创新点
（1）建立了非静水压力条件下巷道围岩应力状态分析的力学模型，给出了非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区及塑性区的应力与位移的解析解。
（2）研究了围岩环向和径向正应力随巷道掘进的动态演化特征，指出了围岩沿纵向开裂破坏的主要形式，揭示了导致围岩破碎区、塑性区和弹性区边界应力产生不连续现象的机理。
（3）对比分析了非静水压力条件下巷道围岩破碎区的应力与位移随埋深及侧压系数的变化特征，研究了应力趋于静水压力状态时围岩的极限平衡状态，评价了动压巷道围岩稳定性。
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作者
王宏伟1,2,张登强1,邓代新1,姜耀东1,3,刘洋洋1
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单位
1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院；2.中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室；3.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室
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研究背景
当前,随着矿井开采深度的增加,巷道围岩由于应力集中程度极高且分布极不均匀,变形异常显著,很大程度上增加了巷道坍塌、冒顶和冲击地压等动力灾害发生的可能性,为深部资源的安全开采带来了极大的困难。巷道围岩应力状态和破坏区分布范围是研究巷道围岩稳定性的重要课题,对于指导深部矿井巷道维护和利用具有重要的科学意义。
目前针对巷道围岩稳定性研究成果中仅仅区分了围岩的弹性和塑性区域及其范围,并未给出围岩塑性屈服后进一步发生的破碎区范围;而且,现有的松动圈理论是基于围岩处于轴对称均匀围压状态下得出的结论,而对非轴对称围压作用下的围岩变形特征鲜有报道。
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摘要
煤矿巷道围岩的应力状态与稳定性关系密切,尤其是巷道围岩破碎区的分布范围及应力分布特征的研究,对于确定巷道支护方案,提高巷道围岩稳定性具有重要的理论意义和工程指导价值。
以非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区分布范围为研究对象,建立了非静水压力条件下巷道围岩应力状态分析的力学模型,给出了非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区及塑性区的应力与位移的解析解,对比分析了2者随埋深及侧压系数的变化特征。
以辽宁大兴煤矿北二采区工作面运输巷道为工程背景,通过数值分析和理论计算,对比分析了巷道围岩破碎区的应力与位移随埋深及侧压系数的变化特征,评价了围岩稳定性。
研究结果表明:在巷道掘进后围岩环向正应力的变化明显比径向正应力剧烈,围岩破坏的主要形式是沿纵向开裂;由于不同区域的围岩变形特征不同,使其黏聚力及内摩擦角等物理力学参数的大小存在差异,从而导致围岩破碎区、塑性区和弹性区边界应力产生不连续现象;在一定埋深范围内巷道围岩破碎区及塑性区范围随埋深的增加而线性增大。当巷道埋深较小时,巷道围岩破碎区较小,巷道处于相对稳定的状态。
当埋深较大时,巷道左、右两帮处较顶底板更易发生失稳破坏;塑性区及破碎区半径的比值随埋深及侧压系数的增大而减小,且随着埋深的增大,侧压系数对围岩塑性区及破碎区范围的影响程度逐渐减小,当埋深增大到一定程度时,围岩应力状态趋于静水压力状态;当埋深达到m时,围岩达到了极限平衡状态。
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部分图片
巷道围岩应力计算模型
N2-工作面采掘工程平面图
围岩应力变化曲线
环向应力差随内摩擦角及黏聚力变化曲线
数值模型
不同埋深下围岩破碎区变化
围岩塑性区半径随埋深变化曲线
围岩破碎区半径随埋深变化曲线
不同埋深下塑性区与破碎区半径对比
塑性区与破碎区半径比值随埋深变化曲线
塑性区与破碎区半径比值随侧压系数变化曲线
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作者简介
王宏伟，男，汉族，中共党员，年12月出生，山西朔州人，博士，教授，博士生导师。
研究方向
从事工程力学和采矿工程等学科的教学和科研工作，主要开展复杂地质赋存环境与冲击地压相关性及致灾机理、智能预测和防治等方面的基础理论和现场应用研究，研究课题与智能矿山开采紧密结合
主要成果
获得中国岩石力学与工程学会优秀博士学位论文和中国矿业大学（北京）优秀博士学位论文；荣获全国煤炭青年科学技术奖，霍英东教育基金会高等院校青年教师奖，全国徐芝纶力学优秀教师奖和中国煤炭工业协会先进个人-杰出青年科技工作者；入选北京市优秀人才青年骨干个人和中国矿业大学（北京）“越崎青年学者”。主持国家自然科学基金青年科学基金1项，国家自然科学基金面上项目1项，北京市自然科学基金青年科学基金1项，北京市自然科学基金面上项目1项，北京市优秀人才资助1项，中国博士后科学基金特别资助1项，中国博士后科学基金面上资助1项；作为项目骨干承担国家重点研发计划子课题2项，国家重点基础研究发展规划（）项目子课题1项。同时，王宏伟负责企业横向课题20余项，在义马、鸡西、开滦、大同、北京等多地开展了煤矿冲击地压等动力灾害的机理和预测防治工作。研究成果发表学术论文50篇，其中第一作者SCI检索论文10篇，EI检索论文30篇；出版专著3部；第一完成人授权国家发明专利7项，实用新型专利7项，软件著作权3项；作为主要研究人员获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖二等奖2项，中国煤炭工业协会科学技术奖二等奖2项、三等奖1项。
来源：
王宏伟,张登强,邓代新,等.非静水压力条件下巷道围岩破碎区应力分布特征[J].煤炭学报,,45(11):-.
WANGHongwei,ZHANGDengqiang,DENGDaixin,etal.Stressdistributioncharacteristicsofroadwaysurroundingrockdamagedzoneundernon-hydrostaticpressure[J].JournalofChinaCoalSociety,,45(11):-.
责任编辑：常琛
编辑整理：郭晓炜
审核：常琛
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