双系煤层采动导水裂隙演化规律的FDEM耦合模拟研究
李浩1
白海波2
马立强3
康志勤1
李志永4
缪小成5
武鹏飞1
韦婕1
1.太原理工大学原位改性采矿教育部重点实验室,山西太原 0300242.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州2111163.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 2111164.徐州中矿岩土科技股份有限公司,江苏徐州 2111165.晋能控股煤业集团,山西大同 037003
摘要：采动覆岩裂隙分布演化是防治顶板水害、实现煤矿地下水资源保护的基础,其数值结果准确性的关键在于采动覆岩连续-离散转化及其耦合力学响应特征.在纯拉、纯剪断裂模式下引入弹塑性损伤力学,结合Benzeggagh-Kenane断裂准则,得到准脆性岩石在拉、剪复杂应力下的混合型韧性断裂(MD)本构方程;构建离散块体接触状态判据,结合直剪实验数据与Sargin剪切摩擦关系,导出适用于多种法向应力下的粗糙结构面压缩-剪切摩擦(SF)本构方程.在此基础上,编制有限元V离散元(FDEM)数值计算程序,实现采动覆岩"连续"-"离散"介质转化过程.在数值计算中,分别将摩擦和断裂属性赋予结构面(接触对)、零厚度黏聚力单元,通过共享节点力的方式实现岩石断裂-摩擦耦合.采用断裂力学实验和直剪试验识别材料参数并验证MD-SF本构方程的合理性.在此基础上,模拟研究双系煤层采动导水裂隙随工作面推进的演化规律.结果表明:①MD-SF本构方程组及相应的FDEM数值计算方法,可实现岩体从连续介质到离散介质的转化过程,较好反映准脆性岩石混合型韧性断裂及粗糙结构面的剪切摩擦响应;②模拟条件下,岩层与煤层间距越小,导水裂隙总宽度随大,且开采过程中裂隙总宽度是覆岩运动稳定后的2.26～7.11倍,表明采动过程中更容易出现水害;③高岭土砂岩显著的韧性破坏特征能有效控制其内导水裂隙高度,但在双系煤层重复开采扰动下,覆岩裂高比为20.8,远超经验公式所得结果.采动覆岩导水裂隙高度成果在大同矿区得到应用和检验,为进一步开展采动覆岩运动、水体下安全采煤、保水采煤设计等提供理论支撑.
关键词：双系煤层导水裂隙带连续-离散介质韧性断裂压剪摩擦
分类号：TD745(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(42102310)
论文发表日期：2022-12-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：12( 4443-4454 )
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