矩形巷道周边应力集中系数的计算与巷道支护

介绍了边界元法和边界元应力法的基本原理,并分别采用边界元应力法和已推导的复变函数公式对矩形巷道进行计算,得到周边关键点的应力集中系数,并将两种计算结果进行对比,得出相同的应力分布规律;在原理上提出矩形巷道采用桁架锚杆支护系统进行支护。     

矩形巷道应力集中系数的弹性分析

若能了解矩形巷道孔边的应力集中系数表达式,则对矿山水平矩形巷道的设计和支护都有很大的帮助。首先通过量纲分析,将与矩形巷道有关的参数无量纲化,然后借助复变函数这一方法,推导了应力集中系数K_t与比例系数k、s之间的函数关系以及Kt与比例系数n之间的函数关系,并且均与数值模拟结果进行了对比分析,得到了较为满意的结果。     

基于复变函数不同形状的巷道围岩应力分析

深埋巷道开挖后围岩应力重新分布,影响巷道稳定。因此分析巷道围岩二次应力分布状态对于评估围岩稳定性或设计支护参数具有重要意义。目前岩石力学相关理论中讨论了圆形巷道、椭圆形巷道和矩形巷道二次应力弹性分布特征,缺乏对六边形巷道的分析。本文从弹性力学的孔口问题为切入点,基于复变函数理论,通过保角变换将矩形、六边形巷道转化为单位圆,结合弹性力学理论建立了矩形、六边形巷道围岩分析的力学模型,并分析得到巷道围岩应力分布的解析解。将解析结果与数模拟分析结果对比可知,相同结构巷道围岩二次应力分布一致且大小基本相同,就应力集中情况而言,六边形巷道优于矩形巷道。     

矩形巷道围岩应力分布的复变函数解

为确保煤矿深部开采中矩形巷道的安全,需了解巷道附近围岩的应力分布及其影响因素。采用复变函数的方法,研究双向压力作用下的矩形巷道,得到了围岩中应力的解析解。给出了沿巷道边和水平轴的应力分布,并讨论了矩形巷道的长宽比和面积对应力的影响。结果表明:在矩形巷道的角点处,有应力集中的现象,应力分量都达到了最大值;随矩形巷道长宽比增加,应力最大值增加;长宽比相同时,改变矩形巷道孔口的面积,应力分布不会改变。     

矩形巷道围岩应力分布规律与粘弹性变形分析研究

针对目前对于矩形巷道围岩稳定性分析方法的匮乏与不足,采用已有的弹塑性理论以及与实际情况相符的本构模型,利用复变函数将矩形巷道平面问题转换成单位圆平面问题,更好的解决了对矩形巷道围岩应力分布规律的分析与求解,选用Poyting-Thomson(鲍尔丁-汤姆逊)模型以及广义达尔文模型对矩形巷道粘弹性变形进行了对比分析及求解。并结合工程实际情况,对矩形巷道平面问题转换成单位圆平面问题进行了进一步分析及求解。本文为研究矩形巷道围岩稳定性破坏机理及预防提供了一定程度的理论参考。     

基于复变函数的斜顶巷道围岩应力分布解析解

为获得斜顶巷道围岩应力分布规律,以共形映射函数为基础,运用复变函数法求解了斜顶巷道围岩应力分布解析解。以潘三煤矿17102(3)工作面运输巷为工程背景,分析了斜顶巷道围岩主应力和主应力集中系数分布特征。结果表明:斜顶巷道围岩最大主应力、最小主应力、最大剪应力及其应力集中系数的最大值均出现在巷角处,主应力分量最大值均超过35MPa,主应力集中系数最大值分别超过4.5、2.5和8,巷角是斜顶巷道的薄弱部位;两帮最大剪应力和最大剪应力集中系数整体大于顶底板,表明顶底板较两帮稳定。研究结果可为斜顶巷道支护设计提供理论参考。     

