非均匀应力场中矩形巷道围岩塑性区扩展规律及等效外接圆理论解析方法

摘要

矩形巷道在煤矿井下应用广泛，但其周围应力分布复杂，其围岩塑性区状态难以进行理论解析。通过数值模拟方法探究不同宽高比矩形巷道在非均匀应力场中围岩塑性区的扩展规律，从塑性区形态、范围、集中位置三个维度与对应外接圆进行映射对照，提出矩形巷道围岩塑性区的等效外接圆理论解析方法。研究表明：(1)非均匀应力场中矩形与对应外接圆巷道围岩塑性区形态演化规律一致，均呈现圆形、椭圆形、蝶形3种形态；(2)矩形巷道宽高比ν﹤2时(已满足现场实际需要),塑性区最大半径不超过对应外接圆的15%,ν值越接近1等效外接圆理论解析方法的误差越小，当ν=1时误差趋近于0;(3)出现蝶形塑性区后矩形与对应外接圆巷道塑性区蝶叶角收敛值均集中在34°～39°,当ν﹤2时，两者蝶叶角差值在1°～3°;(4)非均匀应力场中ν﹤2时塑性区形态、范围、主要集中位置可通过等效外接圆方法进行理论解析。

关键词

蝶形塑性区 / 矩形巷道 / 非均匀应力场 / 等效外接圆