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《三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》篇一一、引言随着科学技术的发展，对地质过程的理解和研究已经成为工程和科学研究领域中重要的一环。
岩石破裂作为地质过程的重要部分，其过程分析和研究显得尤为重要。
在三维条件下，岩石的破裂过程不仅涉及复杂的物理和化学过程，而且涉及到多种尺度和多种因素的相互作用。
因此，对三维条件下岩石破裂过程的分析和数值试验方法的研究，对于我们深入理解岩石的破裂机制，提高工程安全性以及地质灾害预警具有十分重要的意义。
二、岩石破裂的物理机制与背景岩石的破裂是复杂的地质过程中的一部分，主要涉及的是在内外因素共同作用下，岩石的结构发生破坏的现象。
岩石破裂的过程中涉及到了应力的传播、裂纹的形成和发展等物理机制。
其中，这些物理机制在不同环境条件下、特别是在三维空间内的作用机理有着极其重要的研究价值。
三、三维条件下岩石破裂过程的数学描述与建模对于岩石的破裂过程进行精确的数学描述和建模，需要基于一系列的假设和简化的条件。
其中最基本的是应力和位移的关系描述，这涉及到弹性力学和塑性力学的知识。
此外，考虑到岩石的非均匀性和各向异性等特性，还需要建立更加复杂的模型。
这些模型可以用于描述在三维空间中应力场的分布、裂纹的扩展以及最终导致岩石破裂的过程。
四、数值试验方法研究针对三维条件下的岩石破裂过程，数值试验方法是一种重要的研究手段。
通过数值模拟，我们可以模拟出真实的岩石破裂过程，并对其进行详细的分析。
目前常用的数值试验方法包括有限元法、离散元法等。
这些方法各有其优点和适用范围，可以根据具体的研究需要选择合适的数值方法。
例如，在有限元法中，我们可以设置初始条件（如初始应力场、初始位移等）以及材料属性（如弹性模量、剪切模量等），然后进行求解计算得到岩体的变形和破坏状态；在离散元法中，我们可以模拟出岩石中裂纹的形成和扩展过程，以及裂纹之间的相互作用等。
五、实验设计与实施在进行数值试验时，我们需要根据研究目的和实际需求设计合理的实验方案。
《三维条件下的岩石破裂过程分析及其数值试验方法研究》篇一一、引言岩石破裂过程是地质学、岩土工程学等领域的重要研究内容。
随着科技的发展，对岩石破裂过程的研究已经从传统的实验室试验逐渐转向了数值模拟和计算机仿真。
本文旨在分析三维条件下的岩石破裂过程，并探讨其数值试验方法，为相关领域的研究提供理论依据和指导。
二、岩石破裂的基本原理岩石破裂是岩石在外力作用下产生的破坏现象。
岩石的物理性质、地质构造、温度和压力等因素都会对岩石的破裂过程产生影响。
岩石破裂过程中，通常伴随着能量释放和裂纹扩展等现象。
为了研究这些现象，我们需要了解岩石的物理性质和力学性质，如弹性模量、泊松比、强度等。
三、三维条件下的岩石破裂过程分析在三维条件下，岩石的破裂过程变得更加复杂。
需要考虑的因素包括地应力场、岩层结构、节理裂隙等因素的影响。
这些因素不仅会影响岩石的力学性质，还会影响裂纹的扩展和演化过程。
因此，在分析三维条件下的岩石破裂过程时，需要采用多种方法和手段。
首先，需要利用地质勘探手段获取岩石的物理性质和地质构造信息。
这些信息是进行数值模拟和计算机仿真的基础。
其次，需要利用岩石力学理论分析岩石的力学性质和破坏机理。
这包括对岩石的弹性、塑性、断裂等力学行为的深入研究。
最后，需要利用数值模拟和计算机仿真技术对岩石的破裂过程进行模拟和分析。
这可以更好地理解岩石的破裂机制和演化规律。
四、数值试验方法研究数值试验是研究岩石破裂过程的重要手段之一。
在三维条件下，需要采用更加先进的数值试验方法。
其中，有限元法、离散元法和颗粒流法等是常用的数值试验方法。
有限元法是一种常用的数值模拟方法，可以用于模拟岩石的弹塑性变形和破坏过程。
在有限元法中，将岩石划分为有限个单元，通过求解单元的力学平衡方程来模拟岩石的变形和破坏过程。
离散元法则是一种适用于模拟非连续介质的方法，可以更好地模拟岩层结构、节理裂隙等因素对岩石破裂过程的影响。
颗粒流法则是一种基于颗粒间相互作用的方法，可以更好地模拟岩石的颗粒特性和破坏机制。
上覆硬厚岩层破断规律的机械模拟实验研究高琳【摘要】采用机械模拟试验方法,研究了硬厚岩层破断时的支承应力及覆岩运移.研究表明:硬厚岩层强度高、破断扰度大,作为主关键层控制其上覆岩层运动,破断前积聚大量弹性能,在采空区边缘形成较高的应力集中区,破断后能量瞬间释放,且在短时间内迅速下沉,极易造成压架和围岩大变形等问题,诱发冲击地压,需加强破断前后支护.【期刊名称】《煤》【年(卷),期】2016(025)012【总页数】4页(P5-7,10)【关键词】硬厚岩层;机械模拟;支承应力;破断运移【作者】高琳【作者单位】山东科技大学矿业与安全工程学院,山东青岛 266590【正文语种】中文【中图分类】TD323巨厚坚硬岩层在我国矿区分布较为广泛，如济宁三号井巨厚岩浆岩、海孜煤矿巨厚岩浆、铜川焦坪煤矿巨厚砾岩等[1]。
由于其具有厚度大、强度高的特点，在煤矿开采时容易形成大面积悬空，使采场围岩处于高应力集中状态并发生显著变化[2]。
