开挖引起的煤岩变形损伤及界面破裂数值模拟

作     者：侯雪 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈新普;黄志强

授予年度：2011年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：煤岩变形 界面单元 数值模拟 损伤 倾斜煤层 

摘      要：为了提高煤层开采的有效性,安全性和经济性,通过模拟煤层倾角对煤层和上部岩体界面在开挖扰动载荷作用下的变形损伤演化的影响,研究了煤层变形损伤及界面软弱层系统破坏的机理,为瓦斯渗流和瓦斯突出灾难的机理分析打下了基础。 本文应用ABAQUS进行数值模拟,计算中采用了Drucker-Prager作为煤岩的屈服条件,Traction-Separate Law作为界面单元的损伤判定标准,将混凝土损伤本构应用到煤层损伤分析中。得到主要结论如下： (1)四种倾角模型最大与最小主应力值分别位于采空区左下方底板内和右上方顶板中,与水平煤层明显不同;垂直应力集中区范围不断转移扩大到下部底板;工作面前方的剪应力逐渐向前蔓延形成应力更高的集中带。 (2)沿煤层走向采空区顶板岩层出现弯曲下沉的特征,呈现不对称偏态漏斗型;上层顶板左右端以及煤层的开采面附近都出现较大偏向右侧的水平位移;煤层倾角越大,竖向位移越大。 (3)在扰动载荷作用下,界面刚度逐渐降低,采空区附近单元甚至产生失效,随着界面损伤的扩散,导致了周围结构的裂隙和缺陷的产生 (4)靠近工作面的煤层中裂纹受到较大张应力,致使裂纹扩展到周边介质,煤岩中出现损伤甚至失效,倾角越大,损伤越早出现,并且短时间单元达到失效。