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力作用下产生的分位移。 140 2）老顶断裂时将产生垂直向下的位移，重力必然会在这个过程中对老顶做功，同样， 取一个点为研究对象，求得重力做的功为： Wgi=mi(gxUx+gyUy) （3） 式中：mi 为节点质量；gx，gy为节点在x，y 方向上的重力加速度分量；Ux，Uy为在重 力作用下产生的分位移。 145 3）老顶断裂时消耗的能量 老顶断裂过程中必然会消耗和转化一部分能量，主要包括塑性变形消耗的能量Ws，顶 板节理中能量的消耗Wj，计算式如下。 Ws=ΔWT- ΔWe （4） 式中： ΔWT 为老顶能量增量； ΔWe 为老顶弹性能增量。 150 Wj= fs Δ h （5） 式中：fs 为断裂前剪切力与断裂后剪切力平均；Δ h 为在剪切力作用下产生的剪切位移。 4）老顶断裂后仍然具有的应变能能量 根据能量计算原理分析，建立计算式如下。 Wc= ( ) 2 1 ∫ ε −ε dV （6） 155 式中： ， 分别为始态和末态的应变能体密度。 根据能量原理可知，Ws 主要指老顶弯曲变形、断裂过程中发生塑性变形所吸收的部分， Wj 是老顶存在大量的客观节理弱面，断裂时节理间发生剪切、摩擦等造成的能量损失，由 老顶非连续弱面的性质决定， Wc 为老顶断裂后还存在的应变能能量余值。由于依靠传统的 能量模型计算不能完全说明实际工程地质条件下开采的能量释放情况，所以建立数值模拟模 160 型进行分析，利用UDEC 中的fish 内置函数对上述能量进行模拟求解。 4.2 能量求解 经过以上分析，确定了老顶断裂时能量构成及能量转化过程，考虑到在初次来压期间老 顶能量释放最大，利用UDEC软件的fish函数对初次来压时不同厚度老顶的各部分能量进行 统计计算，得到了能量变化趋势曲线。通过分析能量变化曲线发现3个模型之间变化趋势基 165 本一致，下面以10m厚度的老顶为例进行分析，作出UDEC能量变化趋势线，如图4-图8所示， 总能量计算结果如表2所示。 图4 W随时步变化曲线 图5 Wg 随时步变化曲线 图6 Ws 随时步变化曲线 Fig.4 Characteristics of W with step Fig.5 Characteristics of Wg with step Fig.6 Characteristics of Ws with step 图7 Wj 随时步变化曲线 图8 Wc 随时步变化曲线 Fig.7 Characteristics of Wj with step Fig.8 Characteristics of Wc with step 表2 顶板能量计算结果 Table 2 Roof energy results 能量 情况 W /(MJ) Wg /(MJ) Ws /(MJ) Wj /(MJ) Wc /(MJ) Wr /(MJ) 5m老顶 98.1 21.1 60.49 43.55 6.56 8.6 10m老顶 241.7 50.65 156.7 118.0 5.47 12.18 15m老顶 271.9 36.9 185 101.5 8.32 13.98 由式1 可知，要减少老顶断裂时释放的能量值，需要增加Ws、Wj、Wc 的值，减小W、 175 Wg 的值。由式2 可知W 能量值的大小主要与工程地质埋深或上部载荷有关，控制难度较大； 由式3 可知，Wg 能量值的大小与老顶质量及老顶运动位移密切相关，在采高一定的条件下 减少老顶的质量对重力势能的减少起着决定性作用；而另一方面，增加Ws、Wj、Wc 的值 则要求老顶发生更大的塑性变形，产生更多弱面，客观节理剪切、摩擦消耗更多的能量。通 过增加老顶断裂运动过程的能量消耗，减少外部载荷对老顶的能量输入，减少自身的重力势 180 能等措施来减少老顶断裂时能量的释放，以上措施也从能量角度解释了对老顶实施松动爆 破、注水软化、切断顶板等控顶措施在防治顶板事故、冲击地压方面的具体原因。 由表2 可知，老顶初次断裂释放的能量随着老顶厚度的增加而增加，增加幅度逐渐变小， 分析原因为老顶厚度越大，顶板岩层悬顶距就越大，在长期受力作用下顶板发生塑性弯曲， 使得能量在塑性变形中消耗量过多的能量，最终使得释放值降低。外部载荷对老顶所做功W 185 的值基本等于老顶断裂过程中的能量消耗值Ws、Wj 之和，在3 个模型中均呈现出明显的一 致性。在类似地质条件或类似矿区，对于15m 以上厚度的老顶可基本推测出初次断裂能量 的释放值。老顶断裂时释放的能量在诱发冲击性顶板事故、冲击地压事故中起着决定作用， 减少老顶的厚度是减少能量释放的重要途径。现有研究成果[14-15]认为在采矿过程中能量释放 值达到105J 就可能诱发冲击危险区域发生冲击地压，并且能量释放值越大就越容易诱发冲 190 击事故。文中根据计算所得的能量释放值已远大于临界值，在这样厚度、悬长的老顶条件下， 若存在应力相对集中区或已经具备冲击条件的区域，初次断裂释放的能量必然会诱发冲击危 险区域大规模的冲击地压事故，对老顶断裂时能量释放过程和释放值的控制对防治冲击地压 事故具有重要作用。综上分析，在能量控制措施上降低W 比控制Wg 难度更大，因此将减 少老顶重力势能值视为减少冲击地压事故、防止大面积来压的根本方法，有必要在采矿过程 195 中对老顶采取及时切顶、松动爆破、注水软化等措施，减少老顶重力势能，降低上部载荷对 下部岩层的能量传递效率，增加老顶断裂过程中能量消耗，减少老顶能量积聚，确保释放的 能量低于诱发冲击的极限值，保证安全生产。 5 结论 1）利用离散元程序UDEC 对顶板断裂进行模拟，为顶板断裂能量转化分析提供了新方 200 法。顶板超前最大剪切应力在断裂分析中更加敏感，随着老顶厚度的增加，初次来压和周期 来压步距均增加。老顶断裂前均有较小的应力释放，应力释放台阶与老顶裂缝的产生密切相 关，对应力释放台阶的准确判断决定了对老顶断裂来压的控制质量。 2）根据建立的老顶断裂能量释放方程，确定了增加老顶断裂运动过程的能量消耗(Ws、 Wj、Wc)、减少外部载荷对对老顶的能量输入(W)、减少自身的重力势能(Wg)等方法可用来 205 降低老顶断裂时能量的释放。 3）老顶初次断裂释放的能量随着老顶厚度的增加而增加，增加幅度逐渐变小，外部载 荷对老顶所做功W 的值基本等于顶板的能量消耗值Ws、Wj 之和，在3 个模型中均呈现出 明显的一致性，根据能量控制原理，总结出减少老顶重力势能，降低上部载荷对下部岩层的 能量传递效率，增加老顶断裂过程中能量消耗，是减少顶板事故、冲击地压事故发生的根本 210 措施。 原创学术论文网Tag：代写电子论文 代写论文 代写毕业设计 代写机械论文 |
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