中國礦業大學(北京)：王宏偉——非靜水壓力條件下巷道圍巖破碎區應力分布特徵

2020-12-17 全國能源信息平臺

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創新點

（1）建立了非靜水壓力條件下巷道圍巖應力狀態分析的力學模型，給出了非靜水壓力條件下圓形巷道圍巖破碎區及塑性區的應力與位移的解析解。

（2）研究了圍巖環向和徑向正應力隨巷道掘進的動態演化特徵，指出了圍巖沿縱向開裂破壞的主要形式，揭示了導致圍巖破碎區、塑性區和彈性區邊界應力產生不連續現象的機理。

（3）對比分析了非靜水壓力條件下巷道圍巖破碎區的應力與位移隨埋深及側壓係數的變化特徵，研究了應力趨於靜水壓力狀態時圍巖的極限平衡狀態，評價了動壓巷道圍巖穩定性。

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1

作 者

王宏偉1,2,張登強1,鄧代新1,姜耀東1,3,劉洋洋1

2

單 位

1.中國礦業大學(北京) 力學與建築工程學院；2.中國礦業大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室；3.中國礦業大學(北京) 煤炭資源與安全開採國家重點實驗室

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研究背景

當前,隨著礦井開採深度的增加,巷道圍巖由於應力集中程度極高且分布極不均勻,變形異常顯著,很大程度上增加了巷道坍塌、冒頂和衝擊地壓等動力災害發生的可能性,為深部資源的安全開採帶來了極大的困難。巷道圍巖應力狀態和破壞區分布範圍是研究巷道圍巖穩定性的重要課題,對於指導深部礦井巷道維護和利用具有重要的科學意義。

目前針對巷道圍巖穩定性研究成果中僅僅區分了圍巖的彈性和塑性區域及其範圍,並未給出圍巖塑性屈服後進一步發生的破碎區範圍;而且,現有的鬆動圈理論是基於圍巖處於軸對稱均勻圍壓狀態下得出的結論,而對非軸對稱圍壓作用下的圍巖變形特徵鮮有報導。

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摘 要

煤礦巷道圍巖的應力狀態與穩定性關係密切,尤其是巷道圍巖破碎區的分布範圍及應力分布特徵的研究,對於確定巷道支護方案,提高巷道圍巖穩定性具有重要的理論意義和工程指導價值。

以非靜水壓力條件下圓形巷道圍巖破碎區分布範圍為研究對象,建立了非靜水壓力條件下巷道圍巖應力狀態分析的力學模型,給出了非靜水壓力條件下圓形巷道圍巖破碎區及塑性區的應力與位移的解析解,對比分析了2者隨埋深及側壓係數的變化特徵。

以遼寧大興煤礦北二採區902工作面運輸巷道為工程背景,通過數值分析和理論計算,對比分析了巷道圍巖破碎區的應力與位移隨埋深及側壓係數的變化特徵,評價了圍巖穩定性。

研究結果表明:在巷道掘進後圍巖環向正應力的變化明顯比徑向正應力劇烈,圍巖破壞的主要形式是沿縱向開裂;由於不同區域的圍巖變形特徵不同,使其黏聚力及內摩擦角等物理力學參數的大小存在差異,從而導致圍巖破碎區、塑性區和彈性區邊界應力產生不連續現象;在一定埋深範圍內巷道圍巖破碎區及塑性區範圍隨埋深的增加而線性增大。當巷道埋深較小時,巷道圍巖破碎區較小,巷道處於相對穩定的狀態。

當埋深較大時,巷道左、右兩幫處較頂底板更易發生失穩破壞;塑性區及破碎區半徑的比值隨埋深及側壓係數的增大而減小,且隨著埋深的增大,側壓係數對圍巖塑性區及破碎區範圍的影響程度逐漸減小,當埋深增大到一定程度時,圍巖應力狀態趨於靜水壓力狀態;當埋深達到1500m時,圍巖達到了極限平衡狀態。

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部分圖片

巷道圍巖應力計算模型

N2-902工作面採掘工程平面圖

圍巖應力變化曲線

環向應力差隨內摩擦角及黏聚力變化曲線

數值模型

不同埋深下圍巖破碎區變化

圍巖塑性區半徑隨埋深變化曲線

圍巖破碎區半徑隨埋深變化曲線

不同埋深下塑性區與破碎區半徑對比

塑性區與破碎區半徑比值隨埋深變化曲線

塑性區與破碎區半徑比值隨側壓係數變化曲線

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作者簡介

王宏偉，男，漢族，中共黨員，1981年12月出生，山西朔州人，博士，教授，博士生導師。

研究方向

從事工程力學和採礦工程等學科的教學和科研工作，主要開展複雜地質賦存環境與衝擊地壓相關性及致災機理、智能預測和防治等方面的基礎理論和現場應用研究，研究課題與智能礦山開採緊密結合

主要成果

獲得中國巖石力學與工程學會優秀博士學位論文和中國礦業大學（北京）優秀博士學位論文；榮獲全國煤炭青年科學技術獎，霍英東教育基金會高等院校青年教師獎，全國徐芝綸力學優秀教師獎和中國煤炭工業協會先進個人-傑出青年科技工作者；入選北京市優秀人才青年骨幹個人和中國礦業大學（北京）「越崎青年學者」。主持國家自然科學基金青年科學基金1項，國家自然科學基金面上項目1項，北京市自然科學基金青年科學基金1項，北京市自然科學基金面上項目1項，北京市優秀人才資助1項，中國博士後科學基金特別資助1項，中國博士後科學基金面上資助1項；作為項目骨幹承擔國家重點研發計劃子課題2項，國家重點基礎研究發展規劃（973）項目子課題1項。同時，王宏偉負責企業橫向課題20餘項，在義馬、雞西、開灤、大同、北京等多地開展了煤礦衝擊地壓等動力災害的機理和預測防治工作。研究成果發表學術論文50篇，其中第一作者SCI檢索論文10篇，EI檢索論文30篇；出版專著3部；第一完成人授權國家發明專利7項，實用新型專利7項，軟體著作權3項；作為主要研究人員獲得教育部高等學校科學研究優秀成果獎二等獎2項，中國煤炭工業協會科學技術獎二等獎2項、三等獎1項。

來源：

王宏偉,張登強,鄧代新,等. 非靜水壓力條件下巷道圍巖破碎區應力分布特徵[J]. 煤炭學報,2020,45(11):3717-3725.

WANG Hongwei,ZHANG Dengqiang,DENG Daixin,et al. Stress distribution characteristics of roadway surrounding rock damaged zone under non-hydrostatic pressure[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(11):3717-3725.

責任編輯：常 琛

編輯整理：郭曉煒

審核：常 琛

End

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