滲流作用下深部巷道分區(qū)破壞的非歐模型

張銅寬，潘一山，錢七虎

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 基礎(chǔ)教學(xué)部，遼寧 葫蘆島 125000; 2.遼寧大學(xué) 物理學(xué)院,遼寧 沈陽 110000; 3.解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007; 4.解放軍理工大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007)

滲流作用下深部巷道分區(qū)破壞的非歐模型

張銅寬1，潘一山2，錢七虎3,4

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 基礎(chǔ)教學(xué)部，遼寧 葫蘆島 125000; 2.遼寧大學(xué) 物理學(xué)院,遼寧 沈陽 110000; 3.解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007; 4.解放軍理工大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007)

深部開采過程中巷道圍巖呈現(xiàn)分區(qū)破壞的特點(diǎn)。針對(duì)煤與瓦斯突出、底板破壞等實(shí)際工程問題獲得了靜水壓力滲流作用下深部巷道的非歐模型應(yīng)力分布解。新應(yīng)力解由兩部分組成:一部分是經(jīng)典解，另一部分是非歐解。運(yùn)用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則作為判斷新應(yīng)力解分布引起分區(qū)裂化現(xiàn)象的條件。通過數(shù)值計(jì)算，獲得了下列結(jié)論:當(dāng)滲流壓力存在時(shí)，深部圍巖的分區(qū)破壞現(xiàn)象依然存在;遠(yuǎn)場(chǎng)滲透壓力增加減小了靠近巷道的環(huán)向應(yīng)力,且井壁滲透壓力對(duì)巷道的環(huán)向應(yīng)力的影響較小;在遠(yuǎn)場(chǎng)滲透壓力作用下，孔隙度的增加降低了巷道的環(huán)向應(yīng)力;運(yùn)用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，估算了破壞區(qū)的位置和寬度;利用建立的有滲流作用的非歐模型解釋了煤炭開采過程中的分區(qū)破壞現(xiàn)象。研究結(jié)果可為理解滲流作用下深部圍巖分區(qū)破壞提供參考。

非歐模型;分區(qū)破壞;滲流作用;深部巷道

深部煤礦開采中，巷道圍巖破壞區(qū)域和非破壞區(qū)域交替出現(xiàn)，這種現(xiàn)象稱為分區(qū)破壞化現(xiàn)象(圖1)。而根據(jù)經(jīng)典彈塑性力學(xué)理論，淺部圍巖由內(nèi)向外依次出現(xiàn)破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)(圖2)。經(jīng)典彈塑性力學(xué)難以解釋分區(qū)破壞化現(xiàn)象。GUZEV M.A.和PAROSHIN A.A.等[1-7]認(rèn)為巖石材料晶體中的點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷導(dǎo)致了連續(xù)性假設(shè)的失效，深部巖體內(nèi)部已經(jīng)不是經(jīng)典的歐幾里得空間，此時(shí)巖體內(nèi)部的曲率張量(只考慮平面問題時(shí))不再是0，協(xié)調(diào)性原理不再適用，內(nèi)部空間不再是歐式空間，并且運(yùn)用非歐幾何和非平衡態(tài)熱力學(xué)理論獲得了深部巖體的非歐幾何模型，解釋了分區(qū)破壞化現(xiàn)象。錢七虎、周小平等[8-9]基于自由能密度、平衡方程和變形非協(xié)調(diào)性方程獲得了新的非歐模型。錢七虎、戚承志等[9]通過引入有效塑性應(yīng)變梯度獲得了深部隧道分區(qū)破碎的內(nèi)變量梯度塑性模型和巖體的內(nèi)變量演化方程。但是，這些研究都沒有考慮有水、瓦斯、油等的滲流作用。事實(shí)上，煤礦開采中，水、瓦斯的孔隙壓力作用都不能忽略。截止2011年,我國煤與瓦斯突出礦井274處，高瓦斯礦井210處,瓦斯壓力、孔隙壓力一般可達(dá)到5 MPa。煤和瓦斯突出是在孔隙瓦斯壓力作用下煤體變形問題。我國重點(diǎn)煤礦中具有底板突水危險(xiǎn)性威脅的有285處。底板突出就是在孔隙水壓力作用下底板的煤巖體破壞。在石油工程中，油、水在巖層中的滲流規(guī)律成為石油抽采的重要依據(jù)。在水、瓦斯、油等滲流作用下是否還存在分區(qū)碎裂化目前國內(nèi)外還鮮有研究。而涉及到在滲流作用下的深部圍巖的力學(xué)特征研究尚不多見。另一方面，潘一山、李忠華等[10-16]利用經(jīng)典力學(xué)理論獲得了滲流作用下圍巖的應(yīng)力分布規(guī)律。但是他們沒有考慮非歐模型。本文主要結(jié)合了潘一山、李忠華和GUZEV等在滲流作用下圍巖應(yīng)力性質(zhì)方面和非歐模型方面的研究成果，首次獲得了在滲流作用下深部巷道的靜水壓力非歐模型。