基于复变函数法的深部矩形巷道围岩的黏弹性研究

为了研究深部矩形巷道的围岩稳定性,采用复变函数的保角映射函数,将ξ平面上的矩形小孔,映射为z平面上的单位圆。通过弹性力学的方法,将矩形单孔问题简化为在无限域内孔周边的应力问题,并结合鲍尔丁-汤姆逊黏弹性模型,得出深部矩形巷道围岩的应力分布。研究表明:矩形巷道的围岩应力状态变化与矩形的宽高比和测压系数有直接的关系;并运用数学软件mathmatic,将表达式图形化,直观的看出工作面周边应力分布情况。     

深埋矩形巷道围岩压力拱变化规律研究

为探究深埋矩形巷道围岩压力拱变化规律,基于复变函数理论的保角变换方法,将平面z上深埋矩形巷道轮廓转换为ζ平面上的单位圆,然后通过Matlab软件求解2个解析函数Φ(ζ)和Ψ(ζ),求出了围岩压力计算公式。建立矩形巷道的数值模型,通过将巷道围岩应力数值模拟结果与理论计算结果进行对比,验证了理论计算公式的准确性。在此基础上,根据围岩压力拱的定义,求出矩形巷道压力拱范围,同时研究了侧压力系数、矩形巷道高宽比以及边界力对围岩压力拱的影响。结果表明:当侧压力系数λ由小到大取值0.15,0.30,0.5,1时,其围岩压力拱厚度由小变大;当巷道高宽比a/b由大到小取值6/4,6/6,6/8时,其围岩压力拱厚度由小变大;当竖向应力分别取67.5,135.0072,270.0144kPa时,若围岩未进入塑性,则边界力的取值对巷道压力拱无影响。     

厚煤层矩形巷道应力分布及支护对策研究

随着煤炭开采向深部发展,围岩地应力也越来越大,巷道断面积、形状的选择对于降低围岩集中应力和巷道变形尤其重要.首先采用复变函数方法构建矩形巷道的复应力函数,得出矩形巷道的围岩应力计算公式,从理论上分析了矩形巷道围岩应力的主要影响因素;然后以某一具体矿井的生产地质条件为背景,应用FLAC5.0数值模拟软件模拟分析不同巷道尺寸时的围岩应力分布情况,提出了巷道开挖后的支护对策.     

矩形巷道围岩应力分布规律模拟试验研究

矩形巷道围岩应力分布规律较为复杂,且与地应力、地质构造、围岩岩性等因素有关。在理论分析的基础上,采用相似模拟试验的研究方法,通过对不同围岩强度等级的矩形巷道围岩应力分布规律开展研究,进一步揭示矩形巷道开挖后围岩的次生应力场分布规律。研究结果表明:矩形巷道开挖后帮部重分布的次生应力场会形成较高的集中应力,应力集中系数平均达到3.0;矩形巷道围岩的应力转移及分布是一个复杂的动态变化过程,其变化与围岩的强度有很大关系。     

深部巷道锚杆支护参数优化设计

针对深部巷道复杂的应力环境和多变的围岩性质 ,对深部巷道围岩的稳定特征进行了数值模拟分析 ,为深部巷道锚杆支护提供了理论依据 ,并对锚杆支护参数进行了优化设计 ,确保了深部巷道支护的最优化和长期稳定     

深部巷道等强支护控制理论

本文调查了大量的煤矿巷道现场破坏案例,提炼了6类15种典型破坏模式,分析了圆形与矩形巷道的围岩受力特征及应力分布规律。基于巷道围岩梯度破坏机理及矩形巷道等强梁支护模型,提出了深部巷道等强支护控制理论力学概念模型,即根据巷道围岩受力特征,采用开槽卸压、注浆加固、锚杆(索)主动支护、钢管混凝土被动支护等综合手段,有效调整巷道围岩的应力状态,以期实现不同位置围岩能够达到安全且与地应力比相匹配的等效应力状态,获得应力分布趋于均匀、塑性区范围相似的理想状态。给出了不同埋深、不同断面形状巷道所需的等强支护强度计算公式,数值模拟了圆形与矩形巷道在等强支护前、后围岩应力变化,验证了等强支护后围岩应力场能明显改善。等强支护控制模型一定程度上为深部巷道围岩控制提供了理论和实践指导。     

