基于复变函数不同规格矩形巷道围岩应力分布规律解析

赵文环, 龙赣, 李进华. 基于复变函数不同规格矩形巷道围岩应力分布规律解析[J]. 矿产保护与利用, 2024, 44(4): 111-123. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2024.04.013
引用本文: 赵文环, 龙赣, 李进华. 基于复变函数不同规格矩形巷道围岩应力分布规律解析[J]. 矿产保护与利用, 2024, 44(4): 111-123. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2024.04.013
ZHAO Wenhuan, LONG Gan, LI Jinhua. Analysis of Stress Distribution Law of Surrounding Rock of Rectangular Roadway with Different Specifications Based on Complex Variable Function[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2024, 44(4): 111-123. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2024.04.013
Citation: ZHAO Wenhuan, LONG Gan, LI Jinhua. Analysis of Stress Distribution Law of Surrounding Rock of Rectangular Roadway with Different Specifications Based on Complex Variable Function[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2024, 44(4): 111-123. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2024.04.013

基于复变函数不同规格矩形巷道围岩应力分布规律解析

详细信息
    作者简介: 赵文环(1980-),男,云南个旧人,采矿工程师,主要从事采矿技术管理,E-mail:17708851492@163.com; 李进华,采矿高级工程师,毕业于昆明理工大学国土资源工程学院,于2009年获得采矿工程学士学位,现工作于云南锡业股份有限公司大屯锡矿,长期从事采矿技术管理及采矿方法研究工作,以第一作者在国内外学术期刊发表论文4篇,授权发明专利1项,实用新型1项
    通讯作者: 李进华(1985—),男,云南大理人,采矿高级工程师,主要从事采矿技术管理,E-mail:925312105@qq.com
  • 中图分类号: TD263

Analysis of Stress Distribution Law of Surrounding Rock of Rectangular Roadway with Different Specifications Based on Complex Variable Function

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  • 鉴于矩形巷道应用的广泛性,为深入剖析矩形巷道尺寸、侧压力系数等因素变化对巷道围岩应力的影响程度及规律,将矩形巷道围岩应力求解视为弹性力学孔口问题,采用复变函数理论与Schwartz−Chistoffel映射函数,结合保角变换进行分析得到ζ复平面单位圆ζ的解析函数φ0ζ)、ψ0ζ),再进行Laurent级数展开后,求得复势函数φζ)、ψζ)。经过进一步推导最终确定矩形巷道围岩环向应力解析解,在此基础上通过环向应力的极坐标表达,深入剖析了矩形巷道尺寸与侧压力系数变化下矩形巷道周边围岩应力变化规律以及影响程度。结果表明:取映射函数前三项计算,映射巷道断面已逼近于理论断面,可保证精度要求;随着巷道宽高比增大,以宽高比等于1为分界点,巷道围岩周边应力峰值先增大后减小;巷道帮部围岩应力随宽高比的增大逐渐减小,巷道顶底板围岩应力随宽高比的增大逐渐增大;侧压力系数越大,侧帮围岩应力峰值越大,顶底板应力峰值越小;侧帮围岩应力随侧压力的增大而增大,两者呈正相关,顶底板应力随侧压力增大而减小,两者呈负相关。

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  • 图 1  矩形巷道应力分析力学模型

    Figure 1. 

    图 2  Z平面矩形至ζ复平面内单位圆映射

    Figure 2. 

    图 3  不同宽高比时保角映射至直角坐标下的矩形巷道轮廓

    Figure 3. 

    图 4  λ=0.8时极坐标下不同w值围岩环向应力分布

    Figure 4. 

    图 5  不同宽高比下的围岩应力分布(a—侧压力系数为0.6; b—侧压力系数为1.0; c—侧压力系数为1.4; d—侧压力系数为1.8; e—侧压力系数为2.2)

    Figure 5. 

    图 6  w=1.0时极坐标下不同λ值围岩环向应力分布

    Figure 6. 

    图 7  不同侧压力系数下(a—宽高比为0.6; b—宽高比为1.0; c—宽高比为1.4; d—宽高比为1.8; e—宽高比为2.2)的围岩应力分布图

    Figure 7. 

    图 8  最大应力集中系数Kc随侧压力系数(a)及宽高比(b)的变化规律

    Figure 8. 

    图 9  数值计算模型

    Figure 9. 

    图 10  宽高比为1时不同侧压力系数下的应力云图(a—侧压力系数为0.8; b—侧压力系数为1.0; c—侧压力系数为1.4)

    Figure 10. 

    图 11  侧压力系数为1时不同宽高比下的应力云图(a—宽高比为0.6; b—宽高比为1.0; c—宽高比为1.4)

    Figure 11. 

    表 1  不同宽高比情况下矩形巷道保角变换参数

    Table 1.  Parameter of conformal transformation for rectangular chambers under different aspect ratios

    方案 1 2 3 4 5
    高度/2b 4.5 m 4.5 m 4.5 m 4.5 m 4.5 m
    宽度/2a 2.7 m 4.5 m 6.3 m 8.1 m 9.9 m
    宽高比/w 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2
    k 0.291 0.252 0.234 0.214 0.201
    R 2.147 2.700 3.233 3.730 4.226
    m1 −0.255 −0.013 0.100 0.224 0.321
    m3 −0.156 −0.167 −0.165 −0.158 −0.151
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    表 2  环向应力集中系数Kc最大值对应位置

    Table 2.  Corresponding positions for the maximum value of circumferential stress concentration coefficient Kc

    宽高比侧压力系数
    0.20.60.81.01.4
    0.646°/3.72848°/4.54049°/5.08250°/5.68751°/7.014
    1.041°/4.15044°/4.90944°/5.43245°/6.01646°/7.292
    1.438°/4.11840°/4.85641°/5.32242°/5.84143°/7.009
    1.835°/4.11437°/4.72638°/5.13739°/5.61240°/6.666
    2.233°/4.06635°/4.59036°/4.95337°/5.37138°/6.326
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    表 3  岩体力学参数

    Table 3.  Rock mechanics parameters

    岩体密度
    /(kg·m−3)
    内聚力
    /MPa
    地应力
    /MPa
    内摩擦
    角/(°)
    弹性
    模量/GPa
    泊松比
    3.34 1.35 11 32 5 0.25
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出版历程
收稿日期:  2023-04-24
刊出日期:  2024-08-15

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