圖1 巷道圍巖分區(qū)破壞示意Fig.1 Sketch map of zonal failure of roadway surrounding rock

圖2 巷道圍巖經(jīng)典破壞示意Fig.2 Sketch map of classical failure of roadway surrounding rock

1 非歐模型基本方程

歐式空間是指存在一個(gè)適用于全空間的笛卡爾坐標(biāo)系，否則稱為非歐氏空間。在力學(xué)中滿足協(xié)調(diào)性方程的幾何空間是歐氏空間，這意味著物體內(nèi)部沒有發(fā)生斷裂或者嵌入;反之，當(dāng)協(xié)調(diào)性方程沒有滿足時(shí)，物體內(nèi)部發(fā)生了斷裂或者嵌入。在數(shù)學(xué)上，區(qū)分歐式空間與非歐氏空間可以根據(jù)Riemann張量是否為零來判斷:Riemann張量為零當(dāng)且僅當(dāng)歐氏空間成立;Riemann張量不為零當(dāng)且僅當(dāng)非歐氏空間成立。在平面應(yīng)變問題中數(shù)量曲率為零當(dāng)且僅當(dāng)Riemann張量為零。

現(xiàn)在假設(shè)所研究問題為平面應(yīng)變問題。在巷道截面中心建立直角坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 巷道截面的直角坐標(biāo)系示意Fig.3 Sketch map of rectangular coordinate for roadway section

位移場(chǎng)為u1,u2，應(yīng)變?chǔ)?1，ε12，ε21，ε22為

在彈性力學(xué)中，巖體為歐氏空間，滿足協(xié)調(diào)性方程

定義R為

其中，ε=ε11+ε22+ε33=ε11+ε22為坐標(biāo)變換下的不變量。事實(shí)上,可以證明-R即為數(shù)量曲率。

設(shè)巖體未必滿足歐式空間條件，Almansi張量由可逆應(yīng)變?chǔ)舏j和不可逆應(yīng)變Pij組成，則

Aij=εij+pij

在運(yùn)動(dòng)中，

式中，D/Dt為全導(dǎo)數(shù)；vi為速度場(chǎng)。

令

由于速度場(chǎng)是連續(xù)的，所以速度場(chǎng)滿足協(xié)調(diào)性方程，故

Pll=P11+P22+P33

其中Δ為拉普拉斯算子。

不考慮時(shí)間效應(yīng)，dR/dt=0，所以

設(shè)內(nèi)能U為關(guān)于熵s、應(yīng)變?chǔ)舏j和R的函數(shù)U=U(s,εij，R)

其中,ρ0為巷道圍巖密度;q為可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的適應(yīng)參數(shù)；E為彈性模量；μ為泊松比。當(dāng)R為0時(shí)，式(4)變?yōu)閺椝苄粤W(xué)的內(nèi)能公式。

根據(jù)非平衡熱動(dòng)力學(xué)，熱力學(xué)第一定律和第二定律可寫為

其中,ρ為巷道圍巖密度;J(q)k為熱流;J(s)k為熵流;D為耗散函數(shù)，D≥0。假設(shè)D具有雙線性形式D=XiYj。

沿著運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)內(nèi)能U取關(guān)于時(shí)間的全導(dǎo)數(shù)，即Gibbs等式

成立，其中T為溫度。

將式(6)代入式(5)得

而

利用εij的對(duì)稱性，有

所以

其中，Pll=P11+P22+P33。

將式(9)改寫為

再將式(8)和式(10)代入式(7)，得

假設(shè)D具有雙線性形式D=XiYi，則由式(11)可以得到

對(duì)于熱流，有如下近似線性關(guān)系，其中λ為唯象參數(shù)

