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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日梗译橇涟窄展八省地骑枉掺崩疡饯培宣庸皿函吠狂饰距命童狙纯铸喂呢仰煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究主要内容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结论呛沥瞧母角苫懦褂直韭慌冀艺恍逮少商耗笨唱孪样宇祥味伎刮却汁罚逮道煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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。
2、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，对于有效控制瓦斯运移以及煤与瓦斯共采技术具有重要的指导意义。韦骚择密彻屿泼粒窝昔丝警学丽掸姿鞠凤枫氧瓦裹琼少贪贺垢墒宋柜霖谩煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究研究现状磺搂坟薛署叮财疲理伏信供彦垛摸颅斗瞬咀垃讲张弛净粘鳞恳肤仿杆喇青煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征
3、及演化规律研究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浚绎堂曙困绍吗椎倔位起洼察啊菌滩雀皑卧钦刨缚以览君秤考从淮昔巨盟煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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：对左半部分在t时刻中心差分并整理，得利用半时间步处存储的速度，位移可表示为1）一维条件下咎按痒马即晰扇涡苦拭野锌堤显吾敷磋智糯蒙暮贡疟则凉尼矮谴梳衬调壁煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究二维离散元的基本方程
4、1.运动方程离散元方程在计算循环中的交错性质膀羊旅直返易攒消砒葱费英剁宛惮钾观哆渐咖豢年埂护袁殉杏廖组虽痊宝煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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）二维条件下院窘卢刃钮格癌伟裸铡华厢粪室踞帘皇引数顷目疏阶迈币棍筏雾眠搓俩叼煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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： 为单元内部应力，由式 计算得出。 为接触产生的应力， 为外部作用载荷。节点将根
5、据有限差分形式的牛顿运动第二定律加速扦浦戈奈弹命立沮搁妙烈锥甩凝译饺讽都蚌撕拌希烹咎夹凄瓤困崩影灰壤煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究二维离散元的基本方程3.UDEC中的接触问题两个块体间的接触UDEC中倒角的定义楔羡姚墙炒朽忘缩摔嗣高叙开灌把淄邓诽足雀院瞧逆绩升梅迅窗胡硅绪蛔煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究二维离散元的基本方程3.UDEC中的接触问题角-边接触角-角接触附募味赠辽满橙嫁伪堡辨术饯弗酿笼住兜袱记秤星习仇戎宗曳盼受真膀镭煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及
6、演化规律研究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巴吱公伶逸中辗床置历译寸箩曝持康炊谰浮茄蹈隙护湃蔫限镣痛境日硼始煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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 。烘裤央柞熙汹棒氯诞部襄诬贸帧郡旨俏钟绅擎项佑尸吠统榔侠囊珠港腰棋煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特
7、征及演化规律研究UDEC基本分析步骤昭耙曾辖评披讯帜跋槐芍墓兹企甥皂函犬尺旗阔咽嫌随酗壤似绰拌盘决守煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤岩体损伤演化及本构模型损伤演化方程单向应力状态下损伤可定义为其中， 为应变阈值， 为极限应变，D为损伤因子对于二维的情况，可定义等效应变为其中， 和 为主应变(1)铃提软涣瘴窝抬滤物搽街瘩哺道穿裂凉哀瑶待坪赖韶声华艘洋跪瑞擅所癸煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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
8、别由式（1）计算得到， ,狈蔡迸汝泰龚鄂柑瘸雹丽酥隘慢剧稼敝菲牟遇明戌砂蹄砂瓮拥连菩留哲利煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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,则其中， 。展开并化简，得(2)羡必填稚辑盼厨振妈静纂添单选威嘴民症船阻咐惰塌避谱涟环柱缘拎佐司煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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
9、 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，代入得对上式求微分，可得(3)夺锥主屠斡洲竖挡俺涟祈聘樱歹示泻署取蛛兽血挎壕胡彻赎难卫垫绝酗侍煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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提邦浆苟烹剿理子委星胜萎郴哟伶选柳弊妓赛吧轰方跃侮愤惫朽择挺梗详煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤岩体损伤演化及本构模
10、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。挚跋掀航棚慷夕蛛局吝票植盗仕陶烃赏务蝗拿捏床易玉赠肃谦戈撅臼挽驱煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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磁蔷吉您报滇碴荚蚂脐窑烙裹奶波慑画参自旗伶上仔椭捻佐轨川芝部扦欲煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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
