文摘

在这项研究中,进行了详细分析探讨影响的偏应力分量和球面应力分量在巷道围岩的稳定性和数值模拟。通过理论分析和计算基于分析,分布规律指导的主要应力差异,塑料带、围岩的收敛,和第三应力不变量在不同条件下(如平等球形压力和不平等的偏应力和偏应力相等和不平等的球形压力)开发,提供了一个优化方案的条件下巷道支架误解球形应力场和偏量高应力场。研究进一步表明,在恒定的球形压力的情况下,偏应力越大,围岩塑性区范围的巷道的围岩的拉伸变形的范围,围岩的收敛,量的概率巷道的屋顶和地板,分离主应力差和主应力,最大应力差的浓度范围越大,最大主应力差是主要集中在屋顶和地板的岩石巷道,和偏应力越大,概率就越大的屋顶和地板岩石巷道将被分离,最大主应力差是主要集中在屋顶和地板的岩石巷道,偏应力越大,越大的浓度范围的最大主应力差值和主应力差;偏应力不变时,塑性区范围和最大主应力不同浓度范围的围岩巷道与球应力的增加,减少和主应力差,围岩的收敛量和拉伸变形的范围随着球的增加而增加的压力。最大主应力差主要是集中在屋顶和地板的岩石巷道。主应力差与球面应力的增加,增加和主应力差的最大浓度范围随球应力的增加而减小。方法后,提出了优化现场实际巷道支架,巷道的围岩变形很小,控制相对理想,基本上满足工程的需要。

1。介绍

地应力被视为最基本的力量导致变形和破坏各种地下挖掘项目(1,2),设计的一个重要基地的支持和保护系统的地下工程。地应力是分为两类包括自重应力和水平构造应力。因此,国内外学者投入了大量的时间和精力在研究自重应力的影响(3- - - - - -6)和水平构造应力(7- - - - - -10对巷道围岩的稳定性。

基于塑性力学,围岩的压力可以分为球面应力张量和偏应力张量,与前一个决定岩石的形状变化,后者控制体积变化(11]。大量研究已经进行了探讨球形巷道围岩应力的分布规律和塑性区。马等人研究了偏应力场和塑性区分布规律时,巷道围岩接触不均匀压力(12]。玉等人研究了偏应力的影响巷道围岩塑性区分布,导致不稳定的巷道模型的识别在不同侧压系数(13]。谢等人研究了方差法的偏应力深巷道周围岩石和提出了不对称的围岩控制技术根据不同部分(14]。他等人关注他们的研究深度的结构应力巷道围岩在高海拔包括损伤和偏应力的分布,以及相应的控制措施(15]。许等人的超高部分花了山西煤矿跟踪为研究对象,利用模拟来模拟偏应力分布在不同的巷道围岩的巷道高度,相比偏应力变化的程度之间的屋顶和地板上,双方的道路,最后提出有针对性的支持技术(16]。罗等人彻底研究了中间主应力的影响,围岩的流变特性对巷道围岩的位移和围岩的塑性区,最后发现,忽略了岩石的流变特性会高估围岩的岩性。控制巷道变形和塑性区扩展(17),张等人利用基于非屈服准则计算的弹塑性解析解,塑性区半径,围岩的位移在双向等压条件下,发现中间主应力的重要性围岩的应力分布(18]。根据基于屈服准则和非伴生流动法则,陈等人派生一个封闭解析解的压力、变形,围岩的塑性区半径的圆形巷道在静水压力下(19]。

学者进行了充分研究巷道围岩的偏应力分布和塑性区分布规律的巷道开挖后。然而,有限的研究一直在进行的影响球应力张量和偏应力张量在巷道开挖后开挖巷道稳定。因此,在这项研究中,进行了详细的分析评价偏应力分量和球面应力分量的影响在巷道围岩的稳定性通过理论分析和计算,数值模拟,两组加载测试。

