巷道围岩蝶形塑性区蝶叶方向性形成机制及工程应用

摘要

针对经典巷道矿压理论在进行深部巷道矿压分析时适用性不强的问题,以非等压条件下圆孔周围塑性区边界方程及蝶形破坏理论为基础,理论推导出非静水压力场条件下圆形巷道围岩主应力方向偏转角度与塑性区边界上一点的极坐标角度的余弦四次隐性方程.基于此隐性方程,采用理论分析、数值模拟和现场试验等综合研究方法,研究了巷道蝶形塑性区分布特征随围岩主应力方向偏转的演化规律,揭示了巷道蝶形塑性区蝶叶方向性的形成机制,并对不同巷道断面形状(圆形、矩形、拱形)、围岩力学参数(软岩、中硬岩、硬岩)以及层状顶板结构(下软上硬型、下硬上软型、软弱夹层型、坚硬夹层型)条件下围岩蝶形塑性区蝶叶方向性的适用性进行了分析;在此基础之上,探讨了蝶叶方向性与围岩变形破坏特征的关系,并对赵固二矿回采工作面运输巷围岩非对称变形破坏机理进行了研究.研究结果表明:蝶形塑性区蝶叶会随主应力方向的偏转而发生偏转,且两者的偏转角度基本相等;同时,巷道断面形状、围岩力学参数以及层状岩层顶板结构均对蝶叶方向性无显著影响,蝶叶方向性具有普适性;受蝶叶方向性的影响,巷道蝶形塑性区的分布特征与围岩变形破坏形态具有一致性,导致蝶形塑性区蝶叶位置的围岩变形破坏相对其他位置严重,造成巷道呈现非均匀变形破坏特征,工作面运输巷围岩现场探测破坏形态与数值模拟塑性区形态基本吻合.