非静水压力条件下巷道围岩偏应力场分布特征与围岩破坏规律.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 l 非静水压力条件下巷道围岩偏应力场分布特征 与围岩破坏规律 赵洪宝1 ’2 ，程辉1 ，王磊2 ，刘一洪1 ，吉东亮1 ，张一潇1 1 ．中国矿业大学 北京 能源与矿业学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南 2 3 2 0 0 1 1 摘要通过理论分析对受三向应力非静水压力条件下的巷道围岩偏应力场与应变能密度分布规 律进行了深入研究，以此来探究巷道围岩破坏规律，巷道塑性区数值模拟结果与现场工程实例验证 了理论结果的正确性。研究结果表明①非静水压力条件下，不同的主导型应力场中，巷道围岩偏 应力场分布规律差异较为明显。盯。主导型应力场中，巷道顶底板偏应力大于两帮；盯，主导型应力 场中，巷道顶底板与两帮偏应力大小差别不大；矿主导型应力场中，巷道两帮处的偏应力大于顶底 板。主导应力值的变化会引起巷道围岩偏应力分布数值上的变化，不引起偏应力分布形态的改变。 ②等p 、等q 时，在盯。与盯，主导型应力场中，巷道顶底板应变能密度大于两帮，而在盯主导型应力 场中，巷道两帮应变能密度大于顶底板。等p 、不等g 情况下，3 种主导型应力场中，巷道顶底板与 两帮应变能密度均随偏应力比M 的增大而增大；等q 、不等p 情况下，巷道顶底板与两帮应变能密 度均随偏应力比M 的减小而增大。③三向应力状态下，巷道围岩应变能密度分布规律可以反映 塑性区形态。M 1 时，巷道围 岩应变能密度呈“8 ”字形或“x ”形分布。处于盯。主导型应力场中的巷道需注重巷道顶底板的支 护；对于盯。主导型应力场，巷道在围岩条件较差时，应注重全断面支护；对于盯主导型应力场，需 注意围岩塑性区出现“x ”形扩展。④回坡底1 0 2 1 巷围岩偏应力场与应变能密度均呈倾斜的“8 ” 字形分布，工程现场与巷道围岩偏应力场及应变能密度分布规律相互验证。基于理论分析结果，对 回坡底1 0 2 l 巷提出非对称性支护技术，现场应用效果良好。 关键词非静水压力；偏应力场；应变能密度；塑性区分布；巷道支护 中图分类号T D 3 2 2文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 0 3 7 0 1 2 D i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd e v i a t o r i cs t r e s s6 e l da n df h i l u r el a wo f r o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ku n d e rn o n h y d r o s t a t i cp r e s s u r e Z H A 0H o n g b a o ‘”，C H E N GH u i ‘，W A N GL e i 2 ，L I UY i h o n g ‘，J ID o n g l i a n g ‘，Z H A N GY i x i a 0 1 1 ．s 如0 0 z0 ，阢聊，Ⅱn d 胧n i 增E 增i 聊盯i 增，m i M ‰讹腮妙旷胧n i 增n 蒯‰ 聊f o 盯 曰e 彬凡g ，＆承增I O 0 0 8 3 ，吼i 眦；2 ．S 细据研如6 0 m ￡o 可o ， 胁n i 昭尺e 印。瑚e 口以D 如∞f 盯P 愀n ￡i o nn 蒯c o n 舳f 抚D e 叩c o o f 删榔，A n 洲‰i 钾珊妙o ，S c 曲凡c en n dn 如聊f o g y ，日“口i n 帆2 3 2 0 0 l ，c i n 口 收稿日期2 0 2 0 1 2 0 5修回日期2 0 2 卜叭一2 5责任编辑黄小雨D O I 1 0 ，1 3 2 2 5 ／jc nk i j c c s ．2 0 2 0 ．