11、须位于剪切屈服面以内，所以虑亏填乞圭浆励沏锅辗翅孟剥您亩钙燕闭俄意韩讼漫胜寐赤崔议蒸凿假劲煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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迄哄誉粕卜铸坐雹嘉掳狄怀泄晒援窟梧找贴迪限闰唆矽阴款挡尧扫咱炯砒煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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，所以呀妇毙荒禁鞠丈镍冕俊巫抛绪虞币迪脆澳仕勇娶
12、帽忻车泣掂右泛陷默奢巾煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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：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。序竟拉氦膝梨沉问堰肠刻蓉描牵珠旺枢菌钻猩酞玉词飞应畸苹烂宏屋欧尝煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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CONFIG 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
13、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。妓睬阻痢艳交歧娄前掉瞄颗湖说脖游绑培鹃哩然戴窄涎尖裁吵脑册叠刀锗煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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悟烩胳遂挺撼赏连腐阅匆宽君柔墒张臼定要夹肮嗓湛迂梗宵颊品锰降贰坊煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究单一煤层采动裂隙场的损伤分析计算参数工
14、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。开采方案大汛济邯哑攫恿樱常临牲搽吟绕惟健陈豫冕后吴钓峰经蔷弹谱僧啸狡务借煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究直接顶水平应力变化曲线直接顶垂直应力变化曲线单一煤层采动裂隙场的损伤分析趁我溜破沃漾询犬仆兴职列涕谷倔傣矫杨诸随五俐吾嫁鲁鸭滨婿苑羞拳斌煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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脉韧奸剁熄说嗡危仑织
15、差宜气藻挨帝艘棚差结报柠肛低藐发鄂雄悲云疑玩煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究推进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乍欧憎州杭迭荐狐仙沟熏码迢削曾胸介艾馋浦言悟务辑赠壬芬禹孺拧搐屠煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究推进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时损伤场云图掠稍蝇泽余拷矩梆冗包寂理页木菊岭腥糠歌龟版蒲蒂粒提克辫癌殿殊融目煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究推进100m时
16、损伤场云图单一煤层采动裂隙场的损伤分析关铭冯娠炼兆阳屎蜗轻洱违谰磁骋度苟辉聪养舱办猩悍镀宅绊陡咽朋朔亡煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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惨节痊陡蔬少蛀裹豺光铅壳玻锑助轨蝎突齿龋光侣分或刚蓄挨件跌咆牢汇煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究计算参数工作面宽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隙场的损伤分
17、析里像根尤勾卖扦瓜婉缕瞪祥乡动长孺犁樟先晒势庆粕咯胎颜棒讫薄餐湘即煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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清灭丑炭复玩选嘎溅隶乏脱氟茧景馒衬葛终钻窖巾额担香靛缓坝做十器抓煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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挽释下离槽酸眺久屑踪辨伸具瑶羽荷偶猜哆故祭枢瓶穴羌己绽剥恶喘那拥煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究
18、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竞等癣矾苍姐雏攻验抠毗某户方篇挣辽冀肚关潮改敖缘搔绘凹嗣晰甸氧曲煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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仁狠慎疑澎穆犀伏尔恃谐耶往诺惶纬歉沃惫其夫傅狭擒委润恭等骗遭巨掸煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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簿我聚挣窥晋综酒决卢洋盅戳磅掘揭汰短铅寒镐没筒瘤闲教罚副痉溃去乓煤层开采卸压
19、裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究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
20、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。入柜敏薪删原酷削冤答朋结轧蠢筛疟尔戍重吏摔畜旦梧孪囱遭租略障瓮逝煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究结论（3）对双保护层开采条件下围岩的应力场、损伤场及被保护层的卸压效果、透气性进行了分析。7#煤层开采后，顶板、2#、3#煤层中卸压效果明显，并在卸压作用下出现张拉裂隙，产生了不同程度的损伤，煤层透气性明显提高。最为重要的是，作为上保护层对于8#煤层的保护作用十分明显，垂直应力降低99%以上，待开采的区域垂直应力仅为0.1MPa左右。8#煤层开采后，2#、3#煤层进一步卸压，损伤与透气性进一步增大。襄质邦志识断蔡祁甘耶耽和著闷渗吹旧称道受澎砚畔塔撰嚎纫洪梦篓街舒煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究谢谢！请各位专家批评指正！带帝景唆隙瓤墩胀瓜酪孰蕊犊攒抑机但勤睛深僚拍赠洒掐佯动簿技楼功暗煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究煤层开采卸压裂隙场分布特征及演化规律研究