2。积载图和数值模型

2.1。装载计划,分析巷道围岩主应力不同

计划包括两组加载测试提出了研究的影响偏应力分量和球面应力分量对巷道围岩的稳定性。下面提供了详细的装货计划。

以恒定的球面应力加载测试执行组件( )和各种各样的偏应力组件( ,7.2 MPa, 12 MPa, 16.8 MPa)。换句话说,在这个加载测试,不断的球形压力对不同偏应力的模型。

以恒定的偏应力加载测试执行组件( )和各种球面应力组件( ,12 MPa, 15 MPa, 18 MPa)。换句话说,在这个加载测试,恒定的偏应力对与不同的球形压力模型。

方程(3可以基于方程(获得)1)和(2上面列出的。

在哪里指球形压力,表示偏应力,加载角。

从方程(获得了应力空间图3),见图1。

深部围岩的应变增量塑性应变状态下显示纯剪切变形的最大剪应力控制生成地层塑性区和发展(20.,21]。主应力差能反映剪切应力分布和围岩的破坏22,23]。主应力的差异可以说明

基于弹性理论,在双向应力圆孔的压力无限板所示

在哪里指的是垂直MPa的压力,表明MPa的水平应力,在m圆孔的半径,然后呢代表着极角。

在平面应变状态下,主应力可以后计算

在哪里是指在MPa和最大主应力表明MPa的最小主应力。方程(6)和(7)可转化为方程(8)和(9在极坐标下。

考虑到道路的平面应变允许忽略主应力,基于方程(3)和(5),方程(10)可以获得。

在不同偏应力,-10°负载被选为被选在不同负载而-20°球形压力。基于方程(4)方程(10),周围的主应力差异得到了各种条件下的圆孔和呈现在图2。

基于图2,可以获得以下结果。(1)在恒球形压力,随着偏应力的增加,垂直方向上的主应力差往往会增加因此,浅层围岩主应力差的比周围的岩石。水平,主应力差的浅层围岩随着偏应力的增加而降低深部围岩主应力差的增加。总的来说,垂直主应力差大于水平。(2)在恒定的偏应力下,随着球形压力的增加,垂直主应力差增加,浅层围岩主应力差的比周围的岩石。水平,浅层围岩主应力差的增加随着球形压力的增加而深部围岩主应力差减少。总的来说,垂直主应力差大于水平。

2.2。数值模型和参数

进行数值模拟,分析了影响偏应力和球形压力对巷道围岩的稳定性。在仿真模型中,截面的半圆拱巷道设计,高度为3500毫米和4000毫米的宽度。被设定为计算范围 。侧面和底部的模型有限的水平和垂直位移。每一个岩石地层的岩体力学参数如表所示1。加载后应力加载到模型计划中列出的部分2。1。

3所示。一个恒定的球形压力下的测试结果

3.1。主应力的分布规律巷道围岩的不同

用FLAC^{3 d},云图如图3起草来演示下巷道围岩主应力差的常数球形压力和不同的偏应力。

从图3,可以获得以下结果。(1)当 ,最大主应力差集中在2到5米范围内的巷道围岩最大主应力较低阶层的差异观察周围的岩石。随着偏应力的增加,最大主应力差继续增加,这是符合这一趋势显示在图2(一个),这意味着一个更高的剪切阻力所需的锚定螺栓(电缆)安装在巷道顶板在高偏应力。(2)随着偏应力的增加,浓度区巷道围岩最大主应力的继续扩大,迁移到层的岩石,这表明长锚电缆需要保持锚电缆固定在屋顶为目的的支持保护。(3)的偏应力对巷道的主应力差的影响有限。

3.2。方差法巷道围岩的塑性区

塑性区分布有助于识别支持的深度。塑性区分布在不同偏应力是显示在图4。围岩的破坏深度与偏应力对应的图所示5。

基于数据4和5,可以得出以下结果。(1)随着偏应力的增加,巷道的塑性区屋顶越来越大,建议不再支持板块需要加强巷道的稳定性高偏应力,这与图一致3。(2)当 ,偏应力的增加会对巷道的破坏的影响有限。当 ,道路两边的伤害大大增加。把图3考虑,最大主应力差异集中在较低的地层巷道的屋顶。此外,更高的偏应力会导致一个更大的最大主应力不同浓度区。因此,最大主应力差的扩张区浓度急剧增加的主要原因在巷道的破坏,表明适当的支持和保护是至关重要的,防止造成的不稳定巷道破坏巷道在高偏应力。

