高偏应力场中脆硬煤层巷道塑性区恶性扩展诱发动力灾害机理

摘要

巷道围岩塑性区在应力扰动影响下易发生剧烈扩展形成动力灾害，以耿村煤矿13230运输巷道为工程背景，采用理论分析、力学试验及现场监测研究了不同应力状态下巷道塑性区演化规律和动力灾害发生机理.围岩的破坏与其所处空间应力状态有关，岩石破坏所需畸变能与其有效中间主应力与单轴抗压强度的比值呈线性正相关，据此建立了一种新的3D强度准则，并推导了塑性区求解方程.研究结果表明：塑性区的形态和尺寸分别由侧压系数λ和轴向应力控制.随着λ由1逐渐增大或减小，塑性区扩展速率随之增大，塑性区形态呈现出“圆形→椭圆形→蝶形”的变化趋势.轴向应力的增大对塑性区扩展具有抑制作用，λ值越偏离1，其抑制作用越明显.巷道尺寸及应力环境等不变时，塑性区最大尺寸与围岩材料常数a和单轴抗压强度σ_c之间成负相关，a和σ_c越大则围岩破坏所需能量越高.巷道动力灾害的发生机理为：13230巷道煤体的a和σ_c较高，正常回采过程中巷道煤体内部畸变能和偏应力高度集中，塑性区已发育至蝶形但尺寸极小，围岩保持高完整性.蝶形破坏具有应力敏感性，应力扰动发生时，煤体应力环境突变，大量能量剧烈释放，塑性区急剧扩展，导致动力灾害发生.巷道动力灾害的防治思路为通过采取各种卸压措施，弱化围岩的应力集中程度和强度，避免在受到应力扰动后其塑性区大范围急剧扩展.研究结果可为巷道动力灾害发生机理及防治技术提供借鉴.

关键词

三维强度准则 / 畸变能 / 塑性区 / 蝶形破坏 / 动力灾害

基金资助

国家自然科学基金项目(52004289); 国家自然科学基金联合基金项目(U22A20165); 中央高校基本科研业务费资助项目(2022XJNY01)