假設(shè)ρ=ρ0，將式(4)代入式(14)和式(15)，可得

由熱動(dòng)力學(xué)，假設(shè)Pij與R有如下關(guān)系

其中ξ是一個(gè)唯象參數(shù)。且

將式(18)代入式(2)可得

方程(19)的解為

其中J0,N0,K0分別為0階Bessel函數(shù)、Neumann函數(shù)、MacDonald函數(shù);a,b,c為待定參數(shù)。

R(r)滿足邊界條件

R|r=r0=0,R′|r=r0=0

且R(r)滿足

得到

由本構(gòu)方程

可得

σ33=μ(σ11+σ22)

令

σ=σ11+σ22+σ33

σ也是坐標(biāo)變換下的不變量。則

將本構(gòu)關(guān)系代入式(1)得

又在不考慮體力的情況下，根據(jù)平衡方程

得

2 無滲流作用下巷道變形破壞的非歐模型應(yīng)力解

假設(shè)巷道半徑為r0，巷道所受地應(yīng)力為σ0，且為靜水壓力。以巷道中心建立極坐標(biāo)系，如圖4所示。

圖4 巷道截面的極坐標(biāo)系示意Fig.4 Sketch map of polar coordinate for roadway section

假設(shè)剪切應(yīng)力σrθ=0，現(xiàn)將式(19)寫為極坐標(biāo)形式

其中

令

則式(22)變?yōu)?/p>

即

兩邊同時(shí)求積分得

其中，J1,N1,K1分別為1階Bessel函數(shù)、Neumann函數(shù)、MacDonald函數(shù)。

再對(duì)上式的左右兩邊同時(shí)求積分，得

m1lnr+m2

其中,m1，m2為待定參數(shù)。因?yàn)楫?dāng)r充分大時(shí)σ近似為2(1+μ)σ0，故

將式(23)代入平衡方程

可得

3 滲流作用下巷道變形破壞的非歐模型應(yīng)力解

假設(shè)巷道半徑為r0，地應(yīng)力為σ0，且為靜水壓力。在距離巷道中心R0的圓周處分布有指向巷道圓心的大小均勻的遠(yuǎn)場(chǎng)滲流壓p0，并且在巷道井壁周圍均勻分布有指向井壁的井壁滲流壓力p1。假設(shè)圍巖均勻各向同性，且?guī)r石為多孔介質(zhì)。有效孔隙度為β，彈性模量為E，泊松比為μ，γ是給定的常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)出。只考慮靜水壓力條件。圍巖的受力情況如圖5所示。

圖5 滲流作用下巷道圍巖應(yīng)力示意Fig.5 Graph of the stress in the surrounding rock under the permeation

根據(jù)巷道的受力情況，邊界條件為

σr|r=r0=(1-β)p1,σr|r=R0=σ0-βp0

含有滲流作用的巷道圍巖平衡方程為

其中

將式(27)和公式σ=(1+μ)(σr+σθ)代入式(26)整理得

兩邊同時(shí)乘以r2得

等式兩邊同時(shí)求積分得

其中

代入邊界條件后，

其中

所以，滲流作用下的巷道圍巖的非歐幾何模型應(yīng)力場(chǎng)為

根據(jù)方程(26)，經(jīng)典彈塑性力學(xué)解為

其中

4 應(yīng)力場(chǎng)影響分析

(1)在滲流作下,深部巷道依然存在分區(qū)破壞現(xiàn)象。

非歐模型獲得的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力與經(jīng)典理論獲得的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力的圖像如圖6所示。

圖6 經(jīng)典理論與非歐模型的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力Fig.6 Image of radial stress and angular stress in classical theory and non-Euclidean model

非歐模型條件下的徑向應(yīng)力圍繞經(jīng)典彈塑性力學(xué)意義下的徑向應(yīng)力小幅波動(dòng)，且隨著r逐漸增大，該波動(dòng)逐漸減弱。非歐模型條件下的環(huán)向應(yīng)力圍繞經(jīng)典彈塑性力學(xué)意義下的環(huán)向應(yīng)力做幅度相當(dāng)大的波動(dòng)。根據(jù)此類性質(zhì)，可以忽略徑向應(yīng)力的波動(dòng)性而只專注于考慮環(huán)向應(yīng)力。由于環(huán)向應(yīng)力含有多個(gè)峰值，而在峰值處巖石可能發(fā)生失穩(wěn)破壞進(jìn)而導(dǎo)致多個(gè)破壞區(qū)，這樣就形成了分區(qū)破壞現(xiàn)象。由于環(huán)向應(yīng)力波動(dòng)峰值較大，說明在滲流作用下的非歐模型中環(huán)向應(yīng)力的波動(dòng)峰值是造成圍巖破壞的主要因素。

