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地壳岩层中等间距破裂现象是一个非常重要的地学现象,同时也是采矿工程界和地质工程界研究的热点问题之一。它对采矿作业生产安全性和预测矿床的赋存位置等方面有着重要的意义。地壳岩层的等间距破裂现象是在长期的地质条件下形成的,其受力状况非常复杂,因此在实验室很难进行研究。目前对地壳岩层等间距破裂现象的研究大多数仅仅停留在一些不完善的理论假设和现场观测上。但大部分理论假说注重通过应力分析对等间距破裂的形成机理,现场观测也只是对某种性质下的饱和裂纹间距进行统计,都没有形成饱和时裂纹间距与岩层的几何参数和力学参数之间的规律性研究。因此,本文充分考虑岩石非均匀性的影响,利用数值试验方法,同时结合实际情况建立数值模型,对多个模型试件进行统计分析,对影响等间距破裂中饱和裂纹间距的因素进行数值试验分析,研究了饱和裂纹间距随岩层的几何参数(岩层厚度)和力学参数(弹性模量)的变化规律。
本文主要开展了如下几个方面的工作:
1.应用有限元计算软件,分别建立三层应力分析数值模型和破坏分析数值模型;对所建立数值模型中非均匀性的衡量尺度-均质度的选取进行论证;对数值模型进行应力场分布验证和物理试验验证以验证了该数值模型的正确合理性。
2.通过对多个算例进行应力分析和破坏分析,分别统计出岩层等间距破裂中饱和裂纹间距与数值模型中间破裂层层厚、同步改变上下层层厚、上层层厚的关系,找出饱和裂纹间距在应力分析和破坏分析下随这些参数的变化规律,并对两种不同分析得到的结果进行对比,找出两者分析结果的不同以及造成这种差异的原因。
3.在相同的条件下,对同一性质的岩层模型进行多次数值试验,应用应力分析的方法得到饱和裂纹间距随数值模型的中间破裂层弹性模量、上层非破裂层弹性模量的变化规律;利用数值模型破坏后统计分析的方法分别研究了岩层上层非破裂层弹性模量和中间破裂层弹性模量对岩层饱和裂纹间距的影响;本文并对同种条件下两种不同分析方式得到的结果进行对比分析,以找到两种分析方式的差别,为人们进一步了解、研究地壳岩层等空间破裂这种复杂的地质现象做一些基础性工作。