煤矿巷道围岩应力场的复变函数解

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在交通隧道、矿山巷道等工程中,洞室围岩的变形破坏始终是岩石力学界关心的重要课题。煤矿巷道围岩应力分布规律是巷道支护设计的理论基础。巷道围岩的应力分布规律取决于巷道断面形状。由此可见,研究不同断面形状的巷道围岩应力场具有重要的理论意义和实际应用价值。本文在参考大量文献的基础上,采用复变函数法,围绕不同断面形状的巷道围岩应力分布问题开展研究工作,分别研究了圆形断面巷道和非圆形(包括椭圆形、矩形、直墙拱形等)断面巷道围岩应力应力分布规律,并进行了对比分析。揭示了巷道围岩应力的分布规律,探索了不同巷道断面形状对巷道围岩应力分布的影响,为进一步研究巷道变形破坏规律、选择合理巷道支护方式提供理论依据。采用复变函数法所得到的圆形巷道围岩应力场与采用弹性力学应力函数法所得到的圆形巷道围岩应力场相同结果。表明采用复变函数法研究巷道围岩应力场是适用的。从不同断面形状巷道边界环向应力分布对比分析,结果表明:圆形断面巷道与椭圆形断面巷道边界环向应力分布相似。矩形断面巷道侧压系数随位置角度的增加先增大后减小,在相应位置出现峰值。k值越大,增速越大,峰值位置对应的角度也越大。直墙拱形断面巷道边界的环向应力分布比较复杂,出现多个拐点。从不同断面形状巷道沿巷帮水平线环向应力对比分析,结果表明:对于圆形断面巷道,当k2时,环向应力集中系数随r的增大而增大,当k1.5时,环向应力集中系数随r的增大而减小。对于椭圆形巷道,当k2时,环向应力集中系数随x的增大而减小;当k2时,环向应力集中系数随x的增大而增大。对于矩形断面巷道,随着x的增大,环向应力集中系数呈先增大后减小的趋势,且k值越大,变化率越大。对于直墙拱形断面巷道,当k2时,环向应力集中系数随x的增大而增大;当k2时,随着x的增大,环向应力集中系数呈先增大后减小的趋势。从不同断面形状巷道沿巷帮水平线径向应力对比分析,结果表明:对于圆形断面巷道,当k0.5时,径向应力集中系数随的增大而增大,当k0.5时,径向应力集中系数随r的增大呈现先增大后减小的趋势。对于椭圆形断面巷道,径向应力集中系数随x的增大而增大。k值越大,变化率越大,增长速度的越快。矩形断面巷道的情况与椭圆形断面巷道相似,其径向应力集中系数的变化比椭圆形断面巷道更不均匀。对于直墙拱形断面巷道,随着x的增大,径向应力集中系数呈先减小后增大的趋势。只有直墙拱形断面巷道沿巷帮水平线方向存在剪应力。直墙拱形巷道的分析结果与实际情况尚存在一定的差异,需要在今后研究工作中进一步完善。
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