巷道围岩最大主偏应力及塑性区分布形态演化规律研究

巷道围岩应力与塑性区形态分布具有密切联系。以最大主偏应力为指标,通过理论分析对考虑轴向应力的围岩最大主偏应力分布进行深入研究,并通过数值模拟验证了理论分析的正确性。结果表明:不同侧压系数条件下,最大主偏应力会呈现圆形、椭圆形、蝶形3种形态;侧压系数为1时,最大主偏应力为标准的圆形形态,随着侧压系数的增加,最大主偏应力逐渐由圆形向类椭圆再向蝶形、蝶形恶性扩展过渡;在相同应力环境下,巷道围岩塑性区形态与最大主偏应力形态具有一一对应关系,最大主偏应力的分布在一定程度上可以反映塑性区的形态。基于偏应力与塑性区的对应关系,对口孜东矿深埋巷道的稳定性进行分析,并提出巷道支护控制建议。

广义主偏应力强度理论

本文以主偏应力状态为依据，考虑静水应力对材料强度的影响，推导出了一个广义主偏应力强度准则，并与常用的强度理论进行了比较，得到了较为满意的结果。

深部沿空掘巷围岩偏应力演化与控制

以邢东矿深部高水充填工作面沿空掘巷为工程背景,采用FLAC3D软件模拟采高3.0~5.0m时沿空掘巷围岩最大主偏应力的演化规律及塑性区响应特征。结果表明:沿空掘巷围岩实体煤帮存在偏应力峰值带,煤柱内的偏应力峰值区位于3.0~4.0m处,且巷道左下侧和左上侧分别存在偏应力低值区;随着采高的增加,煤柱内偏应力峰值区和峰值都逐渐减小,而实体煤内偏应力峰值带有逐渐向右上侧扩展的趋势;在采高增加过程中,巷道围岩塑性区的范围逐渐增大,且其扩展增大的方向与偏应力峰值带扩展的方向一致。据此,提出高预应力强力锚杆(索)支护系统对深部充填开采工作面沿空掘巷进行控制,并结合偏应力分布特征确定合理支护参数。现场应用证明该技术有效控制了围岩变形,实现了深部充填开采条件下沿空掘巷的稳定性控制。

基于巷道围岩塑性区形态变化的变形破坏机理及支护

为了研究围岩塑性区形态发展对巷道浅部围岩支护的影响,采用理论分析、数值模拟及现场试验,研究巷道塑性区形态的变化规律,分析巷道支护失效的原因,得出采动影响下的巷道修护建议.研究表明:(1)不同形态的巷道,在相同侧压系数条件下,产生的塑性区形态趋于一致;(2)在侧压系数(λ=0.1~1.0)的范围内,巷道围岩塑性区形态随着λ的减小而逐渐呈现"蝴蝶"形状;(3)在采动影响下,巷道开挖形成的"蝶"形塑性区始终与主应力方向呈相对一致性.针对木孔煤矿+700瓦斯抽放巷在采动影响下,原有塑性区发生了扩展性旋转,导致巷道的上帮部的锚杆锚固端由弹性区转至塑性区内,锚杆出现整体拉出失效,而锚索则是受力过大致其拉断失效.设计"巷道周边加固+部分加长锚杆(索)"作为巷道修帮支护方式,在修帮支护后的6个月巷道变形较小,达到了修帮支护目的.

倾斜煤层沿空异形巷道煤柱宽度与围岩控制研究

为了探究倾斜煤层沿空掘巷留窄煤柱的合理宽度,采用传统矿压"内外应力场"理论和偏应力第二不变量表征特性对不同宽度煤柱影响下巷道围岩破碎机理与控制展开研究。通过建立沿空斜顶巷道力学模型,推导出倾斜煤层"内应力场"影响范围为12.2～12.8 m。与水平煤层不同,倾斜煤层巷道顶板围岩在一定深度开始受到其相邻采空区应力影响,引起偏应力值再次攀升,计算应力波动值结合巷道围岩位移变化情况,最终确定合理窄煤柱宽度为10 m。异形巷道断面特征导致围岩应力分布和破碎呈现不对称性,继而提出顶板预应力锚杆+高强度单体锚索+桁架锚索支护耦合作用下的非对称围岩控制技术,最后经50 m试验段作为工程检验,成功应用于工程现场。