第 37 2018 卷第 年 10 10 期 月 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol.37No.10 Oct. 2018 doi:10.13301/j.cnki.ct.2018.10.035 含断层煤层顶板采动效应数值模拟研究 颜恭彬 中煤科工集团 重庆研究院有限公司 重庆 ， （ 400039） 摘 要 通过选取断层产状要素中的倾角 断距及断层带宽度 建 FLAC3D 数值模拟再现了含断层煤层开采过程中顶板岩层变 倾角对导水裂缝 断层带宽度对冒落带影响最大 运用 模拟结果显示 采用正交试验法 个要素 3 、 ， ， 。 ， ， 组不同的岩体力学模型 ， 破坏及应力分布的整个过程 ： 、 9 立了 形 带影响最大 关键词 中图分类号 。 ： 煤层顶板 断层 ； ； ： TD325 采动效应 正交试验 ； 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1008 － 8725（2018）10 － 0094 － 04 Study on Mining Effect of Coal Seam with Fault by Numerical Simulation YAN Gong-bin (Chongqing Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group, Chongqing 400039, China) Abstract: By selecting three elements of fault occurrence factors, such as angle, fault distance, width of fault, using the orthogonal experimental method, established 9 different groups of coal seam containing fault rock mechanics model, using FLAC3D numerical simulation to the whole process of mining with faults in coal in roof rock deformation, failure and stress distribution. The numerical results show that the width of fault zone has the greatest influence on the caving zone, and the dip angle of the fault has the greatest influence on the water diversion fracture zone. Key words: roof of coal seam; fault; mining effect; orthogonal experiment 0 、 。 。 ， ， 长期以来 断层的存在 前言 采动效应即煤层开采后对周围岩体产生扰动 ， 破坏及应力重 引起其顶板及底板的岩层产生变形 极大地影响了矿压分 新分布的过程 国内外很多学者在断层对采矿 布规律 但大部分理论均以 的影响方面进行了大量的研究 忽略了断层 均匀连续介质假设作为理论研究前提 、 节理及裂隙的影响 数值模拟试验较现场观测试验 具有能够直观地反映煤层开采过程中围岩变形及破 坏整个过程的优势 本文选取断层产状要素中的断 运用数值模拟的方法研究含 距 断层顶板采动效应 为类似工程条件下的断层水害 防治提供一些参考 倾角及断层带宽度 ， ， ， 、 。 。 。 。 1 模型的建立 根据目标综合分析 =200 m×160 m×100 m。 宽 高 底板为砂岩 × ： × 模型长 布 粉砂岩 ， 板含断层 力 层厚 ， 36 m； 老顶为砂岩 层厚 20 m； ， 位于模型中部位置 水平应力由侧压系数 。 建立如图 ， 1 所示计算模型 。 模型岩层分 直接顶为 煤层顶 自重应 煤层厚 层厚 40 m。 ， 模拟应力场 4 m； 12 MPa， 模型约束条件 ： 板为自由边界条件 方向固定 。 （λ=1/3） 底部为全约束边界条件 左右边界 方向固定 ； 。 煤层顶 前后 Y 模型上部按至地表岩体的自重施加垂直 X ， ； ： 确定 94 方向的载荷 。 m 0 0 1 图 1 老 顶 直 接 顶 煤 层 底 板 200 m 顶板模型图 表 1 厚度 模拟采用 屈服准则 Mohr-Coulomb 岩体物理 采用岩块参数折减 并 淮南等矿区的煤系地层岩石力学测试结 模拟岩石力学参数是根据岩石分类标准 模型计算时 ， ， ， 。 力学参数较难获取 法获得 。 结合淮北 果综合分析确定 、 。 具体参数如表 所示 。 