非静水压力条件下巷道围岩破碎区应力分布特征

王宏伟^1,2，张登强¹，邓代新¹，姜耀东^1,3，刘洋洋¹

1. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院2. 中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室3. 中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室

摘 要：煤矿巷道围岩的应力状态与稳定性关系密切,尤其是巷道围岩破碎区的分布范围及应力分布特征的研究,对于确定巷道支护方案,提高巷道围岩稳定性具有重要的理论意义和工程指导价值。以非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区分布范围为研究对象,建立了非静水压力条件下巷道围岩应力状态分析的力学模型,给出了非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区及塑性区的应力与位移的解析解,对比分析了2者随埋深及侧压系数的变化特征。以辽宁大兴煤矿北二采区902工作面运输巷道为工程背景,通过数值分析和理论计算,对比分析了巷道围岩破碎区的应力与位移随埋深及侧压系数的变化特征,评价了围岩稳定性。研究结果表明:在巷道掘进后围岩环向正应力的变化明显比径向正应力剧烈,围岩破坏的主要形式是沿纵向开裂;由于不同区域的围岩变形特征不同,使其黏聚力及内摩擦角等物理力学参数的大小存在差异,从而导致围岩破碎区、塑性区和弹性区边界应力产生不连续现象;在一定埋深范围内巷道围岩破碎区及塑性区范围随埋深的增加而线性增大。当巷道埋深较小时,巷道围岩破碎区较小,巷道处于相对稳定的状态。当埋深较大时,巷道左、右两帮处较顶底板更易发生失稳破坏;塑性区及破碎区半径的比值随埋深及侧压系数的增大而减小,且随着埋深的增大,侧压系数对围岩塑性区及破碎区范围的影响程度逐渐减小,当埋深增大到一定程度时,围岩应力状态趋于静水压力状态;当埋深达到1 500 m时,围岩达到了极限平衡状态。

关键词：非静水压力;破碎区;塑性区;侧压系数;极限埋深;