1 8 7 7 基金项目越崎杰出学者计划资助项目 8 0 0 叭5 2 1 1 7 9 ；深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室开放基金资助 项目 s K L M R D P c l 9 K F D l ；中央高校基本科研业务费研究生科研创新能力提升资助项目 2 0 2 0 Y J s N Y 0 7 作者简介赵洪宝 1 9 8 0 一 ，男，山东德州人，教授，博士生导师。E m a i l h o n g b a o z h a o 1 2 6 ．c o m 通讯作者程辉 1 9 9 6 一 ，男，广西梧州人，博士研究生。E m a i l h u i l 2 8 0 1 2 6 ．c o m 引用格式赵洪宝，程辉，王磊，等．非静水压力条件下巷道围岩偏应力场分布特征与围岩破坏规律[ J ] ．煤炭学报， 2 0 2 1 ，4 6 2 3 7 0 3 8 1 ． z H A 0H o n g b a o ，c H E N GH u i ，w A N GL e i ，e ta 1 ．D i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd e v i a t o r i cs t r e s sn e l da n df a i l u r e1 a w o f m a d w a ys u n ．o u n d i “g m c ku n d e rn o n - h y d m s t a t i cp r e s s u r e [ J ] ．J o u m a lo f c h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 2 3 7 0 3 8 1 ． 移动阅读 万方数据 第2 期赵洪宝等非静水压力条件下巷道围岩偏应力场分布特征与围岩破坏规律 3 7 1 A b s t r a c t T h ed i s t r i b u t i o nl a wo fd e v i a t o r i cs t r e s s6 e l da n ds t r a i ne n e r g yd e n s i t yo fr o a d w a ys u I T o u n d i n gr o c ku n d e r t h ec o n d i t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a ls t I ．e s sa n dn o n - h y d r o s t a t i cp r e s s u r ei ss t u d i e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s oa st oe x - p l o r et h ef a i l u r el a wo fr o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k ．T h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a lr e s u l t si sv e r i f i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so fr o a d w a yp l a s t i cz o n ea n df i e l de n g i n e e r i n ge x a m p l e s ．T h er e s u l t ss h o wt h a t ①u n d e rt h ec o n d i t i o no f n o n - h y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，t h ed i s t r i b u t i o nl a wo fd e v i a t o r i cs t r e s s6 e l do fr o a d w a ys u r r o u n d i n gm c ki so b v i o u s l yd i f k r - e n ti nd i f b r e n td o m i n a n ts t r e s sf i e l d s ．I nt h e 盯。