1 数值模型岩石力学参数 岩性 老顶 直接顶 开采层 底板 断层带 密度 岩石 名称 砂岩 粉砂岩 煤层 砂岩 /m 40 20 4 36 /kg·m-3 2 680 2 650 1 400 2 650 1 700 断层倾角分别取 内摩擦 角 /（°） 36 32 20 32 22 内聚力 /MPa 12.7 3.2 1.0 8.5 0.5 抗拉强 度 弹性模 量 泊松 比 /GPa 38.5 21.6 /MPa 8.2 2.46 0.3 3.2 0.3 0.19 0.11 0.36 0.13 0.45 断层断距分别取 10.6 3 3 30°、45°、60°， 断层带宽度分别取 鉴于计算方案太多 10、20、30 m， 种计算方案 法原理对计算方案简化 。 1、5、10 m， 27 必须运用正交试验 导水 ， 以工作面冒落带高度 共有 ， 、 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 卷第 期 10 37 含断层煤层顶板采动效应数值模拟研究 颜恭彬 ——— Vol.37No.10 裂缝带高度作为试验指标 宽度对顶板采动效应的影响程度 案如表 所示 ， ， 确定倾角 断距 断层带 简化后的试验方 、 、 2 表 2 。 断层因素及对应水平和指标正交表 方案 倾角 /（°） 宽度 /m 断距 /m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 30 30 30 45 45 45 60 60 60 1 5 10 1 5 10 1 5 10 10 20 30 20 30 10 30 10 20 2 模拟结果分析 通过对上述的方案进行数值模拟 ， 导水裂缝带的高度 统计不同计 得到结果如 ， 算工况下的冒落带 表 所示 、 3 。 表 3 断层各因素及对应水平和指标结果 方案 倾角 /（°） 宽度 /m 断距 /m 裂高 /m 冒高 /m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 30 30 30 45 45 45 60 60 60 1 5 10 1 5 10 1 5 10 10 20 30 20 30 10 30 10 20 54 46 50 40 40 34 22 24 28 10 12 14 10 12 12 8 10 12 ， 。 表 根据上述计算结果 果进行分析 示 中 度或裂缝带高度的平均值 模拟的冒落带高度或裂缝带高度的最大差值 利用综合平衡法对上述结 冒落带高度综合平衡分析表如表 所 为同一因素同一水平模拟的冒落带高 为同一因素不同水平 即 ： 的大小反映了各因素对试验指 极差 ；R Kji 4 4 ， 。 R=Kimax-Kimin。 标的影响主次 。 R 表 4 冒落带高度综合平衡分析表 5 中 通过比较表 R′ 裂缝带高度的影响程度 次之 组合为断层倾角 断层断距最小 的大小确定上述 断层倾角最大 个因素对 3 断层带宽度 其中对裂缝带高度影响最大的 。 宽度 的情况 断距 ： ， ， 1 m、 20 m 。 2.1 30°、 塑性区分布特征 由于篇幅有限 。 ， 9 种 而文中计算方案多达 即保持断层断距 20 m、 分别模拟断层倾角为 因此 ， 本次仅详细说明对导水裂缝带 高 度 影 响 最 大 的 方 案 不变条 1 m 。 情况下的对 件下 从断层 顶板采动效应的影响 上盘向下盘推进 据此 2、 分别统计冒落带及导水裂缝带高度 工作面每次推进 图 模拟结果如图 断层带宽度 30°、45°、60° 20 m， 所示 3 ， ， 。 。 。 Blook State Plane: on 弹 性 区 剪 切 破 坏 区 剪 切 剪 切 剪 切 破 坏 区 剪 切 张 拉 破 坏 区 、 、 、 张 拉 破 坏 区 张 拉 破 坏 区 张 拉 破 坏 区 Blook State Plane: on 弹 性 区 剪 切 破 坏 区 剪 切 剪 切 破 坏 区 剪 切 张 拉 破 坏 区 、 、 张 拉 破 坏 区 张 拉 破 坏 区 断层倾角 （a） 30° 断层倾角 （b） 45° 指标均值 倾角 /（°） K1i K2i K3i R 通过比较表 12 11.333 10 2.00 中 4 宽度 /m 9.333 11.333 12.667 3.334 断距 /m 10.667 11.333 11.333 0.666 个因素对冒落带高度的影响程度 R 的大小可以确定断层倾角 、 其 倾角次 对冒落带影响程度最大的组合 断层带宽度最大 。 ： ， 、 3 断距 宽度 对冒落带高度的影响程度 之 断距最小 为断层宽度 其中 倾角 ， 。 ， 断距 20 m 裂缝带高度综合平衡分析表如表 10 m、 30°、 的情况 所示 。 。 