(2)隨著圍巖的滲透壓逐漸增大，環(huán)向應(yīng)力減小。

當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)滲流壓力p0分別取0,5,10 MPa時(shí)，巷道的環(huán)向應(yīng)力曲線如圖7所示。

圖7 不同的p0下的環(huán)向應(yīng)力曲線Fig.7 Angular stress curvatures under the different p0

當(dāng)井壁滲流壓力p1分別取0,5,10 MPa時(shí)，巷道的環(huán)向應(yīng)力曲線如圖8所示。

圖8 不同的p1下的環(huán)向應(yīng)力曲線Fig.8 Angular stress curvatures under the different p1

由圖7可知，井壁滲流壓力對(duì)環(huán)向應(yīng)力的影響較小，所以只需分析當(dāng)井壁滲流壓力存在時(shí)孔隙度對(duì)環(huán)向應(yīng)力的影響。這也說明在滲流作用下的非歐模型中，單純改變井壁滲流壓力是難以對(duì)圍巖應(yīng)力造成較大影響的。

(3)當(dāng)?shù)貞?yīng)力增加時(shí)，環(huán)向應(yīng)力明顯增加。

當(dāng)?shù)貞?yīng)力分別取32.5，40，47.5 MPa時(shí)不同的環(huán)向應(yīng)力如圖9所示。

圖9 不同地應(yīng)力下的環(huán)向應(yīng)力曲線Fig.9 Angular stress curvatures under the different crustal stresses

由圖9可知，在有滲流作用的非歐模型中，地應(yīng)力的增加，顯著增加了環(huán)向應(yīng)力波動(dòng)峰值，進(jìn)而對(duì)圍巖的破壞起到很大的作用。

(4)在遠(yuǎn)場(chǎng)滲流壓力存在時(shí)，有效孔隙度越大，環(huán)向應(yīng)力越小。

在遠(yuǎn)場(chǎng)滲流壓力為5 MPa時(shí)，且有效孔隙度β分別取0，0.15，0.3時(shí)，環(huán)向應(yīng)力如圖10所示。

圖10 當(dāng)遠(yuǎn)場(chǎng)滲流壓力存在時(shí),不同β對(duì)應(yīng)的環(huán)向應(yīng)力曲線Fig.10 Angular stress curvatures with different β under the far field permeation pressure

(5)在彈性應(yīng)力與塑性應(yīng)力在數(shù)值上差別不是很大的情況下,利用Mohr-Coulomb屈服函數(shù)推斷出非歐模型的破壞區(qū)的位置和寬度。

根據(jù)Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，可得Mohr-Coulomb屈服函數(shù):

其中，φ為內(nèi)摩擦角;f為Mohr-Coulomb屈服函數(shù)。假設(shè)屈服函數(shù)的臨界值為c0(黏聚力)，則當(dāng)f>c0時(shí)，推測(cè)巖石可能出現(xiàn)破壞;當(dāng)f

非歐模型的Mohr-Coulomb 屈服函數(shù)和黏聚力如圖11所示。

圖11 Mohr-Coulomb 屈服函數(shù)和黏聚力Fig.11 Image of Mohr-Coulomb yielding function and cohesion

由圖1所示，破壞區(qū)是同心圓環(huán)。設(shè)破壞區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中心到巷道的距離分別為l1，l2，l3(m)，寬度分別為w1，w2，w3(m)。當(dāng)巷道半徑(m)取不同數(shù)值時(shí)相應(yīng)的距離和寬度數(shù)值可見表1，2。

表1破壞區(qū)域與巷道中心之間的距離
Table1Distancebetweenthefailurezonesandtheroadwaycenterm

巷道半徑l1l2l3r0=2.02.223.916.24r0=2.22.434.106.43r0=2.42.654.296.63r0=2.62.884.486.83

表2破壞區(qū)域的寬度
Table2Widthofthefailurezonesm

巷道半徑w1w2w3r0=2.00.441.060.80r0=2.20.471.080.76r0=2.40.511.100.73r0=2.60.561.150.71

5 非歐模型的應(yīng)用

沖擊地壓與瓦斯突出復(fù)合災(zāi)害，沖擊地壓與底板突水復(fù)合災(zāi)害都涉及瓦斯、水在煤體中滲流問題，利用上面的非歐模型應(yīng)力解可以對(duì)這些災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行解釋和分析。