d o m i n a n ts t r e s sf i e l d ，t h ed e v i a t o r i cs t r e s so fr o a d w a yr o o fa n dn o o ri s g r e a t e rt h a nt h a t o fs i d e w a l l s ．I nt h e 盯，d o m i n a n ts t r e s s6 e l d ，t h ed i f k r e n c eo fd e V i a t o r i cs t r e s sb e t w e e nt h er o o fa n d n o o ro fI D a d w a ys u r r o u n d i n gr o c ka n dt h a t o fs i d e w a l l si sn o ts i g n i f i c a n t ．I nt h e 盯d o m i n a n ts t r e s sf i e l d ，t h ed e v i a t o r i c s t r e s so fs i d e w a U so fm a d w a yi sg r e a t e rt h a nt h a t o fr o o fa n dn o o r ．T h ec h a n g eo ft h ed o m i n a n ts t r e s sv a l u ew i l lc a u s e t h ec h a n g eo ft h ed e V i a t o r i cs t r e s sd i s t r i b u t i o nv a l u eo ft h es u H - 0 u n d i n gr o c k ，b u tw i l ln o tc a u s et h ec h a n g eo ft h ed i s t r i - b u t i o nf o mo ft h ed e V i a t o “cs t r e s s ．②U n d e rt h ec o n d i t i o no fe q u a lpa n dq ，i nt h e 盯，a n d 盯，d o m i n a n ts t r e s s6 e l d ，t h e s t r a i ne n e r g yd e n s i t yo fr o a d w a yr o o fa n dn o o ri sg r e a t e rt h a nt h a t o fs i d e w a U s ．W h i l ei nt h e 盯。d o m i n a n ts t r e s sf i e l d ， t h es t r a i ne n e r g yd e n s i t yo fs i d e w a l l so fr o a d w a yi sg r e a t e rt h a nt h a t o fr o o fa n dn o o r ．I nt h ec a s eo fe q u a lpa n du n e q u a lg ，t h es t r a i ne n e r g yd e n s i t yo fr o o fa n dn o o ra n ds i d e w a l l so fm a d w a yi n c r e a s e sa st h ei n c r e a s eo fd e v i a t o rs t r e s s I a t i o Zi nt h et h r e ed o m i n a n ts t r e s sf i e l d s ．I nt h ec a s eo fe q u a lqa n du n e q u a lp ，t h es t r a i ne n e r g yd e n s i t yo fr o a d w a y I - o o f ，n o o ra n ds i d e w a l l si n c r e a s e sa st h ed e c r e a s eo fd e v i a t o r i cs t r e s sr a t i oM ．