5 表 5 裂缝带高度综合平衡分析表 指标均值 K′1i K′2i K′3i R′ 倾角 /（°） 50 38 24.667 25.333 宽度 /m 38.667 36.667 37.333 2.00 断距 /m 37.333 38 37.333 0.667 Blook State Plane: on 弹 性 区 剪 切 破 坏 区 剪 切 剪 切 破 坏 区 剪 切 、 、 张 拉 破 坏 区 张 拉 破 坏 区 断层倾角 60° 的塑性破坏图 （c） 推进 图 2 图 40 m 可以看出 2、 3 ： 通过图 ， ， （1） 顶板两侧破坏带分布不对称 导水裂缝带较无断层顶板导水裂缝带高度 右侧靠近断层的破 断层的导水 说明断层倾角越小 ， 对裂缝 的 45°、60° 而倾角为 大 坏高度明显大于左侧 裂缝带高度分别为 其导水裂缝带高度越大 带的阻隔作用越明显 断层 倾角为 其裂缝带有沿断层往上扩展的趋势 同时断层倾角越大 。 可以看出 20、18、16 m， 30°、45°、60° 倾角 ， ， ， 。 ， ， 的断层则无此现象 。 30° 95 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

Vol.37No.10 含断层煤层顶板采动效应数值模拟研究 颜恭彬 ——— 第 卷第 期 10 37 Blook State Plane: on 弹性区 剪切破 坏区 剪切 剪切 剪切破 坏区 剪切 张拉破 坏区 、 、 、 张 拉破 坏区 张 拉破 坏区 张 拉破 坏区 断层倾角 （a） 30° 断层倾角 （a） 30° Blook State Plane: on 弹性区 剪切破 坏区 剪切 剪切 剪切破 坏区 剪切 张拉破 坏区 张拉破 坏区 、 、 、 张 拉破 坏区 张 拉破 坏区 张 拉破 坏区 断层倾角 （b） 45° 断层倾角 （b） 45° Blook State Plane: on弹性区 剪切破 坏区 剪切破 坏区 剪切 剪切破 坏区 剪切 剪切 、 、 、 张 拉破 坏区 张 拉破 坏区 张 拉破 坏区 断层倾角 60° 断层倾角 （c） 60° 图 4 推进 40 m 的主应力分布图 Contour of SMax Plane: on Magfac=0.000e+000 Graduebt Calculation -5.39e+6 to -5.00e+6 -5.00e+6 to -4.00e+6 -4.00e+6 to -3.00e+6 -3.00e+6 to -2.00e+6 -2.00e+6 to -1.00e+6 -1.00e+6 to 0.00e+6 0.00e+6 to 1.00e+6 1.00e+6 to 2.00e+6 2.00e+6 to 2.70e+6 Contour of SMax Plane: on Magfac=0.000e+000 Graduebt Calculation -5.48e+6 to -5.00e+6 -5.00e+6 to -4.00e+6 -4.00e+6 to -3.00e+6 -3.00e+6 to -2.00e+6 -2.00e+6 to -1.00e+6 -1.00e+6 to 0.00e+6 0.00e+6 to 1.00e+6 1.00e+6 to 2.00e+6 2.00e+6 to 2.85e+6 Contour of SMax Plane: on Magfac=0.000e+000 Graduebt Calculation -5.68e+6 to -5.00e+6 -5.00e+6 to -4.00e+6 -4.00e+6 to -3.00e+6 -3.00e+6 to -2.00e+6 -2.00e+6 to -1.00e+6 -1.00e+6 to 0.00e+6 0.00e+6 to 1.00e+6 1.00e+6 to 2.00e+6 2.00e+6 to 2.90e+6 Contour of SMax Plane: on Magfac=0.000e+000 Graduebt Calculation -6.27e+6 to -6.00e+6 -6.00e+6 to -5.00e+6 -5.00e+6 to -4.00e+6 -4.00e+6 to -3.00e+6 -3.00e+6 to -2.00e+6 -2.00e+6 to -1.00e+6 -1.00e+6 to 0.00e+6 0.00e+6 to 1.00e+6 1.00e+6 to 2.00e+6 2.00e+6 to 2.64e+6 Contour of SMax Plane: on Magfac=0.000e+000 Graduebt Calculation -6.42e+6 to -6.00e+6 -6.00e+6 to -5.00e+6 -5.00e+6 to -4.00e+6 -4.00e+6 to -3.00e+6 -3.00e+6 to -2.00e+6 -2.00e+6 to -1.00e+6 -1.00e+6 