3.3。围岩的变形规律

围岩的变形程度可以反映延性的支持系统的必要性。在不同偏应力,巷道围岩的变形,从表面到深度显示在图6。

根据图6(1)由浅到深的围岩位移减少“对数”模式,直到达到稳定。(2)当 ,3 m的负面观察位移深入、2 m巷道顶板巷道层,这表明在地板上,深岩层埋没而浅的上升。另一方面,深岩层上升而浅的屋顶上淹没。观察结果表明,更高的偏应力的概率会增加分离的巷道屋顶和地板,导致更高的屋顶坍塌的可能性和底鼓。(3)巷道表面位移的能反映巷道围岩的最大变形,浅层围岩的破坏和分离。根据图6随着偏应力的增加,巷道表面位移的线性增长模式。当增加2 MPa以上,巷道表面位移的减少,这表明当高于12 MPa,巷道顶板的深地层开始大幅上升,导致降低围岩的收敛。

3.4。第三不变量的偏应力的分布规律在周围的岩石

第三不变量的偏应力可用于确定围岩的变形类型。当 ,变形分为压缩变形。当 ,变形被认为是平面变形。当 ,变形被评为拉伸变形(8]。第三不变量的偏应力可以是一个综合指数相结合的最大主应力、最小主应力、中主应力,表明围岩的变形类型。第三不变量的偏应力可以表达的

云图如图7获得了展示第三不变量在不同偏应力。根据图7,当 ,拉应力区观察0.3到2.5米范围内巷道围岩的。随着偏应力的增加,拉应力区扩大,导致更大的拉伸应力集中区域比屋顶在道路两侧和底部。由于岩石的抗拉强度差,高强度压力会危及巷道围岩的稳定性。因此,高pretorque值应采取的支持系统巷道围岩在高偏应力领域提高负载能力在巷道周围岩石的。

4所示。一个恒定的偏应力下的测试结果

4.1。主应力的分布规律巷道围岩的不同

云图如图8起草的主应力差恒定的偏应力下的巷道围岩和各种球面应力。

根据图8(1)随着球形压力的增加,最大主应力集中范围的围岩会减少,表明在高球形应力场,布局和安装螺栓和电缆应避免的主要应力集中区域更好的支持和稳定。(2)随着球形压力的增加,主应力差增加巷道周围岩石的底部,这是与图一致2 (b),要求更高的剪切强度螺栓和电缆。(3)球面应力施加一些影响主应力差的浅层围岩巷道。然而,这种影响仅限于深周围的岩石,也显示在图2 (b),导致较低的剪切强度要求的支持和保护系统巷道。

4.2。围岩的变形规律

塑性区分布在各种球形压力显示在图9。围岩的破坏深度对应球形压力如图10。

数据显示9和10(1)随着球形压力的增加,巷道围岩的塑性区会减少由于增加周围巷道围岩压力下更高的球形压力。换句话说,更高的周围围岩的压力会导致更高的强度和较小的塑性区。(2)在各种球形压力,巷道围岩的塑性区演示了一个蝴蝶的形状。球形压力只有影响范围的塑性区,而不是形状。比较图5显示,偏应力倾向于施加更大影响巷道的围岩。(3)巷道围岩的破坏深度演示了一个高灵敏度的球面应力而破坏巷道两边不太敏感。