③u n d e rt h es t a t eo ft h r e e d i m e n s i o n a l s t r e s s ，t h ed i s t r i b u t i o nl a wo fs t r a i ne n e r g yd e n s i t yo fs u n ．o u n d i n gI D c kc a nr e n e c tt h es h a p eo fp l a s t i cz o n e ．W h e nM 1 ，t h es t r a i ne n e 唱yd e n s i t yo fr o a d w a ys u I T o u n d i n gr o c kw i l la p p e a r “8 “ s h a p ea n d “X “ s h a p ed i s t r i b u t i o n ．I nt h e 盯，d o m i n a n ts t r e s s6 e l d ，i ts h o u l dp a ya t t e n t i o nt ot h es u p p o r to fr o o fa n dn o o ro fr o a d w a y ．I nt h e 盯，d o m i n a n ts t r e s s 6 e l d ，w h e nt h es u r r o u n d i n gr o c kc o n d i t i o ni sp o o r ，i ts h o u l dp a ya t t e n t i o nt ot h ef h Uf a c es u p p o r t ．I nt h e 盯d o m i n a n t s t r e s s6 e l d ，t h ea t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt ot h e “x “ s h a p ep l a s t i cz o n ee x p a n s i o no fs u n ’o u n d i n gI I o c k ． 多T h er e s u l t s s h o wt h a tt h ed i s t r i b u t i o no fd e V i a t o r i cs t r e s sf i e l da n ds t m i ne n e r g yd e n s i t yo fs u I T o u n d i n gr o c ko fl0 21 m a d w a yi n H u i p o d ic o a lm i n ei s d i s t r i b u t e di na no b l i q u e “8 ” s h a p e ，t h ed i s t r i b u t i o no fd e v i a t o r i cs t r e s s6 e l da n ds t r a i ne n e r g y d e n s i t yo fs u r r o u n d i n gI D c ka n dt h ee n g i n e e r i n gs i t ev e r i f ye a c ho t h e r ． K e yw o r d s n o n - h y d m s t a t i cp r e s s u r e ；d e v i a t o r i cs t r e s s6 e l d ；s t r a i ne n e r g rd e n s i t y ；p l a s t i cz o n ed i s t r i b u t i o n ；r o a d w a y s u p p o r t 巷道围岩稳定性一直是采矿工程研究的热点 问题之一。巷道问题不仅仅是平面问题，井下巷道 实际上会受到三向应力作用，在不同的应力作用条 件下，特别是非静水压力条件下，巷道围岩的破坏、 稳定性具有较为明显的差异性⋯。其中，偏应力与 应变能密度可以反映巷道围岩破坏趋势与塑性区 形态旧“1 ，因此，笔者基于两者对非静水压力条件下 巷道围岩偏应力场与破坏规律进行深人研究，对巷 道围岩稳定性分析及巷道支护具有重要的理论价 值与指导作用。 