熱應(yīng)力對深部巷道圍巖穩(wěn)定性的影響.pdf

1、目前煤炭資源的開發(fā)正由淺部向深部轉(zhuǎn)移，隨著開采深度的增加地溫不斷升高。由于巷道通風(fēng)降溫，巷道圍巖溫度場產(chǎn)生較大變化，使圍巖內(nèi)產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，將會(huì)對巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。隨著通風(fēng)時(shí)間的延長，巷道圍巖溫度場不斷變化，巷道圍巖應(yīng)力場不斷調(diào)整。因此，研究瞬態(tài)溫度場對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響具有重要意義。關(guān)于熱應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響國內(nèi)外研究較少，巷道圍巖在溫度場與地應(yīng)力場耦合作用下的破壞規(guī)律目前還不清楚。本文通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀

2、測對巷道圍巖溫度場、應(yīng)力場的分布規(guī)律及其隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行了初步研究，揭示了熱應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　?。?）根據(jù)固體熱傳導(dǎo)理論和熱彈性力學(xué)理論，推導(dǎo)了圓形巷道圍巖瞬態(tài)熱—彈性耦合解析解，得到了圓形巷道圍巖熱應(yīng)力的分布規(guī)律及其隨時(shí)間變化的規(guī)律：環(huán)向熱應(yīng)力在圍巖表層表現(xiàn)為較大的拉應(yīng)力而在圍巖深處表現(xiàn)為較小的壓應(yīng)力；徑向熱應(yīng)力在整個(gè)圍巖內(nèi)都是拉應(yīng)力，巷道周邊徑向應(yīng)力為零，距巷道周邊較小深度處徑向應(yīng)力

3、最大；隨著通風(fēng)時(shí)間的延長，圍巖內(nèi)拉應(yīng)力區(qū)增大，圍巖深處環(huán)向壓應(yīng)力增加。
　?。?）受地面氣溫影響，巷道風(fēng)流溫度隨季節(jié)變化。巷道在不同季節(jié)開始通風(fēng)，巷道圍巖溫度場、應(yīng)力場隨時(shí)間變化的規(guī)律不同，熱應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響不同。數(shù)值模擬結(jié)果顯示：冬季開始通風(fēng)，圍巖內(nèi)溫度梯度較大，圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展較快；夏季開始通風(fēng)，圍巖內(nèi)溫度梯度較小，圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展較慢。
　?。?）對自重應(yīng)力場內(nèi)圓形巷道、拱形巷道和矩形巷道圍巖進(jìn)行了瞬態(tài)熱—應(yīng)力耦

4、合分析，數(shù)值模擬結(jié)果顯示：熱應(yīng)力對圓形巷道圍巖穩(wěn)定性的影響較小而對矩形巷道圍巖穩(wěn)定性的影響較大；巷道通風(fēng)后矩形巷道頂、底板產(chǎn)生較大的拉破壞區(qū)，拱形巷道底板產(chǎn)生較大的拉破壞區(qū)。
　　（4）對不同地應(yīng)力環(huán)境下不同圍巖結(jié)構(gòu)的巷道圍巖進(jìn)行了瞬態(tài)熱—應(yīng)力耦合分析，數(shù)值模擬結(jié)果顯示：靜水應(yīng)力場內(nèi)熱應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響很??；構(gòu)造應(yīng)力場內(nèi)熱應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響較大，巷道通風(fēng)后，底板塑性區(qū)擴(kuò)展較大；自重應(yīng)力場內(nèi)熱應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影

5、響最大，巷道通風(fēng)后，底板塑性區(qū)明顯擴(kuò)展，底板破壞是由于拉應(yīng)力造成的，對巷道圍巖穩(wěn)定性極為不利?，F(xiàn)場觀測結(jié)果證明熱應(yīng)力是引起巷道圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展的重要因素之一。
　?。?）通過數(shù)值模擬研究了表面隔熱對巷道圍巖散熱量及巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，數(shù)值模擬結(jié)果顯示：巷道鋪設(shè)表面隔熱層后，圍巖散熱量大大降低，圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展緩慢；增加隔熱層厚度對巷道圍巖穩(wěn)定性有利，但超過一定厚度后，其作用效果不再明顯提高；表面隔熱是深部高溫巷道圍巖穩(wěn)定性控制的有效