针对硬厚岩浆岩的破断规律，国内学者进行了大量研究：蒋金泉等[3]针对杨柳煤矿赋存高位硬厚岩浆岩，建立三边固支一边简支弹性薄板力学模型，推导出硬厚岩浆岩的挠曲函数与应力近似解析式，提出了岩浆岩破断步距的计算方法。
冯小军等[4]采用离散元软件UDEC研究了不同厚度坚硬顶板下开采规律，指出工作面初次、周期来压步距均随着基本顶厚度的增加而增长。
胡敏军等[5]以海孜煤矿1026工作面为地质背景，采用FLAC3D数值模拟研究了巨厚火成岩诱发冲击地压的原因及其防治技术。
因此，针对上覆硬厚岩层下煤层开采情况，采用机械模拟方法对过其采动作用下支承应力分布、覆岩运移情况进行模拟，研究分析工作面采动应力、覆岩演化规律，对复杂地质构造条件下冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害防治，对巷道支护及顶板控制等具有重要指导价值。
机械模拟试验系统是由山东科技大学基于宋振骐院士实用矿山压力控制理论研发的实验系统。
该实验系统克服了相似材料模拟铺设困难、易受周边环境影响及周期长等缺点，能够对采场推进过程中覆岩结构演化、上覆岩层破断突变及其对应力场对应关系覆岩应力规律[6]进行研究。
综采工作面覆岩破断规律试验及高位钻孔参数优化陈爱和【摘要】根据祁东煤矿6135工作面开采工程条件,运用相似材料模拟实验方法,对上覆岩层随工作面推进时的破断规律进行研究,结合经验公式和相似模拟结果综合判定了工作面上覆岩层垮落带高度范围为0~7.1 m,断裂带高度范围为7.1~30.1 m；采用FLAC3D数值模拟软件模拟得出覆岩裂隙发育区角度范围,为优化高位钻孔布置参数提供了可靠的依据。
%In this paper, study was made on the rupturing law of the overburden strata with the working face advance by using the similar material simulation method according to mining conditions of 6135 fully mechanized coal face in Qidong Coal Mine. It was concluded by the comprehensive judgment according to the empirical formula and similar simulation results that the height range of the caving zone of overburden strata was about 0~7. 1 m and that of the ruptured zone was about 7. 1~30. 1 m; with FLAC3D simulation software, the angle range of the fracture development zone of the overburden strata was obtained, which provided reliable data for the optimization of high-level borehole layout parameters.【期刊名称】《矿业安全与环保》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】5页(P47-50,55)【关键词】覆岩破断;楔形裂隙发育区;高位钻孔;参数优化【作者】陈爱和【作者单位】安徽恒源煤电股份有限公司，安徽宿州234000【正文语种】中文【中图分类】TD325;TD712+.6瓦斯抽采是煤矿瓦斯灾害治理与利用的主要措施之一,若能在采煤之前和采煤过程中,将瓦斯从煤层中抽出并加以利用,既可消除矿井瓦斯突出灾害,又可充分利用资源[1]。
深埋洞室围岩分层断裂现象模型试验解析
深埋洞室围岩分层断裂现象模型试验解析
在工程实践中，深埋洞室是一个常见的工程形式。
由于深埋洞室所处的环境特点，围岩通常会呈现出分层的构造和断裂现象。
因此，在建设过程中，需要对围岩分层断裂现象的模型进行试验解析，以确保工程的安全可靠性。
首先，要了解围岩分层断裂现象的产生原因。
通常情况下，断层发育是由于地壳运动的变化所引发的。
这种运动使得不同层岩石间的应力差异逐渐增大，超过了岩石自身的承载能力，形成了许多断层，围岩因此而呈现出分层的构造。
为了模拟分层断裂现象，需要进行模型试验。
例如，可以用一定尺寸的岩石样本来制作试验模型，并通过应用外力来模拟分层岩石的应力状态。
通过在岩石样本中造成裂纹和断层，可以验证分层断裂现象的产生和演化规律，并进一步预测和分析其对于洞室安全的影响。
在分层断裂现象的模型试验中，需要考虑多种因素，例如岩石的力学特性、岩石层的分布状态、岩石断裂面的性质等等。
通过合理的试验设计和数据分析，能够更加准确地预测和分析分层断裂现象的演化规
律，并确定相应的工程安全措施。
总之，深埋洞室围岩分层断裂现象模型试验解析是确保工程安全可靠性不可或缺的一环。
通过模拟分层断裂现象并进行细致的数据分析，能够更好地预测和评估工程建设的风险和安全性，并采取相应的工程措施，保证工程的高质量完成和长期运行。