4.3。围岩的变形规律

巷道围岩的变形在各种球形压力显示在图11。

根据图11(1)一个阈值深度一直在观察评级的影响球形巷道围岩压力。当球形压力高于阈值深度、变形与低分散度是有限与围岩变形有关。当球形压力低于阈值深度、变形严重的高分散度与围岩变形有关。(2)在低球压力,深和浅的收敛巷道围岩的正面和负面的,分别。随着球形压力的增加,从深到浅围岩收敛变得积极,表明球形压力的增加可以降低层分离的可能性。(3)随着球形压力的增加,巷道围岩表面的收敛值是一个线性增长。

4.4。第三不变量的偏应力的分布规律在周围的岩石

云12所示是展示第三不变量的分布的偏应力巷道围岩在各种球形压力。

根据图12,当 ,巷道围岩的压力作为一个整体。当 ,拉应力区被发现在巷道岩石浅。随着球形压力的增加,多个拉应力区观察道路两侧及周围岩石的屋顶。换句话说,随着球形压力的增加,巷道围岩中的拉应力区扩大,减少围岩的承载能力。因此,在高球形压力环境中,高pretorque值应采用巷道围岩的支持系统,提高巷道的围岩的承载能力。

5。巷道围岩的稳定性分析

5.1。偏应力的分析影响巷道围岩的不稳定

将方程(2)考虑,巷道围岩的实际偏应力取决于三个主应力的比值,而不是三个主要强调个人价值,这被称为侧压力系数。换句话说,巷道围岩的偏应力在一个深埋巷道围岩在高地应力并不必然导致高偏应力。巷道围岩的偏应力在一个浅巷道在高地应力并不必然导致低偏应力。根据分析部分3,偏应力倾向于发挥重要作用在影响巷道围岩的稳定性。领域,许多浅道路在低应力倾向于经验屋顶倒塌,地面鼓,如巷道位于申东的煤矿区。因此,根据分析部分3随着现场调查,一些常见的误解已确定的支持和保护体系浅低应力下的围岩。

首先,数据显示4和5,偏应力倾向于产生重大影响的巷道围岩破坏的范围和深度。然而,对于浅巷道高偏应力下,压力的影响巷道围岩的稳定性往往忽视了在支持和保护系统的设计,假设由于浅巷道的位置,不需要额外的支持系统,导致设计的支持和保护系统如图13。

结果,支持和保护系统缺乏坚实的锚点,伴随着锚螺栓和运动后的电缆周围的岩石。

根据图6和分析部分3.3随着偏应力的增加,巷道围岩的收敛相应增加,巷道顶板以及潜在的分离。没有一个强有力的支持系统,如低伸长锚螺栓和电缆,低密度的支持,和低强度的金属网的保护,保护系统可以彻底失败的风险,导致严重的变形在道路两侧包括屋顶和地板鼓崩溃。

根据图7随着偏应力的增加,拉伸巷道围岩变形的继续扩大。由于岩石的抗拉强度差,拉伸变形的扩张导致的增加的塑性区和减少巷道稳定,也反映在图上4。低刚性的支持和保护系统,如低pretorque价值和糟糕的时机的支持和保护系统的安装,一个大型拉伸变形区可能发生在周围的岩石,导致塑性区和严重变形的连续扩张周围的岩石在高偏应力环境。

5.2。球形的分析影响巷道围岩压力的不稳定

根据方程(1),球面应力值主要取决于三个主要压力。人们普遍知道深度会导致更高的球形压力更大。基于部分4,球形压力施加重大影响巷道围岩的破坏范围,承载力,围岩的变形。因此,根据分析部分4和图14随着现场调查,一些常见的误解已确定的支持和保护体系浅低应力下的围岩包括增加的支持深度锚螺栓和电缆炫目,缺乏特异性的设计支持系统。

在田里,工程师和设计师们误导认为更深层次的道路往往会经历更严重的损伤,导致盲目地增加支持的深度。基于分析部分3和4巷道围岩的破坏范围增加,随着偏应力的增加和减少的球形压力。因此,关于道路的环境特色高球形压力和偏应力低,围岩的破坏应该是有限的,消除了需要增加支持的深度。然而,球形压力的增加往往会导致巷道围岩变形的增加,主应力差异,和拉应力区,要求支持系统具有高强度、剪切强度和收缩性。因此,对于深巷道的环境特色高球形压力和偏应力低、支持系统应该改进通过增加强度、剪切强度和收缩而不是支持的深度。

