基于DP准则的巷道围岩塑性区影响因素分析_经来旺.pdf

第 卷第期 年月中国矿业 ，收稿日期：责任编辑：刘硕基金项目：国家自然科学基金项目资助（编号：）；安徽省高等学校自然科学研究重点项目资助（编号：）；安徽省博士后研究人员科研活动经费资助项目资助（编号：）第一作者简介：经来旺（），男，江苏南京人，博士，教授，主要从事地下工程结构研究，：。引用格式：经来旺，张世翔，肖起辉，等 基于 准则的巷道围岩塑性区影响因素分析 中国矿业，（）：，（）：矿业纵横文章编号：（）：基于 准则的巷道围岩塑性区影响因素分析经来旺，张世翔，肖起辉，方旭，经纬（安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 ）摘要：围岩塑性区的扩展是巷道事故频发的根本原因，确定塑性区影响因素及其发展规律对煤矿的安全生产至关重要。基于 准则推导出非均匀场下的围岩塑性区边界方程，对非圆形截面巷道进行当量半径折算，分析不同侧压系数下塑性区形态，采用单因素法分析不同 准则的塑性区影响因素。研究结果表明：当侧压系数在 范围时，塑性区呈椭圆形分布；当侧压系数小于 或大于 时，塑性区呈蝶形分布。巷道地压和围岩岩性显著影响了塑性区的形态及范围，根据工程实际合理选取巷道位置，能够有效降低巷道支护的难度及成本。中间主应力对巷道围岩塑性区范围的影响有着强烈的区间性。巷道支护可以通过注浆来改善岩体的黏聚力、内摩擦角，进而减小塑性区范围，但这一作用效果有限。塑性区半径随着支护阻力的增大而线性减小。根据不同 准则计算出的塑性区半径有所差异，合理运用 屈服准则既能够保证煤炭生产的安全性，又能够降低工程造价。关键词：准则；当量半径；塑性区；侧压系数中图分类号：文献标识码：，（，）：，第期经来旺，等：基于 准则的巷道围岩塑性区影响因素分析 ，：；随着煤炭资源的不断消耗，煤炭开挖逐渐转向深部。煤炭深部的高地应力加剧了巷道围岩的变形，进而加剧了围岩塑性区的形成。大量研究及现场实测表明围岩塑性区的发展使得锚杆索锚固力失效，导致巷道事故的发生。因此，确定围岩塑性区的范围，对煤矿生产安全有重要意义。国内外学者对围岩塑性区范围进行了大量研究。芬纳（）和卡斯特奈（）推导了均匀应力场下的围岩塑性区半径公式；李桂臣等引入了“等效开挖”概念，分析了不同巷道截面形状对围岩塑性区范围的影响；等研究了不同 准则下围岩塑性区半径，并基于研究结果对巷道支护设计进行优化；张小波等利用单因素法分析不同屈服准则下塑性区半径变化规律，并基于 软件验证模拟结果与理论分析结果；彭瑞等基于 准则推导出了非均匀场下围岩塑性区边界方程，并考虑了（巷道截面形状）侧压力系数及原岩扰动程度对塑性区半径的影响；董海龙等分析了两向不等压下应力构造法和近似隐式法的优缺点，以两法为基础结合相似原理得出了较为准确的解析解；赵志强等推导出了基于准则的围岩塑性区边界方程，并首次提出了蝶形塑性区概念，根据塑性区变形规律设计了可接长锚杆普通锚杆协同支护方案；王卫军等基于准则推导出了圆形巷道围岩塑性区边界方程，分析了形成蝶形塑性区的影响因素；等研究了在高偏地应力条件下，不同屈服强度准则对围岩塑性区形态的影响，得出了蝶形塑性区对强度准则的敏感性较低，对应力变化高度敏感；郭晓菲等 分析了蝶形破坏理论与理论计算的误差，研究了理论在不同巷道截面及围岩岩性条件下的适用性。结合前人的研究成果，基于 屈服准则，对非圆形巷道进行等面积圆的当量替换，分析非等压下巷道围岩塑性区范围的解析解。利用 有限元软件将不同侧压系数下理论分析结果与模拟结果进行对比，并分析不同 准则的塑性区影响因素。基于巷道围岩塑性区范围，巷道顶底板、两帮位移量及蠕变量对支护方案进行优化，以期为设计经济有效的支护方案提供理论计算依据。准则 年 和 在平面应变状态下基于关联流动法则推导出了广义 准则，即 准则。准则在面上光滑、无棱角，有利于进行有限元模拟，且考虑了中主应力对材料破坏的影响，其函数形式见式（）。（，）（）式中：为应力张量第一不变量，计算见式（）；为偏应力张量第二不变量，计算见式（）；、均为 准则系数。（）（）（）（）（）平面应变状态下，、函数形式见式（）和式（）。（）（）准则考虑了中间主应力系数对岩石破坏的影响，其表达式见式（）（）将式（）、式（）和式（）带入式（）可得式（）。（）（）（）整理式（）可得式（）。（）式中：（）；（）（）；（）。在非均匀场中的平面应变情况下，主应力与各应力分量之间的关系见式（）。（）（）（）（）（）将式（）带入式（）可得式（）。（）（）（）（）（）为了使巷道围岩满足 准则，进行如下假设：将巷道围岩视为连续、均匀、各向同性的弹塑性材料；巷道截面为圆形，进深无限大；巷道上部原岩应力视为均布力，水平应力；巷道支护阻力在巷道开挖后立即生效，即不考虑时空效应。中 国 矿 业第 卷综上假设，巷道支护问题可简化为平面应变问题，力学模型如图所示。图简化的力学模型