上覆硬厚岩层破断规律的机械模拟实验研究随着技术的进步，探测、开发和评价岩层的破断规律已经成为地质工程的一项重要研究领域。
在此背景下，本文对上覆硬厚岩层破断规律进行了机械模拟实验研究，以现有技术、手段和知识支持研究工作。
实验要求，需选择一种用于模拟上覆硬厚岩层破断规律的机械装置，应具有实用性、实时性和质量可靠性的特点。
实验采用有限元数值模拟技术。
首先，建立上覆硬厚岩层计算机模型；其次，利用有限元数值模拟技术模拟上覆硬厚岩层破断规律；最后，对实验结果进行分析评价。
实验结果表明，上覆硬厚岩层的破断规律具有细致且复杂的特点，随岩层参数变化而变化，规律性较强。
实验提示，为改善矿山和矿区的地质条件，应按照上覆硬厚岩层的破断规律进行实时监测和评价，防止与破断规律相关的危害。
实验还提出了一些解决方案，以有效控制上覆硬厚岩层破断规律中的不利因素。
首先，应采取技术措施，改善矿山支护结构，增强矿区地质稳定性。
其次，用开采技术，采取突出或缓冲的措施，改善破断规律。
最后，采用数值模拟技术，加强破断规律的实时监测和评价。
总之，本文以上覆硬厚岩层破断规律的机械模拟实验为主题，结合有限元数值模拟技术，针对破断规律的特点，提出了相应的技术措施和解决方案，重点在于防止和控制负面影响和灾害。
今后，将继续深入研究上覆硬厚岩层破断规律，以改进实际工程的实施效果。
综上，本文通过机械模拟实验研究了上覆硬厚岩层破断规律，探讨了破断规律及其影响因素，提出了有效的解决方案，对改善岩层破断规律有重要的意义。
未来，将继续深入研究上覆硬厚岩层破断规律，以提高实际工程的实施效果。
岩石破裂与裂隙扩展的实验与数值模拟
岩石破裂和裂隙扩展是地质灾害中的常见问题，对于地震、岩溶、滑坡等地质灾害的研究具有重要意义。
为了更好地研究这些问题，科学家们进行了大量的实验和数值模拟。
在实验方面，科学家们通常采用岩石力学试验机进行研究。
通过施加不同的载荷和应力条件，观察岩石的破裂和裂隙扩展情况。
实验结果表明，岩石的破裂和裂隙扩展与岩石的物理性质、应力条件、载荷等因素密切相关。
例如，当岩石受到较大的压力时，容易出现裂隙扩展和破裂现象。
在数值模拟方面，科学家们通常采用有限元方法进行模拟。
通过建立岩石的数学模型，对岩石的应力、变形、破裂等情况进行计算。
数值模拟可以更加精细地探究岩石破裂和裂隙扩展的机理和规律，为地质灾害的预测和防治提供重要依据。
同时，科学家们也在不断探索新的实验方法和数值模拟技术，以提高研究的精度和可靠性。
例如，近年来出现的数字岩石技术可以更加真实地模拟岩石的物理性质和结构特征，为岩石破裂和裂隙扩展的研究提供了新的思路。
总之，岩石破裂和裂隙扩展是地质灾害中的重要问题，科学家们通过实验和数值模拟等手段进行研究，为地质灾害的预测和
防治提供了重要依据。
随着技术的不断进步，相信在未来会有更多更精确的方法用于探究这一领域的问题。
左建平,于美鲁,胡顺银,等.不同厚度岩层破断模式实验研究[J].采矿与岩层控制工程学报,2019,1(1):013007.ZUO Jianping,YU Meilu,HU Shunyin,et al.Experimental investigation on fracture mode of different thick rock strata[J]．Journal of Min-ing and Strata Control Engineering,2019,1(1):013007.不同厚度岩层破断模式实验研究左建平1,2,于美鲁1,2,胡顺银1,2,宋洪强1,2,魏㊀旭1,2,史㊀月1,2,左书豪1,2(1．中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京㊀100083;2．中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京㊀100083)摘㊀要:顶板破断是采场矿压显现的根本原因,现有很多成果是基于梁或薄板模型而来,而顶板的厚度直接影响了顶板的破断行为㊂自主研制了采空区顶板破断模拟实验装置,在均布载荷作用下对四边固支不同厚度顶板进行了破坏实验研究㊂实验结果验证了薄板基本以沿长边的 O -X 型断裂模式为主,而厚板不仅有沿长边的 O -X 型和沿短边的 O -X 型断裂模式,还有 O -❋ 型的断裂方式㊂研究结果表明:薄板破断主要受到最大弯曲应力的影响㊂随着板厚度增加,横向剪切力的作用在加强,此时厚板的破坏主要受到弯曲和剪切耦合作用,导致其破坏行为更为复杂㊂关键词:厚板;实验研究;初次破断;基本顶中图分类号:TD315㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:2096-7187(2019)01-3007-09收稿日期:2019-04-18㊀㊀修回日期:2019-05-17㊀㊀责任编辑:李㊀青㊀㊀基金项目:国家自然科学基金优秀青年基金资助项目(51622404);国家自然科学基金面上资助项目(11572343);北京卓越青年科学家资助项目;中国矿业大学(北京)越崎杰出学者资助项目㊀㊀作者简介:左建平(1978 ),男,江西高安人,教授,博士生导师,博士㊂E -mail:zjp@Experimental investigation on fracture mode of different thick rock strataZUO Jianping 1,2,YU Meilu 1,2,HU Shunyin 1,2,SONG Hongqiang 1,2,WEI Xu 1,2,SHI Yue 1,2,ZUO Shuhao 1,2(1.School of Mechanics &Civil Engineering ,China University of Mining &Technology (Beijing ),Beijing ㊀100083,China ;2.State Key Laboratory of Coal Re-sources and Safe Mining ,China University of Mining &Technology (Beijing ),Beijing ㊀100083,China )Abstract :Roof breaking behavior is the fundamental reason for the occurrence of stope strata pressure.Many existing research results are typically based on the beam or thin plate model,however,the thickness of roof can directly affectthe roof breaking behavior.In this paper a simulation experiment device for roof breakage of the goaf is independently developed.The experimental study on roof failure of strata with different thickness but fixed on four sides is carried out under the uniform load.The results indicate that the thin plate is mainly characterized by O -X fracture mode alongthe long side,while the thick plate has not only O -X fracture mode along the both long side and short side,but it al-so shows a O -❋ fracture mode.We believe that the fracture of thin plate is mainly affected by the maximum bending stress.With the increase of plate thickness,the effect of transverse shear force is strengthened.At this time,the failure of thick plate is mainly affected by the coupling effect of bending and shear,which leads to more complex failure be-haviors.Key words :thick plate;experimental study;first breaking;main roof ㊀㊀煤炭开采引起上覆岩层移动㊁破断,并伴随着一系列特殊的力学现象,从而影响生产安全和生态环境[1-2]㊂统计资料也表明,工作面冒顶等顶板事故大多发生在基本顶初次来压和周期来压期间,尤其在初次来压期间,其强度往往最大,矿压显现最为剧烈,对巷道稳定性及采场安全影响颇大[3],导致工作面来压成为采场矿山压力控制的重要内容㊂确定基本顶初次来压步距和周期来压步距是控制矿山压力的关键㊂因此,探索岩层移动破断规律是科学采矿的基础㊂学者们在过去的研究中提出大量的假说,最有代表性的假说可分为两类:一类是以拱为承载结构的假㊀第1卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol.1㊀No.1㊀㊀2019年11月JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERINGNov.㊀2019㊀说[4];另一类是基于梁或板的力学结构提出的,如悬臂梁假说[5]㊁铰接岩块假说[6]㊁砌体梁理论[7]㊁传递岩梁假说[8]等㊂这些假说在煤矿发展过程中起到了重要的推动作用,在不同条件的生产实践中得到了广泛的认同,在一定程度上给出了采场运动的基本规律㊂由于这些假说多数是以梁或拱为基础提出的,故与实际生产中采场顶板的板状结构并不相同㊂近年来,随着数学㊁力学理论不断地融入采矿学科,大量的专家学者逐渐将板壳理论引入采场运动的计算中,并取得了较好的结果㊂钱鸣高院士提出了关键层理论[9-10];宋振骐院士[8]和蒋金泉[11]提出了基本顶岩层板结构断裂规律;贾喜荣提出了采场薄板矿压理论[6];王作棠等[12]进行了不同边界条件的基本顶破断实验;E．