煤炭学报

作者：李浩, 白海波, 马立强, 康志勤, 李志永, 缪小成, 武鹏飞, 韦 婕,

关键词：双系煤层, 导水裂隙带, 连续-离散介质, 韧性断裂, 压剪摩擦,

采动覆岩裂隙分布演化是防治顶板水害、实现煤矿地下水资源保护的基础，其数值结果准 确性的关键在于采动覆岩连续-离散转化及其耦合力学响应特征。 在纯拉、纯剪断裂模式下引入 弹塑性损伤力学，结合 Benzeggagh-Kenane 断裂准则，得到准脆性岩石在拉、剪复杂应力下的混合 型韧性断裂(MD)本构方程;构建离散块体接触状态判据，结合直剪实验数据与 Sargin 剪切摩擦关 系，导出适用于多种法向应力下的粗糙结构面压缩-剪切摩擦(SF)本构方程。 在此基础上，编制有 限元 V 离散元(FDEM)数值计算程序，实现采动覆岩“连续”-“离散”介质转化过程。 在数值计算 中，分别将摩擦和断裂属性赋予结构面( 接触对) 、零厚度黏聚力单元，通过共享节点力的方式实现 岩石断裂-摩擦耦合。 采用断裂力学实验和直剪试验识别材料参数并验证 MD-SF 本构方程的合 理性。 在此基础上，模拟研究双系煤层采动导水裂隙随工作面推进的演化规律。 结果表明:1 MD-SF 本构方程组及相应的 FDEM 数值计算方法，可实现岩体从连续介质到离散介质的转化过 程，较好反映准脆性岩石混合型韧性断裂及粗糙结构面的剪切摩擦响应;2 模拟条件下，岩层与煤 层间距越小，导水裂隙总宽度随大，且开采过程中裂隙总宽度是覆岩运动稳定后的 2.26 ~ 7.11 倍， 表明采动过程中更容易出现水害;3 高岭土砂岩显著的韧性破坏特征能有效控制其内导水裂隙高 度，但在双系煤层重复开采扰动下，覆岩裂高比为 20.8，远超经验公式所得结果。 采动覆岩导水裂 隙高度成果在大同矿区得到应用和检验，为进一步开展采动覆岩运动、水体下安全采煤、保水采煤 设计等提供理论支撑。

来源：2022年第12期

《煤炭学报》期刊编辑部

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