对于巷道围岩偏应力场分布与破坏规律，已 有不少专家进行了较为深入的研究。余伟健等基 于平面问题，推导得出在不同应力条件下巷道围 岩偏应力分布情况，建立了偏应力场与塑性区分 布的本构方程，提出不同侧压系数下巷道围岩可 形成典型正对称失稳模式和典型角对称失稳模 式嵋1 。潘岳等通过理论分析推导得到围岩弹性、 硬化和软化区应力分布表达式，用重积分计算了 各区的偏应力应变能“ J 。许磊等以山西某煤矿轨 道巷超高段为研究对象，采用u D E c 模拟不同巷 高时巷道围岩偏应力分布情况，对巷道顶底板、两 帮的偏应力变化程度进行了比较，最终提出了针 对性的支护技术∽J 。骆开静等深入研究了中间主 应力和围岩流变特性对巷道围岩位移和围岩塑性 区的影响，最终发现忽视岩石流变特性会高估围 岩岩性，中间主应力在一定范围内能控制巷道变 形与塑性区扩展一J 。张小波等以D P 屈服准则 推算出了双向等压条件下，巷道围岩弹塑性、塑性 区半径和位移的解析解，发现了中间主应力对围 岩应力分布的重要性0 I 。陈梁等根据D P 屈服 准则与非关联流动法则，推导了静水压力下深部 圆形巷道围岩应力、变形及塑性区半径的封闭解 析解⋯o 。王宏伟等基于M c 准则，将巷道当成 平面问题，推导出了非静水压力条件下圆形巷道 万方数据 3 7 2 煤炭 学报 2 0 2 l ‘} i 第4 6 卷 围岩破碎区及塑性区的应力与围岩解析解⋯J 。 袁超等以软弱破碎巷道为对象，研究1 r 侧压系数、 黏聚力与内摩擦角对巷道塑性区的影响程度。。 目前针对巷道围岩偏应力场与破坏规律的研 究，往往足将巷道简化为平面问题，不考虑巷道在 三向应力非静水压力条件下巷道围岩偏应力分布 特点与破坏形态，此时，相当于忽略巷道轴向方向 的应力作用，对于巷道任意围岩单元仃占，其力学 强度会被高估，造成围岩破坏范围理论分析结果 小于真实值，从而造成一定的1 j 程隐患。| ’”J 。因 此，针对三向应力状态下巷道围岩稳定性的理论 分析有待进一步探究。笔者基于前人研究成果， 对三向应力非静水压力条件下巷道刚岩偏应力与 应变能密度分布规律进行了深入研究，从而反映 巷道围岩破坏形态，最终通过数值模拟与] 程现 场对理论进行J ，验证。 1 巷道围岩偏应力场理论 1 ．1 巷道围岩单元主应力 井下巷道位于三向成力场之中，以网形巷道为 例，建立合理的坐标系，巷道受／／J 与围7 应力状态如 图l 所示。 图l 中，盯。为垂直于巷道轴向的水平应力；盯 为垂直于巷道轴向的垂直应力；盯、为平行于巷道轴 向的应力。盯，，盯。，丁。盯、分别为巷道围岩单元所受 到的径向应力、切向应力、剪应力以及平行巷道轴向 的} ．力。 仉 ∽。 ∥， - 一等 一c 以一以， ⋯等 3 孙o s ㈣， 盯。 吉c 盯． 盯， ， ≥ c 盯一以， ⋯n o s c 2 们 丁，，， { ic 盯、一盯， 2 譬；一3 等 s i n c2 臼， 盯、盯，一2 Ⅳ 盯、疆 譬伽啦p 1 式一} I 尺为巷道半径；，为围崭单元距离巷道中心的距 离；9 为围岩单元位嚣与水平方向夹角；矿为围岩泊 松比。 在图卜垂直y 轴的平面h 巷道围岩单元的主应 力转化公式为 卉 半 √ 半 一“ 盯 盯、 2 武 半一√ 半卜丁乙叽2 丁一√【T J ”州 式中，盯。8 ，盯；，盯；。为巷道围岩单元所受主应力。 图】巷道受力与围岩应力状态永意 将式 1 代入式 2 ，可得到巷道围岩主应力大 F 酶l s I m s ss t a t e Il a 1 w a ya l l t l s u r r L I l l 【l i n gl ．k 小 升一一 厅i 五i F 孤乒手下而一。 盯；盯、一2 ∥ 矿、一盯 等。。s 2 臼 r 小⋯一，厅i 五i F 孤手手下而一。 4 等一 等 芋 ，日 等 - 警 芋 c 吉 警一警 等一等 c 。s c 2 叭。 吉 等 警一予 ㈤啦们 3 万方数据 第2 期赵洪宝等非静水压力条件下巷道围岩偏应力场分布特征与围岩破坏规律 3 7 3 式中，主应力盯 ，盯；，盯f 并不是按照盯i 盯； 盯f 的大小顺序进行标注的，此处仅为符号代 表，原因在于巷道处于三向应力状态之中，盯。，盯，， 盯三个方向应力大小未知，无法判断主应力盯。