热应力对深部巷道围岩稳定性的影响

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目前煤炭资源的开发正由浅部向深部转移,随着开采深度的增加地温不断升高。由于巷道通风降温,巷道围岩温度场产生较大变化,使围岩内产生较大热应力,将会对巷道围岩稳定性产生一定影响。随着通风时间的延长,巷道围岩温度场不断变化,巷道围岩应力场不断调整。因此,研究瞬态温度场对巷道围岩稳定性的影响具有重要意义。关于热应力对巷道围岩稳定性的影响国内外研究较少,巷道围岩在温度场与地应力场耦合作用下的破坏规律目前还不清楚。本文通过理论分析、数值模拟和现场观测对巷道围岩温度场、应力场的分布规律及其随时间变化的规律进行了初步研究,揭示了热应力对巷道围岩稳定性的影响,主要研究成果和创新点如下:  (1)根据固体热传导理论和热弹性力学理论,推导了圆形巷道围岩瞬态热—弹性耦合解析解,得到了圆形巷道围岩热应力的分布规律及其随时间变化的规律:环向热应力在围岩表层表现为较大的拉应力而在围岩深处表现为较小的压应力;径向热应力在整个围岩内都是拉应力,巷道周边径向应力为零,距巷道周边较小深度处径向应力最大;随着通风时间的延长,围岩内拉应力区增大,围岩深处环向压应力增加。  (2)受地面气温影响,巷道风流温度随季节变化。巷道在不同季节开始通风,巷道围岩温度场、应力场随时间变化的规律不同,热应力对巷道围岩稳定性的影响不同。数值模拟结果显示:冬季开始通风,围岩内温度梯度较大,围岩塑性区扩展较快;夏季开始通风,围岩内温度梯度较小,围岩塑性区扩展较慢。  (3)对自重应力场内圆形巷道、拱形巷道和矩形巷道围岩进行了瞬态热—应力耦合分析,数值模拟结果显示:热应力对圆形巷道围岩稳定性的影响较小而对矩形巷道围岩稳定性的影响较大;巷道通风后矩形巷道顶、底板产生较大的拉破坏区,拱形巷道底板产生较大的拉破坏区。  (4)对不同地应力环境下不同围岩结构的巷道围岩进行了瞬态热—应力耦合分析,数值模拟结果显示:静水应力场内热应力对巷道围岩稳定性的影响很小;构造应力场内热应力对巷道围岩稳定性的影响较大,巷道通风后,底板塑性区扩展较大;自重应力场内热应力对巷道围岩稳定性的影响最大,巷道通风后,底板塑性区明显扩展,底板破坏是由于拉应力造成的,对巷道围岩稳定性极为不利。现场观测结果证明热应力是引起巷道围岩塑性区扩展的重要因素之一。  (5)通过数值模拟研究了表面隔热对巷道围岩散热量及巷道围岩稳定性的影响,数值模拟结果显示:巷道铺设表面隔热层后,围岩散热量大大降低,围岩塑性区扩展缓慢;增加隔热层厚度对巷道围岩稳定性有利,但超过一定厚度后,其作用效果不再明显提高;表面隔热是深部高温巷道围岩稳定性控制的有效措施。
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