(1)在沖擊地壓預(yù)測(cè)中的作用

沖擊地壓是煤礦中重大動(dòng)力災(zāi)害，危險(xiǎn)性檢測(cè)的一個(gè)實(shí)用方法是鉆屑法。鉆屑法是用42 mm的鉆頭向工作面煤壁中打孔，通過鉆孔過程中排出的鉆粉量來判斷工作面煤體應(yīng)力集中程度，進(jìn)而來預(yù)測(cè)沖擊地壓的危險(xiǎn)性。傳統(tǒng)上隨著向煤壁深度增加，應(yīng)力逐漸增加，到達(dá)某一深度時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值，再往深處鉆孔應(yīng)力又減小下來，應(yīng)力峰值只有一個(gè)，反映在鉆屑量上也是一樣，鉆屑量從煤壁向深處逐漸增大，達(dá)到峰值后逐漸下降。但是大量現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，鉆屑量并不是服從這個(gè)規(guī)律，而是有幾個(gè)峰值，以前都認(rèn)為這種現(xiàn)象是由鉆屑量的測(cè)量誤差引起的。

例如:阜新王營礦采深達(dá)到了1 000 m以上。在4306工作面壓力正常區(qū)域的煤層中打煤粉鉆，鉆頭直徑42 cm，孔深6～8 m，鉆孔主要布置在兩幫。為了確定鉆屑量指標(biāo)，鉆孔每鉆進(jìn)一米測(cè)量一次鉆屑量和粒度組成。記錄每米煤粉量，然后畫出鉆屑量隨鉆孔深度曲線。圖12是阜新王營礦4306下巷與膠帶道叉口30 m處左右?guī)蛯?shí)測(cè)鉆屑量變化曲線，圖13是4306上巷距風(fēng)門口160 m左右?guī)偷膶?shí)測(cè)鉆屑量變化曲線，從圖12和13可以看出，隨鉆深的增加，每米鉆屑量變化趨勢(shì)呈波浪變化趨勢(shì)，這和以前淺部開采的鉆屑量變化是不同的。

圖12 阜新王家營礦4306下巷與膠帶道叉口30 m處左右?guī)豌@屑量曲線Fig.12 Drill cuttings weight curves of the folk between the 30 m away from belt road and the left part and right part of No.4306 lower roadway at Wangjiaying Mine at Fuxin

圖13 阜新王家營礦4306上巷距風(fēng)門160 m處左右?guī)豌@屑量曲線Fig.13 Drill cuttings weight curves of the left part and right part of upper roadway where is 160 m away from the throttle at No.4306 at Wangjiaying Mine at Fuxin

(2)在煤與瓦斯突出預(yù)測(cè)中的作用

鉆屑量法也可有效地應(yīng)用于地應(yīng)力主導(dǎo)的煤與瓦斯突出的預(yù)測(cè)。在地應(yīng)力主導(dǎo)的煤與瓦斯突出中，地應(yīng)力煤與瓦斯突出的強(qiáng)度成正比。地應(yīng)力的大小可以由鉆屑量的多少來判斷。鉆屑量越多地應(yīng)力越大，煤與瓦斯突出的程度越強(qiáng)。傳統(tǒng)理論認(rèn)為應(yīng)力峰值只有一個(gè)，這樣煤與瓦斯突出在鉆孔深度上只有一個(gè)最可能發(fā)生位置。但是根據(jù)非歐模型，應(yīng)力峰值會(huì)有多個(gè)，那么煤與瓦斯突出在鉆孔深度上會(huì)有多個(gè)最可能發(fā)生位置。

例如:重慶天府礦業(yè)有限責(zé)任公司三匯一礦2124綜采工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[17]，該煤層采深為403～439 m，原始瓦斯壓力3.6 MPa，工作面瓦斯壓力1.8 MPa。這是典型的瓦斯?jié)B流和煤層變形相互作用的案例。圖14給出了鉆屑量隨鉆孔深度的變化規(guī)律，可見鉆屑量有波動(dòng)性。以前多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)為是誤差所致，實(shí)際上正是瓦斯?jié)B流下的破裂分區(qū)化現(xiàn)象。某煤礦7607運(yùn)輸洞室的實(shí)驗(yàn)[18]，該煤層采深約570 m，其鉆屑量隨著鉆孔深度變化情況如圖15所示。同樣是瓦斯?jié)B流下的破裂分區(qū)化現(xiàn)象。按照經(jīng)典理論，巷道附近處應(yīng)力會(huì)達(dá)到峰值。