‘， 盯f ，盯f 的大小，因此需要分类讨论，从式 2 中可 以明显看出，无论巷道处在何种应力状态下，都有 ∥i ≥盯；，而盯f 与盯i ，盯；的大小顺序则存在3 种 情况，分别为 D 盯 ≥盯f ≥盯f ；②盯 ≥盯；≥盯；； ③盯；≥盯 ≥盯；。后续理论推导要根据3 种情况 进行分类讨论。 1 ．2 巷道围岩偏应力场 经典岩土塑性力学认为，岩体单元所受应力可以 分解为球应力与偏应力，其中，球应力控制单元的体 积变形，而偏应力控制着单元的形状变形，因此，偏应 力控制着岩体单元的塑性破坏，对岩体塑性破坏的影 响有着重要意义，探究巷道在三向受力状态下的偏应 力分布规律，可以为巷道围岩塑性区分布规律提供一 定的理论基础嵋q 1 。 已知最大、最小主偏应力S 。，S ，的计算公式为 5 ． S 3 一2 盯，一盯m Js 3 盯3 一盯。 4 【盯。2 盯l 盯2 盯3 ／3 式中，盯。，盯，盯，分别为岩体单元所受的最大、中间、 最小主应力；盯。为平均应力。 上述已知巷道围岩单元主应力仃． ，盯f ，盯 的大 小分为3 种情况，因此，巷道围岩偏应力场的理论推 导也需分类讨论，以盯i ≥盯f ≥矿；的情况为例，此时 盯～ 盯j ，盯2 盯；，仃3 盯，盯。 盯 盯f 盯； ／3 ，最 大、最小主偏应力表达式为 落≥二三 ㈣ 将式 3 代人式 5 便可得到最大、最小主偏应 力的计算表达式。同理，推导可得另外2 种情况的偏 应力表达式。总计3 种情况下的最大、最小主偏应力 的计算表达式如式 6 ， 7 所示。根据式 6 ， 7 可知，在计算巷道围岩主偏应力时，需要将巷道所处 环境应力值代入式 3 计算得到巷道主应力值，再根 据主应力值比较结果计算主偏应力值。 √【等 } ≯ 一 鼍产 等一等 c 。sc 2 9 ，] 2 鼍一2 等一等 2 s i n 2c 2 日， [ 半一孚一虹学】 堕} 拶，【 63 3 r 2J3r 2 ’ 盯 ≥盯；≥矿f u 盯i ≥盯f ≥盯f 三盯一生生 了盯，一r 十 2 尺2 盯，一盯 c o s 2 臼4 R 2 Ⅳ 盯，一∥ c o s 2 9 ， 盯；≥盯l ≥盯； 6 一雁再可下可萨事可面r 再可萨葶而 [ 半一孚一虹号笋堕] 堕虹产， ∥，≥盯l ≥矿； u 盯1 4 ≥盯f ≥盯f 三盯一竺 竺 了盯，一了一十 2 R 2 盯。一盯 c o s 2 p 4 R 2 Ⅳ 盯。一盯； c o s 2 p 图 1 中，巷道所处应力环境盯，，盯，，盯可用式 8 ‘1 6 1 表示 s i n ”号订 s i np 矿 s i n ”季可 ， 盯I ≥盯f ≥盯f ，p 盯。 叽 叫 q 去厄i F F 可丽以⋯c t a n 舞 7 8 g 2 3 1●●，，●，●j P p p ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．L 1●●●●●●●●●J z y 盯 盯 盯 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．L 万方数据 3 7 4 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 其中，p 为球应力；g 为偏J 、迈力；口，，为L Ⅲl e 角，该值可 以表示盯、，盯、，盯二三个应力之间的相对比值关系。基 于式 8 ，笔者认为，巷道在处于等p 、等q 的应力状 态中，随着p ，，值的变化，巷道围岩单元所受应力状态 会发生变化，巷道围岩单元主偏应力大小也会发生变 化，从而产生不同程度的围岩破坏，因此，该处取巷道 处于等p 、等q 应力环境下探究巷道围岩偏应力分布 规律，取，F2 0M P a ；g 1 5M P a ，口。范围为[ 一3 0 。， 3 3 0 。] ，根据式 8 ，获得仃。∥、， 厂的应力加载方案， 如图2 所示。 图2 中，在t 丁。盯、， r 二三个几迈力之中，根据最大的 方向应力定义巷道处于该应力主导的应力场之中，即 巷道可能处于3 种应力场之中，分别为盯，主导型应 力场，p ，，范围为[ 一3 0 。，3 0 。] u [ 2 7 0 。，3 3 0 。] ；盯．主导 型应力场，臼。范围为[ 3 0 。