不同厚度岩层破断模式转变机理及力学模型分析

采动岩层的变形、破断、运动模式与采场矿压显现、地表沉陷等密切相关.薄岩层与厚岩层的破断模式又呈现出显著的差异,如何将不同厚度岩层的破断模式统一描述并建立力学模型是岩层移动理论难题.统计了 23个典型工作面采动岩层破断结构,基于断裂力学理论对岩层的破断力学因素及运动模式进行了分类,详细分析了其与岩层厚度之间的关系.基于中厚板理论建立了不同厚度岩层破断力学模型,揭示了不同厚度岩层的破断力学机理及破断模式,并给出了相应的判据.结合数值模拟分析了不同厚度岩层在开采过程中的变形、破断和运动规律.研究表明,不同的应力边界条件作用在不同厚度的岩层上面,再加上开采条件的不同,岩层会出现不同的破断模式.随着岩层厚度的增加,岩层所受剪力不断增大,岩层的破断力学机理呈现出拉破断、拉剪破断及剪破断的演化规律;其相应的岩块结构则分别表现为砌体梁结构、分层破断以及台阶岩梁;统计数据表明岩块厚跨比大于0.5的岩层更易发生剪切破断而形成台阶岩梁.基于上述统计和分析,针对厚岩层可能发生的拉剪破断问题,提出混合破断模式的概念,将岩层破断力学因素细化为拉破断、拉剪破断及剪切破断 3种;将不同厚度岩层的破断模式分为薄岩层常见的拉破断及遇断层引起的剪破断,厚岩层出现的拉破断、拉剪破断及剪切破断,其中拉剪混合破断分为端部拉剪混合破断、分层联动运动及分层非协调运动等 7类破断模式.对岩层破断模式的进一步研究可为采场矿压控制及地表沉陷灾害的防治提供有益的理论支持.