HOEK[13]提出了极限分析法分析岩层移动等㊂这些专家将薄板理论应用于采场顶板的破坏机理和实验研究中,取得了良好的效果,提出了包括 O-X 型㊁ K 型等的破断方式,推动了覆岩运动㊁破坏规律的研究㊂谢生荣[14]㊁何富连[15]㊁陈冬冬[16]㊁屠洪盛[17]㊁王新丰[18]和李肖音等[19]利用薄板理论推导了顶板的破断方式,给予 O-X 型㊁ K 型等的破断方式以理论上的验证㊂吴洪词[20]和浦海等[21]通过有限元分析确定了裂纹分叉的具体位置,得到了空间 X 型裂纹形态的形成过程,综合得到顶板空间 O-X 型断裂形态㊂尽管从理论㊁实验和数值模拟等多种手段上都可运用薄板理论来解释顶板破断的规律和机理,但在实际计算中,薄板理论忽略了横向的剪切力,这与实际情况有所不同㊂有研究表明,基本顶(或岩层)的厚度对采场支承压力的分布㊁砌体梁结构的平衡性以及地表沉降都有巨大的影响[1]㊂尤其是在地表沉陷的研究中,关键层的厚度对 类双曲线 的形成有着重要影响[22]㊂因此,对厚顶板的采场来说,薄板理论误差较大㊂赵国彦[23]㊁王树仁[24]㊁祝方才[25]和夏彬伟等[26]将厚板理论引入到采场顶板运动规律的研究中,但侧重在理论或工程监测研究㊂何富连等[15]运用薄板理论和实验室小尺度的实验研究采场顶板的垮落规律,对厚顶板以及横向剪切力对顶板破断方式的影响尚需进一步探索㊂为了系统探讨岩层厚度对顶板破断模式的影响,本文在前人研究的基础上设计了采空区顶板破断模拟实验装置,研究了不同厚度岩层的破断行为,期望能结合现场实际在实验室尺度揭示均布载荷下厚顶板的破断规律㊂1 不同厚度顶板破断实验装置设计本文所述设备的加载装置采用美国GCTS公司生产的RTR-1000快速三轴岩石力学实验系统,如图1(a)所示㊂可进行单轴压缩㊁三轴压缩和岩石动三轴等实验[27]㊂该仪器的加载台具有较大的工作空间,可配合自行设计的实验装置,提高适用范围㊂图1㊀采空区顶板破断模拟实验装置Fig．1㊀Diagram of simulation experiment device forroof breakage in goaf1 液压伺服加载器;2 顶部加载板;3 顶部固定压板;4 顶部可变尺寸压板;5 侧向加载板;6 液压千斤顶;7 侧向加载固定器;8 岩板;9 刚性基础;10 高度可调声发射探头固定片;11 平台底座;12 刚性约束板;13 螺杆;14 螺母;15 侧向加载板探头固定孔为了研究不同厚度顶板的破断模式,同时最大限度利用实验台的空间,自行设计了采空区顶板破断模拟实验装置,可用矩形板的长度为35cm,宽度为20 cm,适用于均布荷载㊁集中荷载作用等不同支承边界条件下,不同厚度或不同长度或不同强度的薄板㊁厚板,以及薄板与厚板组合形式的采场顶板破坏特征及破断机理的小尺度实验研究,具体结构如图1(b)所示㊂整个岩板下端面边界四周由刚性(或弹性)基础支撑,上端面由压板进行约束,由顶部加载板和钢珠施加垂直应力,左右侧端面由侧向加载板施加侧向水平应力;混凝土板上部通过钢球与顶部加载板接触,实现了均布加载;动力控制系统采用液压伺服装置,裂隙发育采用声发射系统进行监测,对岩板变形破坏特征与过程及损伤机理的研究具有普遍指导意义㊂实验设备结构简单,可在室内模拟不同厚度㊁不同强度㊁不同边界支承条件下采空区顶板的破断行为,为采场顶板的控制和煤矿的安全开采提供实验依据㊂2㊀不同厚度顶板破断实验准备表1为混凝土板制作配方,表中所述混凝土试块所用的沙子为优质细河沙,水泥为P．O425普通硅酸盐水泥,石膏粉为 山鹅牌 高强石膏粉,缓凝剂为水泥专用缓凝剂,掺量为胶凝材料质量的0．02%~ 0．15%㊂图2为混凝土板制作流程,混凝土需先浇筑入模,如图2(a)所示;之后,混凝土板在模具中凝固10~20h,然后拆模取出,如图2(b)所示;取出的混凝土板要在室温下洒水覆膜养护,每隔4~6h洒水一次,洒水养护7d后室温下自然风干21d,如图2 (c)所示;制作完成的混凝土板如图2(d)所示,对不同厚度的混凝土板进行编号分组,并对板表面进行打磨㊁测量,为下一步的实验做好准备㊂表1㊀混凝土板制作配方Table1㊀Formula for making concrete slabs参数混凝土试块尺寸/cm长宽高圆柱试件强度/MPa总质量/kg沙子/kg水泥/kg石膏/kg密度/(kg㊃m-3)配比体积/cm3混凝土板35202．04．56．57．58．510．02．072．361．240．900．225．322．792．030．507．684．022．930．738.87 4.64 3.380.8510.00 5.26 3.830.9111.80 6.19 4.50 1.1116891．1ʒ(8ʒ2)140031504550525059507000图2㊀混凝土板制作流程Fig．