，1 5 0 。] ；盯二主导型应力场， 臼，，范围为[ 1 5 0 。，2 7 0 。] 。根据图2 ，选取3 种主导应 力场的6 种情况计算巷道围岩主偏应力分布，分别为 p ，，为0 。，6 0 。，1 2 0 。，1 8 0 。，2 4 0 。，3 0 0 。共6 种情况。在 3 5 3 0 ‘ 皇2 0 式1 5 1 0 O 3 5 3 0 2 5 皇2 0 毒1 5 芝 l O 5 0 。O 以／ 。 口。主导7 州应力场q 主导型应力场f 巳主导型应力场 图2 等，J 、等q 条件F 应力1 j 日，，关系 g ．2 R P J a t i n s h i p1 P l w e e ns t r e s sa n 1p 。u n d e rP 1 u a l ，j aJ 1 i 盯 ‘o n I ic i o n s 2 ．1 节中已知盯，4 ，盯f ，盯；大小顺序需要进行比较， 从而在式 6 ， 7 中选取合适的计算公式。以p ，，为 6 0 。，l8 0 。，3 0 0 。为例，联立式 3 ， 8 ，计算得到3 种 主导应力场中巷道r 5n ，处围岩主应力分布结果， 如图3 所示。 3 5 3 0 ’‘ 皇2 0 弋l5 l O 图3 巷道嘲岩主应力分布 F 瞎3I i s 训 L l I i f n f l 晌“p a Im e s si 1 1 ⋯．1 f u n d m gf 。k “⋯a 【1 w a ’ 由图3 可以看出，巷道围岩应力盯．。，盯f ，盯、。在 不同的主导型应力场巾，大小顺序不同，但均为1 ．1 节中描述的3 种情况，验证了_ J 述理论的正确性。在 盯、主导型应力场中，即p ，， 6 0 。时，盯，。≥盯． ≥仃 ；在 丁主导型应力场中，即p ，， 1 8 0 。时，盯l ≥盯f ≥仃 ； 在盯、主导型应力场中，即口，， 3 0 0 。时，盯1 8 ≥盯 ≥ 盯i 8 。根据盯。8 ，盯f ，盯；大小顺序，选择合适的公式即 町计算巷道围岩偏应力分布。 基于图2 ，可以看出在上述计算偏应力分布的6 种方案中，巷道所受的三向应力大小是固定的，分别 为2 8 ．7 ，2 0 ．o ，1 1 ．3M P a ，但加载方案不一样。为探 究主导应力对巷道偏应力场分布的影响，在上述6 种 方案中，增大1 ．5 倍的主导应力大小，即增加6 组对 比计算方案，应力大小为4 3 ．0 ，2 0 ．0 ，1 1 ．3M P a 。1 2 组计‘算方案应力大小以及主』、说力盯． ，盯，盯 大小顺 序计算结果见表l 。 表1巷道围岩偏应力计算方案 T a b l elC a l c u l a t i o ns c h e m eo fd e v i a t o rs t r e s so f s u r r o u n d i n gr o c ko fr o a d w a y 表1r hA 取值1 ．0 或1 ．5 ，计算2 种情况下巷道 万方数据 第2 期 赵洪宝等m 静水爪／J 条件下巷道刚村偏应力场分布特征与嘲岩破坏规律 3 7 5 尉岩最大主偏应力分布规律；巷道半径R 2m ，根据 矿。 。，盯 ，盯；。顺序代人式 6 ，求解得到r 5 Ⅲ处巷 2 5 2 0 15 ∞1 0 皇5 三。 型5 1 0 1 5 2 0 2 5 2 7 0 。 一d 。2 0 。一口。口．呸2 4 3 1 1 ．3 2 0 Q 2 3 0 0 。巴W ，吐2 4 3 2 0 1 13 a 口一{ i 导型应力场 道最大主偏应力5 。分布规律。计算结果如罔4 所 示。 2 5 2 0 15 ≈1 0 皇5 妄。 倒5 l O 15 2 0 8 0 。 2 1 俐4 巷道f J ；I 岩最大主偏应／J 场分布 g ．4 I m ’i l u t ‰1I l f 【1 1 a x i l l lL I l l lp r i n 。i 阳l 1 e v m ls t r e s h “t ，l ‘lt J f 川’㈨】1 1 曲1 9M ‘ko f l o 越w a j 通过图4 的求解结果，可发现巷道围岩最大主偏 应力分布存在以下规律 1 即使巷道处于等队等q 的应力环境中，但处 于不同的主导型应力场中，巷道嘲岩偏应／J 分布存在 较大差别。