煤层底板岩体参数随机场建模及采动稳定可靠度研究

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天然岩土体的岩体参数因沉积环境和构造作用等不同表现出空间变异性,宜用随机场理论来描述。大量学者将这一理论引入岩土工程研究中,但目前少有从随机场角度研究煤层底板岩体力学参数空间变化规律并以此为基础探讨煤层采动底板突水危险性可靠度。为此,本文拟通过开展随机条件下的煤层采动数值模拟,研究底板岩体参数随机场建模及采动突水危险性可靠度,主要成果如下:1)岩体参数随机场应基于高斯随机场进行模拟,常用方法有局部平均法、协方差矩阵分解法、移动平均法和循环嵌入法。算例分析得出:移动平均法模拟随机场虽表现出来较强的各向同性,但离散范围已远大于相关距离;局部平均法与协方差矩阵分解法较为耗时,移动平均法和循环嵌入法模拟效率则较前两者快上百倍;局部平均法精度较其他三者高。从实现难度、生成效率、结果精度等方面考虑,在满足精度要求时,循环嵌入法为最佳选择。2)基于蒙特卡罗法进行采动模拟得出:①底板岩体参数为随机场时,破坏形式与固定值一致,但破坏范围较固定值出现一定的离散性。②岩体参数为随机变量时,岩体破坏的横向和纵向展布一致,且表现出一定的随机性;当为随机场时,纵向展布大于横向,竖向变化性更强,随机场控制作用明显。③随机场对硬岩破坏的影响较软岩弱,软岩破坏呈现高离散性,硬岩则较低;对于层状底板,上软下硬型在岩性分界面破坏呈突变性,上硬下软型下部软岩区出现随机性破坏,实际研究中应重点关注。④相关距离变化时,宏观上岩体失效概率基本相同,不同相关距离下失效概率随模拟次数的变化规律也基本相同,但对于同一点,失效概率随相关距离的增大而减小。3)以桃园煤矿10煤底板采动破坏为例,基于蒙特卡罗原理分别模拟了煤层采深650m、灰岩含水层水压2.5MPa和采深750m、灰岩含水层水压3.5MPa情况下的底板采动破坏引发突水危险性,并与突水系数法进行比较,得出了参数空间变异下的数值模拟技术充分考虑了岩体参数不均一性带来的影响,具有较高的可信度。在底板突水判定中可同时采用突水系数和可靠概率作为评价指标,使得底板突水危险性判定结果更为准确和全面。图[68]表[12]参[102]
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