2㊀Manufacturing process of concrete slab3㊀不同厚度顶板破断实验图3所示为混凝土板加载实验示意图,混凝土板的四周嵌入固支装置中,长边嵌入尺寸为4cm,短边嵌入尺寸为5cm;混凝土板的中部为加载区域,该区域的尺寸为30cmˑ16cm㊂图4为不同厚度顶板破断实验设备安装流程,首先将装置置于实验台,然后将制作完成的混凝土板放置于装置中,如图4(a)所示,板背面为钢板支撑,钢板的强度远远大于混凝土板的强度,故可视为刚性基础;然后将顶部固定并将压板放下,顶部固定压板的中间部分即为加载区域,如图3所示㊂为了更好地实现均布载荷,在混凝土板正面的加图3㊀混凝土板加载实验示意Fig．3㊀Experimental sketch of concrete slab loading图4㊀实验设备安装流程Fig．4㊀Installation process of experimental equipment载区域布满钢珠,实现均布的点载荷㊂在顶部固定压板和刚性基础的作用下,实现了混凝土板四边固支的边界条件,如图4(b)所示;之后放下压头,顶部加载板与板的正面加载区域之间为钢珠,如图4(c)所示;最后将实验装置缓慢地推入实验台的中央,如图4(d)所示㊂在实验装置推入实验台并调试完毕之后即可进行加载实验㊂首先,通过实验台的压头对混凝土板施加荷载,压头加载速率为0．1mm/min,然后观察整个加载过程中模型的开裂㊁破断时间与先后顺序,从而推测出现场煤层开采后,采空区顶板可能的破断形式及垮落情况㊂如图5所示,混凝土板厚度分别为2, 4．5,6．5,7．5,8．5,10cm;厚跨比分别为1/8,9/32,13/32,15/32,17/32,5/8㊂因此,厚度为2cm的混凝土板属于薄板范围;厚度为4．5cm的混凝土板厚跨比接近1/4可作为临界厚度;6．5,7．5,8．5,10cm均可视为厚板,且每组尺寸均进行了3个试样的实验㊂在实验中发现背面的裂纹比正面的裂纹更加清晰可辨,因而在记录时以背面裂纹为主,图5为部分混凝土板背面裂纹发育及破坏情况,表2为混凝土板断裂形式统计㊂图5㊀混凝土板背面裂纹发育及破坏情况Fig．5㊀Development and failure of cracks on the back of concrete slabs表2㊀混凝土板断裂形式统计Table 2㊀Statistical table of fracture forms of concrete slabs厚度/cm厚跨比编号厚板/薄板破断形式备注2182-22-32-4薄板沿长边的 O -X 破断沿长边的 O -X 破断沿长边的 O -X 破断4．59324-14-24-3厚板与薄板的临界厚度沿短边的 O -❋ 破断沿短边的 O -X 破断沿长边的 O -X 破断4-1板中部出现明显的沿短边的贯穿性平整断裂6．513326-16-26-3厚板沿长边的 O -X 破断沿短边的 O -❋ 破断沿长边的 O -X 破断6-3板中部出现明显的沿短边的贯穿性平整断裂7．515327-17-27-3厚板沿长边的 O -X 破断沿短边的 O -X 破断沿短边的 O -X 破断8．517328-18-28-3厚板沿短边的 O -X 破断沿短边的 O -X 破断沿长边的 O -X 破断105810-110-210-3厚板沿长边的 O -X 破断沿长边的 O -X 破断沿长边的 O -X 破断4㊀不同厚度顶板破断机理分析4．1㊀破坏模式及机理分析在破断模式上,将本次实验结果归结为4种形式:沿长边的横向 O -X 破断形态㊁沿短边的纵向O -X 破断形态㊁沿长边的横向 O -❋ 破断形态和沿短边的纵向 O -❋ 破断形态,总结如图6所示㊂其中, O -❋ 型的断裂模式指的是板中部出现明显的沿短边贯穿性平整断裂,呈现出 O -❋ 型的断裂模式,如图5中4-1号板和6-3号板所示㊂在实验过程中可观察到,不同厚跨比的板均为长边先破坏,这主要是在均布载荷作用下,长㊁短边应力都是在中心处最大,而沿着板边逐渐减小[14,20]㊂并且,长边中心处的应力值远大于短边中心处的应力值,因此在实验中会表现为长边先出现断裂的现象㊂从图5中可看出,薄板的破断形式与过去基于薄板的理论和数值研究是相符的㊂厚度为2cm 的薄板基本上呈现出沿长边方向的 X 型破断[28]㊂在过去图6㊀混凝土板 O -X 和 O -❋ 破断形态Fig．6㊀Fracture patterns of O -X and O -❋ concrete slabs的研究中[14,20],认为薄板的破断形态主要表现为沿长边的横向 O -X 破断㊂在均布荷载作用下,板的四边受到剪力和拉力共同作用,以剪力为主,使板的四边产生拉剪破坏,形成 O 型圈㊂在板的底部中间位置受拉力作用产生拉破坏,形成一条横向主裂纹,主裂纹不断向板两端延伸,在距板左右两端的某个位置,主裂纹分裂成沿板左右两端部边角延伸的 X 型裂纹,最后形成 O-X 型破断,这在本文的实验中得到了验证;厚度为4．5cm的临界厚度混凝土板出现了2种破断形式,如图5(b)中4-3试件是过去研究中常见沿长边方向的 X 型破断,图5(b)中4-1试件和4-2试件是沿短边方向的 X 型破断,这与过去的研究结果是有少许差异的㊂现有的研究理论认为[29-30],板中部一般为拉伸破坏,其破坏方向受制于沿长边或者沿短边方向的拉应力大小,若沿短边方向的拉应力大于沿长边方向的拉应力,则出现沿短边方向的贯穿性裂纹,即呈现出沿短边方向的 X 型破断,反之则为沿长边方向的 X 型破断㊂随着混凝土板厚度的增大,混凝土板中部的单一裂纹的长度(如图6(a),(b)中的l1和l2所示)逐渐减小,说明随着厚度的增加,混凝土板需要释放的能量增多,板中间的单一裂纹提前出现分叉现象;厚度为6．