采场底板变形破坏机理.ppt

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1、§5采场底板变形破坏机理实际岩层中分布着呈一定分布规律的原始裂隙，当岩层应力状态发生变化，一旦应力达到其强度条件时，裂隙就会扩展，使岩层的渗透性增大。岩体的破坏方式是内部裂隙的扩展。连续介质材料的强度理论并不适合于裂隙岩体。采用岩石断裂力学理论，讨论裂隙岩体的裂纹扩展，并作如下假设：①裂隙成组随机分布；②裂隙的扩展会相互影响；③岩体一般处于三向压应力状态；④有的裂隙中含有承压水。一、裂隙扩展的条件与判据1裂隙扩展的条件基本假设：①岩体中有两组随机分布裂隙；②单个裂隙的形态为便士型(即圆形且开度远小于半径)。根据断裂力学，便士

2、型裂纹在单向拉应力作用下的应力强度因子为：式中：a—便士型裂隙的半径。根据断裂力学，当应力强度因子KⅠ等于材料断裂韧度KⅠC时，则裂纹发生扩展，即：（1）（2）由上式看出，对于确定的材料，裂纹尺寸a反映了裂纹抵抗扩展的能力，这种能力可定义为“裂纹强度”，它可理解为使裂纹扩展施加于裂纹面法向上无穷远处的临界拉应力，用S表示，即：由上式可知，对于确定的材料，裂纹半径a越大则强度越小。底板岩层一般处于三向压应力状态，裂隙扩展可看作在压应力作用下，沿最小主应力方向上产生张应变而引起的。最小主应力方向产生张应变的条件为：即有：（3）（

3、4）（5）室内单轴压缩试验表明，对含有裂纹的试件，裂纹面与轴向压应力方向的夹角β≤60°时才会发生裂隙扩展，否则破坏面不沿原裂隙方向，即裂纹扩展必须满足：式(5)和式(6)就是裂隙扩展的条件。2裂隙扩展的判据假设：①裂隙扩展是由于张应变引起的；②三轴压应力状态下与单轴拉应力状态下的张应变对裂隙扩展的作用等效。根据这两个假设，则可在三轴应力状态下应用单轴应力状态下的裂纹扩展判据。（6）定义与三轴应力状态下在最小主应力方向上产生相等张应变的单轴张应力为三轴应力状态的等效张应力，即σe，则有：把σe代人(3)式得：式(8)就是三向

4、应力状态下裂隙扩展的判据。2种特例：①当裂隙面法向与σ3方向成β角时，a取在最小主应力方向垂直面上的投影长度,即：取acosβ。判据变为：（7）（8）②当裂隙中含有承压水时，裂隙扩展的判据为：其中：式中：Pw—承压水水压；σe—等效拉应力；β—裂隙面法向与σ3方向的夹角。二、采场底板岩层裂隙扩展的断裂力学分析根据裂纹扩展的第1条件可以确定出底板岩层的张应变区；在张应变区内根据裂纹扩展的判据式(8)，可进一步求出底板岩层裂隙扩展的临界尺寸。由式(8)得：（9）1237面开采第一分层后底板岩层裂隙扩展区与临界扩展尺寸计算图：底板

5、岩层裂隙扩展区与临界扩展尺寸1—煤层；2—采空区；3一裂隙扩展区边界线；4一裂隙临界扩展尺寸等值线；5一裂纹临界扩展半径(mm)结论：产生裂隙扩展的底板岩层深度为17m。27m三、裂隙连通止裂方式在三向压应力状态下，使裂隙扩展的是σ1、σ3作用下岩石产生的横向张应变。在张应变作用下，裂隙面会张开，从而在裂隙两侧会形成应变解除区，一旦某一裂隙扩展到另一裂隙的应变解除区，则停止扩展。裂隙停止扩展的另一方式是两裂隙连通。裂隙连通止裂方式