处于以主导型应力场的巷道围岩偏』藏 力S ，呈“8 ”字形分布；处于盯、主导型应力场的巷道 围岩偏应力s ，呈圆形分布；处于以主导型应力场的 巷道围岩偏应力s I 呈横“8 ”字形分布。 2 巷道在同种主导型应力场之中，保持主导应 力不变时，无沦A 取值l 或1 ．5 ，等『J 、等q 条件卜其 余两方向应力大小的改变射巷道同岩偏』、证力分布影 响较小。例如p 。 0 。与臼，， 3 0 0 。时，仅改变除主导应 力外的其余两个力‘向的应力对巷道围岩偏应力分布 形念改变程度较小。 3 在同种主导型应力场之中，若增加主导J 澎 力，保持其余两方向主应力大小不变的情况下，巷道 围岩单元偏应力大小会发牛变化，该种变化主要为数 值变化，围岩偏应力分布形态不发，t 明显改变，j _ A 增大时，同一深度处的围岩单元偏应力增大。例如在 盯、主导型应力场中，盯、增大1 ．5 倍，即巷道轴向』、证力 增大1 ．5 倍，巷道围岩偏应力增大，该现象说明轴向 应力大小对巷道围岩破坏有影响，仅考虑两向应力作 用会高估巷道围岩力学强度。 4 处于盯、丰导型应力场的巷道顶板偏J 、证力 大于两帮，该种情况下，巷道应注最顶底板支护；处 于c r 、主导型应力场的巷道围岩顶底板与两帮偏应 力大小差别不大，若巷道围岩岩性较差时，应注意 全断面支护；处于盯．主导型应力场的巷道两帮处的 偏臆力大于顶底板，闪此巷道两帮此时的支护不町 忽视。 综I _ ．可知，在不同的应力环境下，巷道尉岩偏应 力场的分布形式有较大区别，巷道支护因此也要具有 一定的针对性，对于已知应力环境的巷道，通过计算 其围岩偏应力场分布情况，可对巷道支护维稳起到一 定的指导作用二 2 非静水压力条件下巷道围岩应变能密度分 布规律 刈‘。于处于t 向应力非静水压力条件下的巷道，为 研究巷道围岩破坏形态，呵采用应变能密度 S E D 理 论进行分析计‘算，应变能密度作为一个相对值，可以 演示应变能的积累和耗散“ 。基于图l ，巷道围岩 单元应变能密度公式为 u 志[ 盯i 盯； 丁i 一2 ∥ 盯l 盯 厂二 r 3 盯l 盯3 ] ￡凸 f 9 式中，E 为围岩弹性模f l } 。 巷道同岩在开挖后或受到采动应力影响时，单 元内部将储存成变能，每个单元体能够储存的应变 能是有限的，当巷道日i 岩单元应变能密度达到破坏 阈值时，会产生塑性I x 【4 ～，【大I 此，研究巷道围岩应 变能密度分布规律，相定程度可反映巷道围岩破 坏形态。 基于1 ．2 节巾巷道罔岩偏J 、逆力分析i 规律可知，巷 道顶底板与两帮的应变能密度分布是研究重点，联立 式 3 ， 8 ， 9 ，计算得到巷道围岩在不同偏应力 比∞ M r ／／，， 时顶底板与两帮的应变能密度分布规 律，如图5 所示。， 万方数据 3 7 6 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 f E 二 兰 型 髓 涩 制 型 巷道顶底板 一 巷道顶底板 ＼帮 道两帮一 彳o ／／4 0 镶。姘≯蛋 f E _ 邑 型 氍 ⅡU j 吐 制 型 巷道两帮、 O a 口。l i 导型应／J 场 眈 3 0 0 。 b q 主导’} I 应／J 场 吃 6 0 。 c 口，i j 导’弘应／J 场 包2 18 0 。 图5 不同偏J 、证力比情况下3 种t 导型应力场c { | 巷道顶底板。j 两帮J 、证变能密度分布 } 、i g ．5 S I l ’a i l le e 1 ．g y { e n s i t y I i s l r i l 儿l I i t J n fr 1 1 ，n o ra 1 1 ‘l1 w s i 1 P sI fr o a 【l 、、a y 、V i t h “1 r P Pd o n l i l l a n ls t r e s sf i e l d su 1 1 ‘I e r i i f “、l c n td e v i a t rs t r e s s1 ．a “o s 通过图5n ，以看出，巷道处在不同的主导型应力 场中，应变能密度分布规律如下 1 等p 、等 7 条件下，围岩顶底板与两帮的应变 能密度大小明昆不同，在盯，与盯、主导，趔应力场中， 巷道顶底板应变能密度大于两帮，而在盯二主导型应 力场中，巷道两帮应变能密度大于顶底板。 2 以主导型应力场