investigating the instability mode of the key blocks，we know that sliding instability is prone to occur when the rotating angle is small or the degree of roof rupture i＞3，and that，with increasing of rotation angle，the increased horizontal thrust will lead to rock broking and instable rotation，and this phenomenon is particularly evident as the small degree of roof rupture i＜3．

Key words：key block；numerical simulation；horizontal stress；sliding instability；rotation instability

煤层开采引起的上覆岩层移动及地表沉陷等问题一直广受学术界关注，引起这些问题的根本是采场上覆岩层的破坏模式和破坏后所形成结构的稳定性。为分析研究上覆岩层的结构以及应力变化，需要将其实际结构进行简化。砌体梁理论是钱鸣高院士提出的，可以描述上覆岩层结构及其运动复杂性的力学模型，这一模型并不是单纯的岩块堆砌，而是一个包含了岩层断裂失稳、岩块间及岩块与周围连续岩层的接触铰接。砌体梁结构稳定与否，决定了采场的矿山压力，其失稳模式包括滑落失稳

收稿日期：2014－03－09网络出版时间：2014－07－0608：46

基金项目：国家自然科学基金（51174039）；国家重点基础研究发展计划（2014CB047100）；高等学校博士学科点专项科研基金（博导类）（20110041110015）

作者简介：吕海洋（1989—），男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士生。

通信作者：唐春安（1958—），男，湖南黔阳人，教授，博士，博士生导师。

网络出版地址：http：//www．cnki．net/kcms/doi/10．13349/j．cnki．jdxbn．2015．03．005．html

和转动变形失稳。

近年来砌体梁理论有了长足的发展，钱鸣高等［1］对砌体梁结构的相关理论公式进行了推导，同时分析了上覆岩层形成的关键块体，并建立了稳定理论；许家林等［2］分析了上覆岩采动裂隙的分布特征；矛献彪等［3］基于砌体梁结构，计算了采动覆岩中复合关键层的断裂跨距；缪协兴等［4］研究了采场覆岩关键层破断与冒落规律；付玉平等［5］对砌体梁的水平应力公式进行了改进；鞠金峰等［6］在砌体梁基础上分析了悬臂梁结构的运动形式；刘宁波等［7］、曹召奇［8］、贾明魁等［9］将砌体梁结构的稳定性理论应用到生产实践中。为能有效控制岩层冒落，需要对砌体梁的结构稳定性进行更深入的研究，进而有效控制地表沉陷等问题。

由于地下岩体的复杂性，仅通过理论分析研究是不够的［10］，而现场观测又有一定的局限性，因此数值分析成为不可或缺的研究方法［11－12］。采场顶板回转冒落和岩层移动属于大位移现象，非连续位移分析（discontinuous deformation analysis，DDA）方法是由石根华博士提出的，分析块体系统运动和变形的数值方法［13－14］，该方法研究的对象是节理切割而成的块体系统，考虑了单个块体及整个系统的运动过程，并引入动力学方程用牛顿第二定律来描述运动体系，块体之间的接触由惩罚函数描述且不能相互嵌入［15］。DDA方法自身具有的特点，使其在计算岩层移动时有明显的优势。

实际工程中顶板回转冒落的情况较为复杂，为了计算回转过程的应力，在理论研究中，常通过引入假设对采场实际情况进行简化，导致理论结果与实际存在一定的误差，而且非对称破坏情况下的公式推导难度较大。

采用计算块体大位移的DDA方法，可以准确地模拟复杂的现场情况。我们通过理论分析和DDA 数值模拟相结合的方法，对砌体梁结构中关键块体回转下沉过程中的应力演化进行分析，进而掌握关键块体失稳规律和失稳模式，以期为开采安全提供指导和参考。

1对称关键块体的受力分析

砌体梁力学模型［1］如图1所示。其中，A、B块体下方为采空区，B块体与A、C块体铰接处为裂缝，若铰接强度不足，可能会发生滑落失稳或转动失稳。

由于C岩块及后面关键块体受到垫层的支持，忽略它们对采空区顶板岩体的影响，仅考虑采空区上方的关键块体。将砌体梁结构进行简化，建立新的力学模型，采用理论推导和数值计算相结合的方法分析关键块体回转过程中的应力变化情况

。

图1砌体梁力学模型图

岩层顶板发生回转冒落时，发生断裂后的岩块

长度主要取决于岩性及受力状态。考虑开采过程的

周期来压，可将采空区上方破坏后的岩层简化成两

个长为l、高度为h的关键块体。顶板关键块体的冒

落可分为两种情况，两块对称回转变形失稳和非对

称失稳。

1．1理论模型

由于关键块体在回转下沉过程中会产生弹性变

形，通过考虑严格的变形几何对应关系，可以提高应

力推导的精度。付玉平等［5］对对称回转变形的关

键块体进行了力学分析，并得出了较理想的结论。

关键块体A左端及B右端铰接位置固定不变，两岩

块中间接触形成贯通裂缝，关键块体回转下沉的简

化模型如图2所示。为计算岩块变形量，假设周围

岩体刚度无限大，忽略其变形，同时假设关键块体均

匀且各向同性。

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第3期吕海洋，等：采场顶板岩块回转的应力演化及稳定性分析