1、煤层开采卸压裂隙场分布 特征及演化规律研究 答辩人：张弢 导 师：高峰 教授 2012年 5月 13日 主要内容 1 绪论 2 非连续介质离散元法基本理论 3 煤岩体损伤演化及本构模型 4 单一煤层采动影响下煤岩体裂隙场的损伤分析 5 双保护层开采条件下煤岩体裂隙场的损伤分析 6 结论 研究背景与意义 长久以来，瓦斯一直都是危害煤矿生产安全的主要因素之一 。 瓦斯作为一种有害的气体，对环境的影响很大。 作为一种与煤共生、无法再生的资源 ， 瓦斯是一种高效、清洁 的能源 。 瓦斯和煤岩具有 “ 共生 ” 、 “ 共储 ” 的特点，煤岩体在采动扰 动下会产生变形、破断，为瓦斯的富集、运移提供裂隙通
2、道。 发现并掌握采动裂隙场分布特征和瓦斯运移的规律，对于有效 控制瓦斯运移以及煤与瓦斯共采技术具有重要的指导意义。 研究现状 主要研究内容 损伤演化方程及弹塑性损伤本构模型 基于 UDEC的二次开发 单一煤层采动裂隙场的损伤分析 双保护层开采条件下裂隙场的损伤分 析 二维离散元的基本方程 1.运动方程 牛顿第二定律可以写成如下形式： 对左半部分在 t时刻中心差分并整理，得 利用半时间步处存储的速度，位移可表示为 1）一维条件下 二维离散元的基本方程 1.运动方程 离散元方程在计算循环中的交错性质 二维离散元的基本方程 1.运动方程 运动方程为： 根据上式定义块体的新位置： 1）二维条件下 二维
3、离散元的基本方程 2.块体行为模式 节点力为三项之和： 三角形单元的顶点称为节点，每个节点的运动方程如下： 为单元内部应力，由式 计算得出。 为接触产生的应力， 为外部作用载荷。 节点将根据有限差分形式的牛顿运动第二定律加速 二维离散元的基本方程 3.UDEC中的接触问题 两个块体间的接触 UDEC中倒角的定义 二维离散元的基本方程 3.UDEC中的接触问题 角 -边接触 角 -角接触 二维离散元的基本方程 3.域接触检测 两个可变形块体的接触与域 二维细胞空间的划分 二维离散元的基本方程 4.节理行为模式 在法向上，假设应力 -位移关系是 线性的并由法向刚度 控制： 如果超过了节理的抗拉强度
4、 T，则 。 与法向类似，在切向上，响应由切 向刚度 控制，但切应力 还受内 聚力 C和摩擦角 联合控制。 如果 ，则 。 如果 ，则 。 UDEC基本分析步骤 煤岩体损伤演化及本构模型 损伤演化方程 单向应力状态下损伤可定义为 其中， 为应变阈值， 为极限应变， D为损伤因子 对于二维的情况，可定义等效应变为 其中， 和 为主应变 (1) 煤岩体损伤演化及本构模型 损伤演化方程 定义等效拉应变为 ，定义等效压应变为 则二维物体的损伤可表示为 其中， 和 分别由式（ 1）计算得到， , 煤岩体损伤演化及本构模型 弹性损伤本构模型 假设岩体是由无损基体与损伤体构成，并且损伤全部是由偏应力造成 的
5、。 用 表示岩体中无损岩体的应力张量，用 表示岩体的应力张量 ,则 其中， 。 展开并化简，得 (2) 煤岩体损伤演化及本构模型 弹性损伤本构模型 静水压力不引起损伤，所以 ,代入上式得 将 Hoke定律 代入上式，可得 由于变形是协调的，所以基体的应变与岩体的应变相等，代入得 对上式求微分，可得 (3) 煤岩体损伤演化及本构模型 弹塑性损伤本构模型 UDEC中，规定拉应力为正，并且按照从小到大的顺序对主应力排序 相应的主应变增量可分解为弹性和塑性部分 根据式（ 3）可得描述主应力应变关系的损伤本构增量形式 煤岩体损伤演化及本构模型 弹塑性损伤本构模型 用上标 I表示用总应变增量计算出的应力增
6、量加上前一时间步应力所得 的弹性猜想。 煤岩体损伤演化及本构模型 弹塑性损伤本构模型 1. 剪切修正 流动准则有如下形式： 对剪切势函数偏微分后，可得塑性应变增量为 煤岩体损伤演化及本构模型 弹塑性损伤本构模型 1. 剪切修正 实际上，应力增量只由弹性应变产生。 新的应力点必须位于剪切屈服面以内，所以 煤岩体损伤演化及本构模型 弹塑性损伤本构模型 2. 拉伸修正 流动准则有如下形式： 对拉伸势函数偏微分后，可得塑性应变增量为 煤岩体损伤演化及本构模型 弹塑性损伤本构模型 2. 拉伸修正 实际上，应力增量只由弹性应变产生。 新的应力点必须位于拉伸屈服面以内，所以 煤岩体损伤演化及本构模型 透气性
