巷道围岩层裂板结构稳定性分析.pdf

《巷道围岩层裂板结构稳定性分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、2011年2月矿业安全与环保第38卷第1期巷道围岩层裂板结构稳定性分析李明，茅献彪一，王鹏一，孙凤娟一，李凯一，倪海敏一，张春’(中国矿业大学a．深部岩-+-；3学与地下工程国家重点实验室；b．力学与建筑工程学院，江苏徐9’J'l221116)摘要：巷道围岩层裂板结构的屈曲失稳是巷道冲击矿压的一种重要形式。根据层裂板结构形成机理，系统分析了巷道围岩变形及破坏特征，建立了巷道围岩层裂板结构稳定性分析的力学模型，通过裂纹扩展理论、数值模拟和实验模拟的结论展示了巷道围岩层裂板结构的存在性；围绕围岩层裂板结构屈曲失稳特征，应用弹性稳定性理论、弹性体系的动力稳定性理

2、论，研究了层裂板结构的静力稳定性以及动力稳定性；给出了供实际工程情况参考的层裂板结构失稳的临界载荷及其动力不稳定区域。一定程度上揭示了煤矿巷道冲击矿压发生的力学机理。关键词：)中击矿压；巷道围岩；层裂板结构；稳定性中图分类号：TD324文献标志码：A文章编号：1008—4495(2011)O1—0010—03煤矿冲击矿压是典型围岩体失稳动力灾害现象剧，巷帮围岩的侧向刚度的下降极易造成层裂结构之一¨，其对煤矿的安全生产有很大的危害。由的侧向屈曲失稳，从而诱发巷道冲击矿压的发生。冲击矿压发生事故资料分析发现，冲击矿压发生于1层裂板结构的静力稳定性高压应力集中区

3、域，并且是由于与巷道自由表面平行的裂纹扩展造成的。大量研究表明裂纹的扩对于层裂板在静载荷作用下的研究，主要是研展方向受最大压应力方向控制，事实上这些裂纹是究层裂板失稳时的临界载荷值，其力学模型如图1由于巷道开挖以及煤(岩)体内原有缺陷生成的次生所示，边界条件取两种极限情况考虑。国内外的许裂纹，且自由表面对裂纹扩展的影响是非常重要的。多著作中对于临界值的求解有很多方法，现主要采在巷道开挖以及煤矿开采过程中，巷道围岩应用能量法加进行求解。力由于开挖而重新分布，巷道附近压应力集中，在巷帮自由壁面附近的围岩内部将形成与壁面平行的贯穿型裂纹，使巷道附近岩体开裂，形成

4、板状劈裂，并最终在巷帮自由表面附近出现与围岩剥离的岩层，在近巷道壁围岩中形成岩板结构，这些板状结构就称为层裂板结构J。巷道围岩在外部载荷作用下形成层裂板结构以后，如果层裂板结构继续承受外部载荷的作用，那么层裂板结构就会发生屈曲，继而巷道Y围岩发生失稳，冲击矿压现象随之发生。在层裂板结图1层裂板受静载作用下的力学模型构形成后，围岩稳定性可由板的稳定性来分析。卢爱红、秦吴分别通过数值模拟与实验研计算中=后。，其中后。是常数，对于深部巷究证明了巷道围岩层裂板结构的存在及形成过程。道，近似有k=1；对于存在明显水平构造地应力研究表明，层裂结构的形成，使巷帮围岩的侧

5、向刚度时，有>1。同时假设层裂板为单位宽度a=1，k=明显下降，导致围岩向巷道自由空间的变形迅速加b／a=b表示高宽比。1)四边固支的边界条件：收稿日期：2010—04—19；2010—07—26修订基金项目：国家自然科学基金项目(50904065)』f：：。，号J：：。()作者简介：李明(1986一)，男，山东临沂人，工程力学专业硕士研究生，主要从事矿山压力以及数值力学分析的学习=?=0，Iy=0=0与研究。E—mail：snym103728@163．com。．·10·2011年2月矿业安全与环保第38卷第1期选择挠曲面函数：10ⅢPa=0．3，旦=0，

6、．01，代入式(11)得到：(1⋯sm'rrx)(1⋯s)口o-y1)cr=三．_(+虿1+了)(12)J(2)2)上下简支、左右固支的边界条件：1．2．2上下简支、左右固支情形的临界载荷同上，可求得临界应力表达式：fzl：。：：o，aWl：。==0(1+吉)o-但)。=3．1633×10—÷(13)：-o，c+旁=。、(1+)／-C，选择挠曲面函数：尽管边界条件不同，但是两临界载荷与系数之加=sinsin(4)间的关系是相同的。对于任意一个k，随着k：的增1m1¨U加，层裂板的临界载荷受：的影响逐渐减小，最后趋1．1层裂板结构的总势能于一个稳定的值；对于

7、任意一个k，随着k的增加，根据弹性力学知识，可以得到层裂板结构的应临界载荷逐渐减小，此时，层裂板越容易失稳，也即变能：1D~b．a构造应力越大，层裂板结构越容易失稳，冲击矿压发J0J0{(雾+02W，-~(1-生的概率也更大。1．3层裂板结构临界载荷估计的补充说明[a·O～()]}dxdy(5)yaay‘、实际情况的巷道围岩所处外部环境和应力状态层裂板的外力势能：很复杂，当其产生层裂板结构之后，板的边界条件并不是单纯的上述两种情况。但是，经过分析可以近似=÷[()+()。]d(6)地简化其边界条件，认为实际情况下巷道围岩层裂1．2层裂板的临界屈曲载荷板结构

8、形成以后，板的边界条件介于上述两种边界能量法的主旨思想是求得力在系