to 0.00e+6 0.00e+6 to 1.00e+6 1.00e+6 to 2.00e+6 2.00e+6 to 2.61e+6 Contour of SMax Plane: on Magfac=0.000e+000 Graduebt Calculation -6.56e+6 to -6.00e+6 -6.00e+6 to -5.00e+6 -5.00e+6 to -4.00e+6 -4.00e+6 to -3.00e+6 -3.00e+6 to -2.00e+6 -2.00e+6 to -1.00e+6 -1.00e+6 to 0.00e+6 0.00e+6 to 1.00e+6 1.00e+6 to 2.00e+6 2.00e+6 to 2.60e+6 （c） 推进 3 3 60 m 20 m 图 为工作面过断层 倾角 ， 的断层导水裂缝带高度 的塑性破坏图 顶板的破坏 时 的断层导水裂缝 可以看出 ， 的断层导水裂缝带沿断层向上扩展的高 由于断层带岩层强 的断层 30° 60° ， 图 （2） ， 带的分布情况 带高度明显高于倾角 且倾角 度也明显大于倾角 度较低 30° ， 。 导致裂缝带呈明显分界 60° 2.2 顶板应力分布特征 分别为图 图 图 4、 力分布图 5 。 工作面过断层前 倒马鞍形 （1） 分布呈 板应力分布特征不明显 有重要影响 传递 大倾角 。 “ ， ” 图 2、 3 对其进行分析后可以得出结论 ： 特征明显 ， 倾角 30° 而 的断层顶板应力 断 层 的 顶 说明断层对顶板应力分布 的断层能够阻隔应力的 45°、60° ， （>45°） 而小倾角断层这种阻隔作用则不明显 ， （2） 。 （3） 工作面过断层后 断层倾角越小 ， 其沿断层的下盘的卸荷区域越大 ， 断层前的恰好相反 强 卸荷区域大小顺序为 一点 ， ：30°>45°>60°， ， 这种阻隔作用则与上述过 其阻隔能 力 越 断层下盘 图 。 很好地说明了这 3 综合上述分析 ， 明显的阻隔作用 工作面在断层上盘开采时 力越强 而在下盘开采时 其阻隔能力越强 角越小 。 ， ， 。 ， 断层对顶板的应力传递具有 不同阶段呈现出不同的规律特征 ， 阻隔能 断层倾 断层的倾角越大 情况则刚好相反 ， ， 。 ， 。 所对应的最小主应 断层倾角 （a） 30° 断层倾角 （b） 45° （c） 推进 断层倾角 60° 主应力分布图 60 m 图 5 结语 本文通过采用 3 96 FLAC3D 软件对含断层顶板采动 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 37 2018 卷第 年 10 10 期 月 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol.37No.10 Oct. 2018 doi:10.13301/j.cnki.ct.2018.10.036 - 锚杆在腐蚀 荷载耦合环境中开裂临界尺寸研究 巩百川 1， 李 雁 2 （1. 中国矿业大学 力学与土木工程学院 摘 要 从腐蚀 ， ： 。 ， 计算得出应力强度因子 试验 - 最终的试验结论与工程实践结果表明 纹类型 作 耦合环境中锚杆裂纹的产生与扩展 环境中腐蚀开裂研究具有一定的借鉴意义 以 ， ， 江苏 徐州 221116；2. 徐州工程学院 土木工程学院 江苏 徐州 ， 221111） - 荷载耦合试验所得试样裂纹反向推导 应用 计算 所采用的裂纹尺寸计算方法能够有效地预测腐蚀 分析裂 结合理论力学裂纹扩展理论 ， 的新型研究方法进行裂纹尺寸研究工 荷载 该结果对相关的耦合 并对工程安全起到了一定的防范作用 验证 - - - ， ” ， “ 。 耦合作用 应力强度因子 裂纹扩展 。 ； 关键词 中图分类号 ： ； ： TD325 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1008 － 8725（2018）10 － 0097 － 03 Study on Cracking Critical Dimensions of Bolt in Corrosion-Load Coupling Environment GONG Bai-chuan1, LI Yan2 (1. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. School of Civil Engineering, Xuzhou University of Technology, Xuzhou 221111, China) Abstract: Basing on the theory of theoretical mechanics crack growth and analysis of crack types to reversing derivation of stress corrosion from backward derivation of specimen cracks of corrosion-load coupling tests. The crack size research is carried out with the new research method of "test-calculation -verification -application".The final test results and engineering practice show that the crack size calculation method can effectively predict the crack growth and expansion of bolt in corrosion -load coupling environment. It also plays a preventive role in engineering safety. The result can be used to study the stress corrosion cracking of corrosion cracking in coupled environments. Key words: coupling effect;stress intensity factor; crack propagation 1 研究背景 在世界范围内 随着能源危机及资源短缺 ， 天煤矿资源逐渐减少 何解决锚杆锚索支护安全 炭资源逐渐成为广大科技人员关注和研究的焦点 且露 如 有效开发和利用深层煤 深层开采随之兴起 ， 因此 ， ， 。 、 例如 位于山西 长 治 市 以 西 约 ， 煤矿首要开采煤层平均埋深 410 m， 。 处 的 高 河 4 km 其直接顶主要 为保证工作面安全 ， 主要支护方式为 在塌陷的 锚杆受力情况也随着围 ， 使得局部锚杆发生断裂导 ， 局部掺杂着粉砂岩和砂岩 ； ， 为泥岩 锚网索联合支护形式 顶板向巷道围岩施加应力时 岩状态的变化而发生改变 致锚固失效 因此 ， 对常用锚杆钢 耦合环境破坏试验及研究 ， ， ， 提升巷道的危险性 。 荷载 BHRB335 获得可靠的材料性能劣化 进行腐蚀 - !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 效应进行了研究 得出结论 东科技大学学报 ， ： 断层的倾角 煤层采动顶板变形 （1） （2） 带宽度影响最大 受断层倾角影响最大 ， 、 3 个要素对 断距及断层带宽度 、 破坏和应力调整具有重要影响 。 冒落带受断层 导水裂缝带 断距最小 ， 断距最小 ； 断层带宽度次之 ， 倾角次之 ， 。 ， 在同样的地质和采矿条件下 参考文献 吴基文 ［1］ ： . 煤层底板采动效应与阻水性能的岩体结构控制作用研究 徐州 中国矿业大学 : ，2007. ［D］. 吴基文 ［2］ 含断层底板采动效应数值分析 断层切割深度对采动 ——— . 效应的影响 浦海 张柬 . ， ［3］ 建井技术 ［J］. 断层影响下顶板突水特性的数值模拟研究 ，2008，29（6）：31-34. 采矿 ［J］. 与安全工程学报 尹立明 郭 惟 嘉 ， ［4］ ， . ,2010,27（3）：421-424. 尹 增 德 断 层 影 响 下 覆 岩 破 坏 规 律 研 究 含断层煤层底板突水通道形成过程 李连崇 唐春安 ， ［5］ 的仿真分析 ［J］. ,2009,28（4）：59-63. 梁正召 ， 岩石力学与工程学报 等 ， . ,2009,28（2）：290-297. 云峰 ， ［6］ 袁宏成 . 岩体力学参数的估算 西部探矿工程 ［J］. ，2003，90 （11）:39-40. 蔡斌 喻勇 ， 吴 晓 铭 . 《 工 程 岩 体 分 级 标 准 与 》 Q 分 类 法 、RMR 分 ， 类法的关系及变形参数估算 岩石力学与工程学报 ［J］. ，2001（S1）: 1 677-1 679. 方 开 泰 马 长 兴 ， 2001. 刘 增 辉 杨 本 水 ， 正 交 与 均 匀 试 验 设 计 ［M］. 北 京 ： 科 学 出 版 社 ， 利 用 数 值 模 拟 方 法 确 定 导水 裂 隙 带 发 育 高 度 . . ［7］ ［8］ ［9］ 矿业安全与环保 ［J］. 作者简 介 ，2006，33（5）:16-19，89. 颜 恭 彬 ： （1986-）， 安 徽 巢 湖 人 工 程 师 硕 士 ， ， 研 究 方 ， 水文地质与工程地质 向 ： ， 电子信箱 山 ［J］. 97 责任编辑 ： ：380417391@qq.com. 王凤英 收稿日期 ：2017－11－30 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net