深部高应力软岩巷道断面形状优化设计数值模拟研究

选取矩形、梯形、直墙拱形、马蹄形、椭圆形和圆形等共6种不同断面形状的巷道进行优化研究,基于FLAC3D模拟研究了这6种典型巷道开挖后的巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布规律,分析了不同侧压力系数对它们的影响。数值模拟结果表明,巷道断面形状对高应力巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布影响较大;根据侧压力系数的大小及主应力方向,圆形、椭圆形为深部高应力巷道最优断面形状,选择圆形、椭圆形巷道可改善巷道围岩应力状态,降低围岩变形量,减少围岩塑性区损伤破坏范围,有利于深部高应力软岩巷道的长期稳定。     

回坡底煤矿工作面运输巷复合型底鼓机理研究

以回坡底煤矿11-1021工作面运输巷为研究对象。利用半平面无限体理论对11-1021巷上方10号煤层孤岛煤柱对底板岩层的应力集中进行了研究。根据11-1021巷底板岩层的实际情况，发现11-1021巷的底鼓类型为挠曲褶皱性+挤压流动性的复合性底鼓，其底鼓机理较为复杂，对11-1021巷的复合型底鼓进行了具体分析。研究结果表明:孤岛煤柱造成的应力集中使得11-1021巷的水平应力达到19.6 MPa，较大的水平应力作用是巷道发生底鼓现象的原因之一。对于11-1021巷直接底的0.8 m铝质泥岩底板，根据压杆稳定理论得到失稳的临界应力为17 MPa，因此直接底会发生失稳鼓起。而对于11-1021巷厚度较大的基本底，利用滑移线理论计算得两帮处的支承压力峰值超过了底板岩层的极限承载力，会产生挤压流动性底鼓。同时，靠近孤岛煤柱一侧的支承压力峰值更大，在底板会形成较大区域的滑移线场，从而使巷道底鼓出现非对称性，并在远离孤岛煤柱一侧的底鼓量更大。     

用交替法分析卸压巷硐的卸压效果

利用交替法原理及解析数学中的复变函数法,计算在卸压巷硐的作用下,巷道周边的环向应力与径向应力的解析表达式。并针对某实例,通过mathematica数值软件,描绘出了卸压前后,巷道周边环向应力与径向应力的卸压效果:径向压力在巷道边缘0.8 m内卸压效果不明显,但是对深部围岩的卸压效果很好。巷道周边的环向应力的卸压量很大,对高环向应力有很好的卸压作用。因此对于周边环向应力较大的巷道,选择开卸压巷硐卸压的方式能取得较好的效果。     

骑跨采动压巷道围岩稳定性数值模拟研究

当煤层工作面推进方向与底板岩石大巷走向一致时,大巷围岩将长期受上部煤层回采时的采动影响.相对于其它跨采巷道,骑跨采巷道围岩的应力与变形相对较复杂.借助弹塑性理论,运用岩土数值模拟软件FLAC3D,分析骑跨采巷道围岩的应力、变形、塑性区分布的一般特征.可为骑跨采动压巷道的修复及加固设计提供理论依据.     

基于ABAQUS数值模拟的采区巷道断面形状优化研究

 选取矩形、梯形、直墙半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形、直墙半圆加反拱形6种常用采区巷道断面形状进行数值模拟分析,研究不同巷道断面形状开挖后位移分布,分析表明直墙半圆拱形巷道变形量最小,且加设反拱后对于减少底臌量效果明显。选取矩形和直墙半圆拱形断面作为代表断面,分析不同埋深H及侧压力系数λ对采区巷道变形特征、围岩应力影响。在此类围岩条件下,当采区巷道埋深小于400 m、侧压力系数小于1.6时,矩形巷道和直墙半圆拱形巷道围岩变形量差距较小,此时可以选择矩形巷道断面以满足经济性要求。