圖14 2124采煤工作面的鉆屑量Fig.14 Graph of drill cuttings weight at 2124 coal mining face

圖15 7607運(yùn)輸洞室的鉆屑量Fig.15 Graph of drill cuttings weight at 7607 transport tunnel

6 結(jié) 論

(1)在有滲流作用下非歐模型的深部巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的解說明分區(qū)破壞現(xiàn)象依然存在。在滲流作用下非歐模型中，環(huán)向應(yīng)力波動(dòng)較大，是造成圍巖破壞的主要因素。

(2)在有滲流作用下利用非歐幾何模型獲得的深部巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)的解中，遠(yuǎn)場(chǎng)滲流壓力的增加降低了巷道的環(huán)向應(yīng)力數(shù)值;而井壁滲流壓力對(duì)環(huán)向應(yīng)力影響較小。在滲流作用下非歐模型中，只增加井壁滲流壓力難以顯著影響圍巖應(yīng)力。

(3)在滲流作用下非歐模型中，地應(yīng)力的增加對(duì)提升圍巖的環(huán)向應(yīng)力波動(dòng)峰值最為顯著，是圍巖穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素。

(4)在不考慮遠(yuǎn)場(chǎng)滲流作用下，有效孔隙度增加減小了環(huán)向應(yīng)力。說明在對(duì)圍巖強(qiáng)度影響可以忽略不計(jì)的情況下，孔隙度的增加減小了環(huán)向應(yīng)力，而非歐模型中環(huán)向應(yīng)力是圍巖破壞的主要因素，所以孔隙度的增加會(huì)在一定程度上增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。

(5)運(yùn)用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,推算出破壞區(qū)的距離和寬度。估算出了巷道圍巖應(yīng)力集中的位置和范圍。

(6)利用建立的有滲流作用的非歐模型，通過鉆屑量隨鉆孔深度增加而波動(dòng)這一工程現(xiàn)象，解釋了煤炭開采過程中出現(xiàn)的分區(qū)破壞現(xiàn)象。

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Non-Euclideanmodelforzonalfailureofdeeproadwayunderthepermeationaction

ZHANG Tongkuan1，PAN Yishan2,QIAN Qihu3,4

(1.DepartmentofBasicTeaching，LiaoningTechnicalUniversity，Huludao125000,China; 2.DepartmentofPhysics，LiaoningUniversityShenyang110000,China; 3.EngineeringInstituteofNationalDefenseEngineering,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China; 4.StateKeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigationofExplosionandImpact,PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China)

In the process of deep mining,roadway surrounding rock presents zonal failure characteristic.The hydro-static non-Euclidean stress distribution solution of deep roadway under permeation action is obtained aiming at coal and gas outburst,floor failure and other practical engineering problems.The new stress solution consists of two parts:one is the classical solution;the other one is the non-Euclidean solution.The Mohr-Coulomb yielding criterion is applied for the condition that the new stress distribution causes zonal failure phenomenon.Through the numerical calculation,the following conclusions are obtained:When there is the permeation action,the zonal failure phenomenon still exists for deep surrounding rock;far field permeation pressure reduces the angular stress of roadway,and borehole permeation pressure influences the angular stress very small;under the far field permeation pressure,the increase of porosity reduces the angular stress of roadway;using the Mohr-Coulomb yield criterion,the location and width of the failure zones are estimated;by using the non-Euclidean model under the permeation,the zonal destruction in the process of coal mining is explained.The present study offers a reference to understanding the zonal failure in deep surrounding rock under the permeation action.

non-Euclidean model;zonal failure;permeation action;deep roadway

張銅寬，潘一山，錢七虎.滲流作用下深部巷道分區(qū)破壞的非歐模型[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(11):2842-2851.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0454

ZHANG Tongkuan，PAN Yishan,QIAN Qihu.Non-Euclidean model for zonal failure of deep roadway under the permeation action[J].Journal of China Coal Society,2017,42(11):2842-2851.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0454

TD32

A

0253-9993(2017)11-2842-10

2017-04-08

2017-06-22責(zé)任編輯畢永華

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFC0804208,2017YFC0804205,2016YFC0801403-4)

張銅寬(1982—)，男，遼寧鞍山人,博士研究生。Tel:0429-5310096，E-mail:fsj1982@163.com。

潘一山(1964—)，男，遼寧丹東人，博士生導(dǎo)師。E-mail:panyish_cn@sina.com