煤层开采卸压裂隙场分布特征及演规律研究

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

2、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：dufdtm对左半部分在t时刻中心差分并整理，得( )(/2)(/2)tttttfuutm利用半时间步处存储的速度，位移可表示为()( )(/2)tttttuuut1）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( )(/2)(/2)(

3、)(/2)(/2)()()tittttiiitttttfuugtmmti()( )(/2)()( )(/2)tttttiiitttttxxutt二维离散元的基本方程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：iiifugmzcliiiiffff 为单元内部应力，由式 计算得出。zifziijjcfn dsciflif 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(/2)(/2)( )tttttiiituufm,1()21()2iji jj iiji jj iuuuu二维离散元的基本方程3.udec中的接触问题两个块体间

4、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 。nknnnku 0nsksmaxtansnc esssku maxsmax()sssignuudec基本分析步骤煤岩体损伤演化及本构模型损伤演化方程00()fuffuufd 单向应力状态下损伤可

5、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fu2212其中， 和 为主应变12(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， ,221(0)tiii221(0)ciiittccdddtdcd2()tt2()cc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。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tijij22(1)tjdj其中， 。212ijijjs s展开并化简，得(1)()33ij

6、ijttijkkijkkd(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33ijijtkkkk(1)3ttijijijkkdd 2tetetijijkkijg 22 (1)()3etetijijijkkgddg22 (1)()3eeijijijkkgddg对上式求微分，可得222 (1)()33eeeeijijijijkkkkdgd ddddg dgdd(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

7、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123(1,3)epiiieeei 1112223332 (1)(32)2 ()2 (1)(32)2 ()2 (1)(32)2 ()eeeemmeeeemmeeeemmgddggdgddggdgddggd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量加上前一时间步应力所得的弹性猜想。1111222233332 (1)(32)2 ()2 (1)(32)2 ()2 (1)(32)2 ()ioeemmioeemmioeemmgddggdgddggdgddggd煤岩体损伤演化及本构模型弹

8、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(1,3)spsiigei1230psppseeen 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1122331(32)2 (1)31(32)31(32)2 (1)3nisnisnisndggdndgndggd n13(,)22 (1)(1)()(1)(1)3siisfgdn ndgnn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1,3tptiigei

9、（）12300pppteee 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1122332()32()322 (1)()3nitnitnitdgdggddg3()22 (1)()3titfgddg煤岩体损伤演化及本构模型透气性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：111()0()0()00011pppk edkk edk ed 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。/3ii1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confi

10、g 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

11、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

12、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

13、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。（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