5,7．5, 8．5,10cm的厚板,表面的裂纹比较复杂,破断严重,从贯通性的大裂纹上来看,破断的主要形式为沿短边方向的 X 型破断,沿长边方向的 X 型破断较少,甚至不明显㊂从另一个角度来说,厚板破坏是弯曲和剪切复合作用导致的,当剪切影响可忽略不计时,板沿着长边破断;当剪切影响逐渐增大时,板的各力学参数被不同程度地弱化,板中部的破坏形态开始出现沿短边破断㊂当板中部的裂纹扩展一定距离之后开始出现分叉的裂纹,这是由于均布载荷之下混凝土板的能量释放率正好达到混凝土板的断裂韧性时,系统所释放出的能量等于裂纹扩展单位面积形成自由表面所需要的能量,裂纹可形成新的表面,进而出现了分叉[31-34]㊂由于混凝土板中间的裂纹是从中间向两边对称扩展的,因此也会在裂纹两端出现分叉现象㊂随着裂纹的发育和混凝土板内的能量释放,裂纹逐渐扩展至边缘处,最终形成了板中部的 X 型破断方式;又因混凝土板四周边缘处的破断,进而形成了 O-X 型的破断模式㊂图6所示混凝土板出现了 O-❋ 型的破断模式㊂在这种 O-❋ 型的破断模式中,板中部的破断裂纹有较好的连贯性,整条裂纹表现为K型弯折,如图5中编号为4-1和6-3的混凝土板所示,总结为如图6(c),(d)所示㊂造成K型弯折的主要原因[35-36]是由于混凝土板的变形导致载荷分布不均,在板的中部形成沿短边方向的线载荷㊂随着裂纹的扩展,裂纹尖端的应力强度因子不断增大,当裂纹尖端处的应力强度因子达到裂纹分叉的断裂韧性之后,裂纹将扩展后发展为二次断裂,即产生K型弯折裂纹㊂综上所述,厚板类型的基本顶出现不同类型的断裂模式主要是横向剪切力和弯曲耦合作用下,裂纹扩展及能量释放不确定性导致的㊂实验表明,图5(a)中的混凝土板在加载过程中,首先是长边破断;之后板的中部比短边更早发生断裂,板内整体的能量在此处释放出来,因而短边没有发生明显的破断;随着加载压头的不断下移,短边才被剪断,这与文献[14]的结果相似㊂4．2㊀裂纹分布特征平均裂纹数目统计如图7所示,图中统计了各尺度混凝土板背面肉眼可见的裂纹数目,并求取每个尺度混凝土板裂纹数目的平均值,其中横坐标为厚跨比,纵坐标为各尺度混凝土板的平均裂纹数目㊂从裂纹的统计来看,板的长宽是一定的,厚跨比未及0．5之前,随着板厚的增加,使板发生破断所需的裂纹数不断增加,说明在板破坏过程中,厚度的增加也让断裂板块之间的铰接力增大,板的破坏在一定程度上被抑制㊂因此为了使板进一步破断失效,则需要发育出更多的裂缝㊂随着厚度逐渐增加到厚跨比接近0．5时,板破断之后的外形越来越完整,裂纹平均数量也陡然降低,这主要是受四边固支约束的影响,板的厚度越大,约束影响越明显㊂此时的板在破断之后能承受更大的挠度,在加载完毕后也不会出现完全分离的现象,如图5(f)所示,此时的板虽然失去了承载能力,但却表现出似断非断的状态㊂图7㊀裂纹数目统计Fig．7㊀Statistical chart of crack number本文按照裂纹的尺寸分为大裂纹(裂纹宽度为1~3mm)㊁中等裂纹(裂纹宽度为0．5~1mm)和小裂纹(裂纹宽度小于0．5mm)3种㊂图8显示了破断之后混凝土板表面可见的各尺度裂纹所占的比例大小㊂从图8中可以明显看出,大裂纹所占的比例随着板厚的增加明显降低,这说明厚度的增加使大裂纹对混凝土板破断的主导地位有所下降㊂同时,厚度的增加也让影响混凝土板破断的因素增多,小裂纹的影响比重增大㊂图8㊀裂纹尺度Fig．8㊀Crack size 4．3㊀厚跨比与承载力的关系图9为厚跨比与平均峰值强度关系㊂混凝土板的平均峰值强度呈现出随着板厚的增加而增大的趋势㊂当厚跨比为1/8时,混凝土板属于薄板,板的平均峰值强度比较低;当板的厚跨比为9/32~17/32时,混凝土板属于厚板,板的平均峰值强度有了很大提高,较之厚跨比为1/8的薄板,强度提高了78．21%~115．35%㊂说明在该厚跨比范围内,较之薄板,厚板的厚度大幅增加,板的抗剪能力大幅提高,但由于板的厚度相对板的跨度有限,厚度对板的抗拉能力的提升不大,导致随板厚增加,板的强度增长幅度并不大,约为17．24%㊂当板的厚跨比达到5/8,厚度优势使板的抗剪切能力和抗拉能力均得到大幅提升,使得板的强度较厚跨比为17/32的板强度提升了34%㊂图9㊀厚跨比与平均峰值强度关系Fig．9㊀Relationship between thickness-spanratio and average peak strength 图10为厚跨比与平均峰值变形和平均最大变形关系曲线㊂从图10可以看出,薄板的变形差远小于厚板的变形差,主要是由于薄板强度太小,达到峰值强度以后板的承载能力急剧下降,残余强度不足以支撑板发生过多变形,因此薄板很快便发生破坏㊂由图10可知厚跨比为1/8的薄板峰值变形明显小于厚跨比5/8的厚板,显然大于厚跨比为9/32,13/32,15/32,17/32的厚板,主要是因为薄板达到峰值强度以后的残余变形很小,达到峰值强度以前的变形占据了薄板发生的所有变形的很大一部分,故使得其峰值变形值较大㊂对于厚板而言,随着厚度的增加,峰值变形和最大变形都有增大的趋势,并且变形差也逐渐增大,这说明随着板厚度的增加,板抵抗变形的能力得到提高,由于板的四边为固支边界,在板达到峰值强度并发生破裂后,板的扩容受到固支边界的约束使得裂纹中的摩擦力增大,板的残余强度提高,因此使得板的残余变形量相应增加,最终使得板的平均最大变形值增大㊂图10㊀厚跨比与平均峰值变形㊁平均最大变形关系Fig．