基于不平衡力的坚硬顶板破断数值分析 - 杨强; 王昀; 段宏飞; 朱卫兵 (煤炭学报, 2023)
TD325; 掌握煤矿采场坚硬顶板破断规律对揭示煤矿开采过程中的来压规律等方面具有重要作用.坚硬顶板破坏实质上是结构变形不协调的体现,有必要对结构可能存在的变形不协调区域开展数值方法研究.提出一种有限元数值模拟思路,计算常规弹塑性有限元方法无解时屈服面外应力场的等效节点力并称为不平衡力,阐明不平衡力的物理意义及以不平衡力分布指示变形不协调区域的理论依据,并以重设网格体现层间变形不协调对结构的影响,形成一套以不平衡力指示变形不协调区域的煤炭开采过程弹塑性有限元数值方法.以同忻煤矿8102工作面为研究对象,采用以上方法对该工作面随开采过程的顶板破断情况进行模拟,并得到了模型试验、现场实测资料的对比验证.研究表明:① 连续介质边值问题解不存在意味着平衡条件、变形协调条件及本构关系无法同时满足,将出现变形不协调情况,并出现不平衡力.② 不平衡力是结构应力状态偏离平衡位置的度量,其分布可用于指示煤炭开采过程中的变形不协调区域,进而判断顶板破断过程.③不平衡力分布主要受开采距离及厚硬层位的影响,8102工作面存在2个厚硬层位对不平衡力发展起阶段性控制作用.④在开采至110 m及270 m时,不平衡力分布区突破厚硬层位并向上发展,意味着厚硬顶板断裂、地应力得到释放,可能是导致剧烈来压的重要原因.