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覆岩裂断损伤能量耗散区最大高度确定方法 

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申请/专利权人:山西大同大学

摘要:本发明涉及采矿工程中覆岩破断特征领域,具体涉及覆岩裂断损伤能量耗散区最大高度确定方法。沿工作面倾向,即沿工作面面长方向的二维平面进行覆岩裂断损伤能量耗散计算,工作面回采方向取单位长度,求解覆岩裂断损伤能量耗散区最大高度。根据岩层移动的“黑箱”理论,以能量耗散指标定量研究覆岩采动损伤的程度和范围,将煤层直至地表的整个覆岩结构视为一个系统,不再考虑覆岩裂断损伤的内部运动及破坏过程,只分析能量耗散区的空间形态及破坏最终状态,计算结果能够涵盖覆岩微裂隙发育的弹性损伤范围,计算结果更加准确。

主权项:1.覆岩裂断损伤能量耗散区最大高度确定方法,取沿工作面面长方向的二维平面进行覆岩裂断损伤能量耗散计算,其特征在于,包括如下步骤:根据能量守恒定律,得Em=Ed1式中,Em是开采煤层中储存的总应变能,Ed是能量耗散区储存的总应变能;工作面煤层回采采用全部垮落法管理顶板,忽略体力的影响,得 其中,Tip是作用于煤层未开采前表面上的应力或牵引矢量,是煤层未开采前的位移矢量的分量,Sm是开采煤层的表面积,上标p代表原岩状态;Tip与用下式表示 式中,E为煤岩体的弹性模量,σv为上覆岩层的初始应力,H为煤层埋深,γ为煤岩体的容重,v为煤岩体的泊松比;将式4代入式3,得: 式中,是开采煤层的表面积Sm相对于地面的平面惯性矩,根据材料力学中惯性距的平行轴定理:I=I0+LhD26其中,为开采煤层横截面相对于穿过其中心水平线的惯性矩,D=H+h2为穿过工作面中心的水平线与地面之间的距离,L为工作面面长,h为煤层采高,则: 将式7代入5中: 忽略裂断岩体的粘塑性应变能,在工作面回采过程中,能量耗散区储存的总应变能等于系统中存储弹性应变能;将工作面上方能量耗散区视为一个单独的系统,得 式中,σd为施加能量耗散区上的垂直应力,视为裂断岩体的单轴抗压强度σc,ε为裂断岩体的应变,Hd为能量耗散区的高度,充分采动状态下达到最大值,Ad是能量耗散区的单位面积;裂断岩体的应变ε通过下式计算: 其中,Kp为裂断岩体的碎胀系数;将式10代入式9中,简化得: 将式8和式11代入式1中,得到能量耗散区高度Hd Hd是能量耗散区的高度,充分采动状态下达到最大值。

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