10㊀Relationship between thickness-span ratio andaverage peak deformation and average maximum deformation4．4㊀厚跨比与破断角的关系图11为厚跨比与板长边平均破断角的关系曲线,图12为厚跨比与板短边平均破断角的关系曲线㊂图11㊀厚跨比与长边破断角关系Fig．11㊀Relationship between the thickness-spanratio and the breaking angle of the longside图12㊀厚跨比与短边破断角的关系Fig．12㊀Relation curve between thickness-spanratio and short edge breaking angle从图11可以看出,混凝土板为薄板时,破断角约为80ʎ,随着厚度增加,厚跨比为1/4时,板处于薄板与厚板分界点,破断角减小至62ʎ;随着板的厚度继续增大,厚跨比大于9/32时,板处于厚板状态,破断角又逐渐增大,破断面表现出由倒 八 向正 八 变化的趋势㊂由图12可得,与长边平均破断角不同,短边平均破断角的范围在80ʎ~105ʎ㊂根据破断角的变化范围基本可以判断,混凝土板长边与短边基本上是以剪切破断为主,且由于沿长边的剪切力始终大于沿短边的剪切力,因而在实验中长边先发生破坏㊂5㊀结㊀论(1)研制了采空区顶板破断模拟实验装置,可模拟四边固支㊁均布加载条件下,不同厚度岩层顶板初次垮落时的破断形态㊂(2)对不同厚度岩层顶板进行了系统的实验,获得了不同厚度顶板的破坏行为㊂薄板破裂基本形态与以往的研究基本一致,厚板的破断行为由于受到横向剪切力的影响,破断模式更为复杂㊂(3)薄板破坏主要是弯曲破坏;厚板破坏是弯曲和剪切复合作用导致,当剪切影响可以忽略不计时,板沿着长边破断;当剪切影响逐渐增大时,板的各力学参数被不同程度弱化,板中部的破坏形态开始出现沿短边破断㊂(4)实验表明,板的厚度达到中厚板的要求后,开始出现沿短边方向的 X 型破断㊁沿短边的 O-❋ 破断以及沿长边的 O-❋ 破断形态㊂(5)板的厚度增加导致影响板破断的因素增多,大尺度裂纹对破断的控制减弱,小裂纹对板破断有明显影响㊂且随着厚跨比的增加,板面上裂纹数不断增加,至厚跨比为15/32时达到最多,之后随着厚跨比的不断增大而减少㊂(6)在板的厚跨比达到0．5左右时,板在加载完毕失去承载能力后,由于部分板的短边没有完全破断导致板处于似断非断的状态,外表仍保持完整性㊂参考文献(References):[1]钱鸣高,许家林．煤炭开采与岩层运动[J].煤炭学报,2019,44 (4):973-984．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2019．0337．QIAN Minggao,XU Jialin．Behaviors of strata movement in coal mining [J].Journal of China Coal Society,2019,44(4):973-984．doi: 10．13225/j．cnki．jccs．2019．0337．[2]钱鸣高．岩层控制与煤炭科学开采文集[M].徐州:中国矿业大学出版社,2011．QIAN Minggao．Literature collection of strata control and scientific coal mining[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2011.[3]康红普．我国煤矿巷道锚杆支护技术发展60年及展望[J].中国矿业大学学报,2016,45(6):1071-1081．KANG Hongpu．Sixty years development and prospects of rock bolting technology for underground coal mine roadways in China[J].Journal of China University of Mining&Technology,2016,45(6):1071-1081.[4]左建平,孙运江,文金浩,等．岩层移动理论与力学模型及其展望[J].煤炭科学技术,2018,46(1):1-11,87．ZUO Jianping,SUN Yunjiang,WEN Jinhao,et al．Theoretical and 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