由于不足的理论指导,理解的巷道围岩稳定性的关键因素是有限的。例如,显示在图9,围岩的破坏集中在巷道肩膀而不是道路两侧和底部角落。因此,巷道的肩膀和底部角落应该主要保护目标。

6。工程验证

6.1。项目概述和维护措施

矿井位于内蒙古被选为目的的工程验证。矿业主要集中在3号煤层平均厚度5米,分为水平煤层平均深度275米。目前,310工作面距停止开采约300行。311号工作面与削减通过开放了。311号的运输巷道工作面距。230 310采空区。因此,311号交通道路不受采矿过程的影响。由于3号煤层的深度,有限的地面部队,和相对简单的地质结构,支持只添加到运输巷道屋顶和两侧,见图15。支持系统包括钢锚杆 ,安排在一个三角形布局的行距离 。道路两侧与钢锚棒保护 ,安排在一个花布局行距离 。

安装后的支持系统显示在图15,严重损害被发现在311号运输巷道的屋顶和道路两侧,与一些锚杆失败,比如迁移与周围的岩石,眼泪在金属网,等等。几个深损失集中在屋顶上加上200毫米在底部的最大变形,冒着屋顶倒塌。

考虑到有限的地面部队在311号运输巷道的位置并没有影响的挖掘过程中,311号运输巷道破坏主要是由高偏应力引起的。在分析部分3巷道围岩的变形在高偏应力场具有规模大的伤害,大型巷道表面位移、潜在的地层位移的屋顶,和大的拉应力区,符合311号运输巷道的变形。此外,一些不当的设计被确定在311号运输巷道的支持计划。因此,研究结果的基础上,进行了一些调整,原设计方案如图16。

锚可以链接锚结构的负载棒深部围岩,导致一个相互关联和重叠网络结构有效应力区,导致减少拉应力区周围的岩石和增加承重结构的稳定性(24]。这个概念后,支持311号运输巷道的设计修改如下。为了减少顶板围岩的分离,减少拉伸区,两个额外的高强度、高伸长率预应力钢线(尺寸 )添加与预加载than120 kN。两条线之间的距离是在设计的 。与此同时,为了控制巷道变形和拉伸变形和提高锚棒的支持效率,增加了两个额外的高强度预应力钢束的行距离 。除此之外,一个斜锚杆安装在道路两侧,15°与水平方向上的目的是提高巷道底部角落的稳定性。

6.2。修改后的支持系统的分析

多个监控和检测点建立巷道表面位移的跟踪。收集到的数据显示,在修改后的支持系统,围岩的变形速率最初维持在8 ~ 20毫米/ d与更高的应变率确定巷道和屋顶。总共4变化观察道路两侧和屋顶。变形速率表现出下降的趋势。在37天,变形达到稳定,表示一个有效的支持和保护运输巷道。

7所示。结论

主应力差分布的圆形巷道围岩在不同球应力和偏应力通过理论分析、数值模拟的计算结果是一致的。(1)恒定的球形压力下,塑性区,屋顶层分离的概率,围岩的收敛性,拉伸区随着偏应力的增加。围岩的主应力差和最大主应力集中区域的差异往往会随着偏应力的增加而增大(2)在恒定的偏应力下,球形压力增大,塑性区降低围岩的收敛性和拉伸区增加。此外,更高的球形压力增大围岩主应力差的。同时,最大主应力差的浓度区往往降低球形压力增大(3)一些常见的误解对巷道支架在高球形应力场和偏应力现场提出,这是进一步进行验证。现场试验表明,修改后的支持系统后,研究结果能达到有效的保护和支持

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究由中央政府引导地方财政支持科技发展基金项目(216 z5401g),贵州高层次创新人才培养计划资助项目([2019]5675号),和科学研究项目河北省高等教育机构(Z2020124)。