直墻拱形巷道圍巖應力場分析

摘要：

為得出直墻拱形巷道圍巖應力分布規(guī)律，應用復變函數(shù)彈性理論推導了直墻拱形巷道圍巖應力分布的解析表達式。對直墻拱形巷道邊界的圍巖應力和巷道水平線方向的圍巖應力分布規(guī)律進行分析，并考慮直墻拱形巷道斷面高寬比和側(cè)壓系數(shù)對其影響規(guī)律。研究表明：在不同巷道斷面高寬比、側(cè)壓系數(shù)下，直墻拱形巷道圍巖應力集中區(qū)域主要集中在直墻底部底角處、拱形頂板中點附近和底板中部3個位置。不同巷道斷面高寬比下，直墻拱形巷道沿水平線的應力分布規(guī)律基本相同。側(cè)壓系數(shù)大于1時，采用巷道斷面高寬比小于1較有利于巷道穩(wěn)定；側(cè)壓系數(shù)小于等于1時，采用巷道斷面高寬比大于1較有利于巷道穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：直墻拱形巷道；復變函數(shù)；圍巖應力

中圖分類號：U451文獻標志碼：A文章編號：16744764（2015）03007907

Abstract：The conformal transformation and elastic theory of complex function are used to derive the analytical expression of surrounding rock stress distribution of vertical wall archy roadway. The distribution laws of roadway boundary surrounding rock stress and the stress along horizontal line are analyzed. Also the impact of different aspect ratios of roadway crosssection and different lateral pressure coefficients on stress field of surrounding rocks are studied. The results showe that： with different aspect ratios of roadway crosssection and different lateral pressure coefficients， three locations of vertical wall archy roadway surrounding rocks are main stress concentration area concentrated . The three locations are the basic angle at bottom of vertical wall，the location near midpoint of archy roof and the center of floor. Under different aspect ratios of roadway crosssection， the distribution laws of stress along horizontal line of vertical wall archy roadway are the same basically. When the lateral pressure coefficient is greater than one， roadway is stable with aspect ratio of roadway crosssection less than one. While，when the lateral pressure coefficient is not greater than 1，roadway is stable with aspect ratio of roadway crosssection greater than one.

Key words：vertical wall archy roadway； complex function； surrounding rock stress

煤礦巷道圍巖應力大小和規(guī)律是巷道支護方式選取的重要依據(jù)之一。圍巖應力大小不僅與煤礦采深、側(cè)壓系數(shù)等有關(guān)，還與巷道斷面形狀等相關(guān)（即使相同圍巖條件下，圍巖應力分布規(guī)律和圍巖變形破壞規(guī)律也因巷道斷面形狀不同而不同）。直墻拱形斷面巷道的斷面由下部分矩形和上部分拱形組成，長期實踐證明，直墻拱形斷面巷道具有較好的穩(wěn)定性，所以服務年限較長的巷道一般均采用直墻拱形斷面巷道。了解和掌握巷道圍巖應力分布規(guī)律對合理選擇巷道支護方式具有重要的理論意義和實際應用價值。對于常規(guī)的圓形、橢圓形等巷道的圍巖應力可以采用Cauchy積分法或冪級數(shù)法方便解出[13]，但復雜巷道圍巖應力公式需借助復變函數(shù)彈性理論[46]及映射函數(shù)[79]。朱大勇等[10]求解了矩形斷面圍巖應力彈性解，趙凱等[11]利用多角形法得出了矩形硐室圍巖應力，王潤富[12]、劉金高等[13]求解了梯形孔口的應力，湯澄波等[14]、祝江鴻[15]分別利用復變函數(shù)法求解了天幕線拱形圍巖應力和兩個表示斷面圍巖應力的解析函數(shù)通式，但前提是能給出復雜斷面映射函數(shù)。針對直墻拱形巷道圍巖應力研究較少，對其他復雜巷道研究大多也只給出復雜巷道應力解析的隱函數(shù)，未給出巷道應力分布情況，也未對巷道斷面高寬比和側(cè)壓系數(shù)對其影響規(guī)律進行深入分析。

1模型建立

為簡化計算，將巷道整個斷面簡化為以y軸為對稱軸的六邊形，無支護阻力，遠場鉛垂應力為σv，水平應力為σh=kσv，k為側(cè)壓系數(shù)，不計體力，計算模型如圖1所示。設(shè)頂板寬為B1A1=2a，底板寬為B3A3=2b，斷面總高度為DN=2h，拱的高度為OD=hb，直墻高為ON=hb=2h-ha，直墻拱形斷面高寬比c0=h/b。以拱頂與直墻交界線和直墻拱形巷道斷面的對稱軸為x、y軸建立平面直角坐標系。以y軸為對稱軸的六邊形的頂點從右上方順時針依次為A1、A2、A3、B3、B2、B1。A1、A2、A3處的外角分別為1=1、2=2、3=3=3π[]2。由幾何關(guān)系可得出

