屈慶意　周義丁　李子易　張成明　徐曼

摘 要：

采用理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，建立在采動(dòng)影響下含斷層頂板的力學(xué)模型，根據(jù)工作面推進(jìn)方向與斷層傾角間的相互關(guān)系，將斷層分為正向斷層和反向斷層兩類，分析在工作面推進(jìn)過(guò)程中巖體的應(yīng)力、變形和斷層處的受力以及含斷層頂板的初次破斷和周期破斷的問(wèn)題。對(duì)于含斷層頂板的礦壓顯現(xiàn)，運(yùn)用梁理論和數(shù)值分析，對(duì)工作面過(guò)斷層進(jìn)行力學(xué)受力分析，推導(dǎo)破斷距表達(dá)式，分析斷層面的受力情況及破壞方式。

關(guān)鍵詞：

數(shù)值分析；正向斷層；逆向斷層；初次破斷；周期破斷

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.10.091

1 問(wèn)題描述

工作面過(guò)斷層是礦壓顯現(xiàn)最敏感的階段。建立力學(xué)模型并進(jìn)行解析分析，可以使我們獲得一些比較規(guī)律性的結(jié)果，這利于我們?cè)谝粋€(gè)較大的范圍內(nèi)對(duì)斷層周圍的巖體中的應(yīng)力位移響應(yīng)獲得初步了解，從而幫助我們進(jìn)行仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)。斷層影響下的頂板力學(xué)模型如圖1。

關(guān)于含斷層的頂板的力學(xué)建模，其中比較重要的一點(diǎn)是判定開(kāi)采方向與斷層傾向是否一致。開(kāi)采方向與斷層傾角是否一致將形成完全不同的礦壓顯現(xiàn)和失穩(wěn)方式。本文把開(kāi)采推進(jìn)方向與斷層傾角小于90°的斷層稱之為正向斷層，把開(kāi)采推進(jìn)方向與斷層傾角大于90°的斷層稱之為反向斷層，在此僅研究正向斷層問(wèn)題。

2 正向斷層的礦壓顯現(xiàn)

在考慮破斷距的情況下，可以忽略斷層處幾何形狀的影響，而直接以相應(yīng)的約束或作用力F、P1、P2為載荷集度，P1代表上覆巖層對(duì)頂板的作用力，P2代表煤層對(duì)于頂板的作用力。量綱：力/長(zhǎng)度。a為對(duì)梁有作用力時(shí)的煤壁長(zhǎng)度，采空區(qū)和煤壁的總長(zhǎng)度為l。

2.1 初次破斷

由于斷層的存在，頂板已經(jīng)“斷”了，含斷層頂板的初次破斷可以看作一個(gè)懸臂梁。當(dāng)不考慮煤層的彈性基礎(chǔ)作用代以相應(yīng)的作用力時(shí)，則模型可以簡(jiǎn)化為圖2。

其中σ（x）為該處巖層最下方的應(yīng)力。

假設(shè)l=50m，a=20m，巖層高度h=1m，P1=25000N/m， P2=42000N/m，F(xiàn)=40000N/m。用CAD做出彎矩、應(yīng)力變化曲線，如圖3、圖4。可以看出彎矩M（x）、應(yīng)力σ（x）隨x呈二次曲線變化。計(jì)算可得最大彎矩發(fā)生在梁的中段部分，大約在17.5m值為最大；但是當(dāng)工作面推進(jìn)至斷層下方時(shí)，最大彎矩將發(fā)生在懸臂端。

2.2 周期破斷

初次斷裂以后，左端的固定端約束改變?yōu)橹С屑s束。不考慮煤層的彈性基礎(chǔ)作用而代以相應(yīng)的作用力，模型可以簡(jiǎn)化如圖5模式。

根據(jù)正斷層的幾何形狀和受力情況，正斷層周期破裂時(shí)可以分為破斷和回轉(zhuǎn)兩種形式，此處不再詳細(xì)講解。

2.3 斷層處力學(xué)分析

3 結(jié)論

正向斷層的初次破斷，可以模擬成懸臂梁模型。當(dāng)存在煤支撐作用時(shí)，最大彎矩面（破斷面）發(fā)生在梁的中部。而當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層下方時(shí)，煤體的支撐作用消失，破斷將會(huì)發(fā)生在梁懸臂端。正向斷層的周期破斷，可以模擬成簡(jiǎn)支梁模型，當(dāng)存在煤支撐作用時(shí)，最大彎矩面（破斷面）仍發(fā)生在梁的中部，而當(dāng)工作面推進(jìn)到斷層下方時(shí)，由于煤壁的破壞，將會(huì)導(dǎo)致頂板發(fā)生回轉(zhuǎn)失穩(wěn)。

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