7、系数与损伤的关系 根据文献的研究，一维情况下，单元透气性系数描述如下： 当单元处于多向应力状态时，用平均主应力 代替 ，这样就将 一维的情况推广到了三维。 煤岩体损伤演化及本构模型 程序的编制与调试 生成的模型可以通过 CONFIG cppudm命令 配置， MODEL load damage.dll命令加载 。 将损伤演化方程写入本构，并设置开关 变量 switch控制耦合步长。 使用 UDEC内置的 FISH语言编写计算透气 性系数的函数供以后调用。 单一煤层采动裂隙场的损伤分析 计算模型 模型尺寸：走向 240m，高 100m 边界条件： 上边界施加 4.5MPa的载荷代替上部岩体自重
8、左右边界约束 x方向速度为 0 下边界约束 y方向速度为 0 单一煤层采动裂隙场的损伤分析 计算参数 工作面共推进 100m，左右两边各留 70m的煤柱，初始应力场由重 力产生。整个推进过程分成 5步，每步开挖 20m，开挖通过删除块体 的方式实现。 开采方案 直接顶水平应力变化曲线 直接顶垂直应力变化曲线 单一煤层采动裂隙场的损伤分析 采空区上方不同高度垂直 应力变化曲线 采场垂直应力云图 单一煤层采动裂隙场的损伤分析 推进 20m时采场竖向位移云图 推进 60m时采场竖向位移云图 推进 100m时采场竖向位移云图 推进 20m时损伤场云图 推进 40m时损伤场云图 推进 60m时损伤场云图
9、 推进 80m时损伤场云图 推进 100m时损伤场云图 单一煤层采动裂隙场的损伤分析 双保护层采动裂隙场的损伤分析 计算模型 模型尺寸：水平方向 350m，垂直方向 300m，煤层倾角 20。边界条件： 上边界自由 左右边界约束 x方向速度为 0 下边界约束 y方向速度为 0 计算参数 工作面宽 200m，左右两边各留 75m的煤柱，初始应力场由重力产 生。 开采方案 双保护层采动裂隙场的损伤分析 7#保护层开采后采场垂直 应力分布图 8#保护层开采后采场垂直应 力分布图 双保护层采动裂隙场的损伤分析 7#保护层开采前后 8#煤层垂直应力变化曲线 双保护层采动裂隙场的损伤分析 2#煤层垂直应力
10、变化曲线 3#煤层垂直应力变化曲线 双保护层采动裂隙场的损伤分析 7#煤层开采后损伤场分布图 8#煤层开采后损伤场分布图 双保护层采动裂隙场的损伤分析 2#煤层透气性系数变化曲线 3#煤层透气性系数变化曲线 双保护层采动裂隙场的损伤分析 结论 本文利用损伤的大小来描述裂隙发育程度，从唯象的角度研究 采动裂隙场的分布与演化规律，得到以下几点结论： （ 1）从弹塑性力学出发，结合损伤力学相关理论，推导出了弹性 本构模型、弹塑性本构模型的基本方程， 并连同损伤演化方程 通过 VC+将其程序化后加入 UDEC。同时在前人的研究基础之上，利用 UDEC中内置的 FISH语言实现了透气性系数 的 计算函数
11、。 （ 2）对单一煤层采动影响下损伤场、应力场、位移场进行了分析 。研究表明：损伤场的分布形态与工作面推进的距离有一定关系， 当推进度较小不能充分影响上覆岩层时损伤场分布形态为拱形，当 推进度逐渐增大后逐渐变为 “M” 形，煤柱中的损伤则是随着开采 的进行不断向远离采空区方向延伸。采空区上方为卸压区，位于卸 压区内的岩体透气性较开采前会有提升，而切眼与工作面前方应力 集中区的透气性则会降低。垂直位移最大值位于采空区中部并随着 工作面的推进不断前移，也越来越大。 结论 （ 3）对双保护层开采条件下围岩的应力场、损伤场及被保 护层的卸压效果、透气性进行了分析。 7#煤层开采后，顶板、 2#、 3#煤层中卸压效果明显，并在卸压作用下出现张拉裂隙， 产生了不同程度的损伤，煤层透气性明显提高。最为重要的是 ，作为上保护层对于 8#煤层的保护作用十分明显，垂直应力降 低 99%以上，待开采的区域垂直应力仅为 0.1MPa左右。 8#煤层 开采后， 2#、 3#煤层进一步卸压，损伤与透气性进一步增大。 谢谢！ 请各位专家批评指正！