從圖 4（a）可得：巷道斷面高寬比為0.5情況下，側(cè)壓系數(shù)大于1時圍巖邊界環(huán)向應力有相同變化趨勢，即底板中點到直墻底部再到直墻頂部的邊界環(huán)向應力先增后減，在直墻底部底角處區(qū)域出現(xiàn)較大應力集中；直墻頂部到拱形頂板中點的邊界環(huán)向應力先減后增再減。側(cè)壓系數(shù)小于1時，圍巖邊界環(huán)向應力也有相同變化趨勢，即底板中點和頂板中點附近均出現(xiàn)拉應力，直墻底部到直墻頂部的邊界環(huán)向應力較為恒定；直墻頂部到拱形頂板中點的邊界環(huán)向應力先增后減然后變?yōu)槔瓚?。應力集中區(qū)域主要集中在直墻底部底角處和拱形頂板中點附近。

從圖4（b）可得：巷道斷面高寬比為1情況下，側(cè)壓系數(shù)大于1時，圍巖邊界環(huán)向應力有相同變化趨勢，即底板中點附近均出現(xiàn)拉應力，底板中點到直墻底部再到直墻頂部的邊界環(huán)向應力先由拉應力變?yōu)閴簯?，然后增加后減??；直墻頂部到拱形頂板中點的邊界環(huán)向應力先減后增再減。側(cè)壓系數(shù)小于1時，圍巖邊界環(huán)向應力也有相同變化趨勢，即頂板中點附近均出現(xiàn)拉應力，底板中點到直墻底部再到直墻頂部的邊界環(huán)向應力先由逐漸減小；直墻頂部到拱形頂板中點的邊界環(huán)向應力先增后減然后變?yōu)槔瓚Α袇^(qū)域主要集中在底板中部和拱形頂板中點附近，且拱形頂板應力集中系數(shù)小于底板。

從圖4（c）可得：巷道斷面高寬比為1.5情況下，巷道圍巖應力分布規(guī)律與巷道斷面高寬比為1情況基本相同，不同之處在于拱形頂板應力集中系數(shù)大于底板，圍巖應力分布比巷道斷面高寬比為1時較好。

3.2直墻拱形巷道沿水平線的應力分布規(guī)律

取φ=0，ζ=ρ為直墻拱形巷道水平線位置， 由x=R（1+c1ρ2+c3ρ4）/ρ可將曲線坐標表示的應力分量表達式轉(zhuǎn)換為直角坐標表示。取a=1 m，b=2 m，斷面高寬比c0分別取0.5、1、1.5時， 可得沿x軸圍巖應力分布規(guī)律，如圖5（a）、（b）、（c）。

從圖 5可得：1）不同巷道斷面高寬比下，直墻拱形巷道沿水平線的應力分布規(guī)律基本相同。2）側(cè)壓系數(shù)大于1時，不同巷道斷面高寬比的環(huán)向應力均隨至巷道邊界距離增大而迅速增大，在距離巷道邊界2～4 m后達到穩(wěn)定；側(cè)壓系數(shù)小于1時，不同巷道斷面高寬比的環(huán)向應力均隨至巷道邊界距離增大而先增大后減小，在距離巷道邊界1 m左右達到最大值，然后較小并在距離巷道邊界2～4 m后達到穩(wěn)定。3）側(cè)壓系數(shù)大于1時，不同巷道斷面高寬比的徑向應力均隨至巷道邊界距離增大而先減小后變?yōu)槔瓚θ缓笤黾?，在距離巷道邊界4～6 m后達到穩(wěn)定；側(cè)壓系數(shù)小于1時，不同巷道斷面高寬比的徑向應力均隨至巷道邊界距離增大而增大，在距離巷道邊界2～4 m后達到穩(wěn)定。4）直墻拱形巷道邊界3 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了剪應力，剪應力隨至巷道邊界距離增大而迅速減小。當側(cè)壓系數(shù)大于1時，最大剪應力隨側(cè)壓系數(shù)增加而增大；當側(cè)壓系數(shù)小于1時，最大剪應力隨側(cè)壓系數(shù)增加而減小。

4結(jié)論

1）采用保角變換，應用復變函數(shù)彈性理論推導了直墻拱形巷道圍巖應力分布的解析表達式。

2）不同巷道斷面高寬比、側(cè)壓系數(shù)下，直墻拱形巷道圍巖應力集中區(qū)域均主要集中在直墻底部底角處、拱形頂板中點附近和底板中部3個位置。巷道斷面高寬比一定情況下，側(cè)壓系數(shù)大于1時，圍巖邊界環(huán)向應力有相同變化趨勢；采用巷道斷面高寬比小于1較有利于巷道穩(wěn)定；側(cè)壓系數(shù)小于等于1時，圍巖邊界環(huán)向應力也有相同變化趨勢；采用巷道斷面高寬比大于1較有利于巷道穩(wěn)定。

3）道斷面高寬比對直墻拱形巷道沿水平線的應力分布規(guī)律影響較小。側(cè)壓系數(shù)大于1時，巷道環(huán)向應力均隨至巷道邊界距離增大而迅速增大，徑向應力均隨至巷道邊界距離增大而先減小后變?yōu)槔瓚θ缓笤黾樱畲蠹魬﹄S側(cè)壓系數(shù)增加而增大；側(cè)壓系數(shù)小于1時，巷道環(huán)向應力均隨至巷道邊界距離增大而先增大后減小，徑向應力均隨至巷道邊界距離增大而增大，最大剪應力隨側(cè)壓系數(shù)增加而減小。

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（編輯王秀玲）