内容简介
《倾斜煤层巷道变形破坏机理及控制技术》以石炭井二矿区倾斜煤层巷道为工程背景，通过理论分析、数值模拟、相似物理模型试验及现场工程试验，研究倾斜煤层巷道围岩应力及变形破坏规律、主应力传递路径的演化特征，以及主应力方向偏转的自稳平衡圈失稳机制，同时提出了倾斜煤层巷道围岩变形的控制技术。通过《倾斜煤层巷道变形破坏机理及控制技术》，读者能够了解倾斜煤层巷道围岩的力学行为和破坏机理，掌握有效的围岩控制技术，提高煤矿机械系统自动化效率，并为实际工程提供参考和指导。全书以简明扼要的方式呈现研究成果，重点突出理论分析、数值模拟和实验研究，适合矿山工程专业人员和相关领域的研究者阅读。
精彩书摘
第一章 绪论
第一节 选题背景及研究意义
中国是世界上煤炭生产和消费大国之一，随着煤炭开采技术及经济水平的不断提高，我国煤炭产量持续增长。进入21世纪后，随着煤炭的大量开采，东部地区、中部地区开采条件简单的煤炭储量日益枯竭，导致煤炭资源的开采向西部地区和深部区域转移。目前，西部地区是我国煤炭资源主要赋存地，占煤炭资源总量的86.5%以上，主要分布在陕、甘、内蒙古、藏、新、青、宁、川、黔、滇等省（区）。
在我国煤炭总储量中，急倾斜煤层的储量约占4%，大倾角煤层储量约占20%，而倾斜煤层储量约占35%，特别在西南部地区部分矿区，占比甚至高达60%以上，且可采储量达到10%。从上述文献可以看出倾斜煤层占比最大，说明倾斜煤层的开采对我国煤炭资源的利用具有举足轻重的作用。
直角梯形（斜顶）巷道在倾斜煤层中应用广泛，但是由于受巷道断面的不规则性和煤层倾角效应影响，导致其应力及位移分布规律复杂，理论计算困难，目前国内外学者关于倾斜煤层直角梯形巷道的相关研究较少。大量工程实践表明，倾斜煤层直角梯形巷道围岩呈现严重的非对称变形破坏特征，然而由于尚未真正掌握其非对称变形破坏规律和渐进性失稳机理，往往巷道支护效果不佳，维护异常困难。
相关研究和实践表明，由于煤层倾角、巷道断面形状、地质条件等多种因素的影响，巷道所处应力场会变得更为复杂，其复杂性不仅体现在应力场大小的增减，应力场方向也会发生改变。但是一直以来，对巷道围岩非对称变形破坏机理及控制方法的研究多侧重于应力大小的改变，很少涉及应力方向的偏转对巷道围岩稳定性的影响。
经典巷道围岩控制理论可以概括为应力状态恢复改善、围岩增强、破裂固结与损伤修复、应力转移与承载圈扩大，其中应力状态恢复改善包含应力大小和角度的恢复改善，应力转移囊括应力量值和方向偏转的转移。因此，需要综合考虑围岩应力场矢量特征，对巷道围岩控制理论进一步系统的研究，对现有的支护方法进行重新解构，对复杂地质及应力环境下的巷道支护设计提出新的设想。
综上所述，针对倾角及断面形状影响下倾斜煤层巷道应力分布及变形破坏机理仍缺乏系统研究，考虑主应力大小及方向组合作用对巷道围岩稳定性影响的研究鲜有报道，在围岩控制技术方面仍需要完善。因此，本书拟针对非对称应力分布和应力方向偏转组合条件下倾斜煤层巷道围岩变形破坏机理、考虑主应力方向偏转的自稳平衡圈承载机制及稳定性调控机理这两个关键科学问题，通过理论分析、数值模拟、相似物理模型试验及现场监测等互馈的方法，对倾斜煤层巷道围岩变形破坏机理进行系统研究，揭示此类巷道围岩非对称应力分布及变形破坏机理、主应力偏转对围岩的驱动效应及主应力偏转下自稳平衡圈渐变失稳特征，对倾斜煤层直角梯形巷道围岩控制方法进行改进，并提出相应的控制技术。研究成果可为倾斜煤层巷道围岩稳定性控制提供理论指导，对倾斜煤炭资源安全高效的开采具有重要意义。
第二节 国内外研究现状
一、倾斜煤层巷道围岩应力及变形理论计算研究
倾斜煤层巷道开挖由于受煤层倾角、煤层厚度、围岩强度及巷道功能等因素的影响，且煤层强度较小，顶板的强度大于帮部，则大多数巷道沿煤层顶板布置，形成非规则异形断面，特别是煤层倾角小于45°时，直角梯形（斜顶）巷道应用率基本达到100%。因此，开展直角梯形巷道围岩力学理论分析方法的研究，获取其巷道围岩应力及位移分布规律，对倾斜煤层安全高效开采具有十分重要的理论意义。
……
目录
第一章 绪论 1
第一节 选题背景及研究意义 1
第二节 国内外研究现状 2
一、倾斜煤层巷道围岩应力及变形理论计算研究 2
二、倾斜煤层巷道围岩非对称变形破坏机理研究 5
三、倾斜煤层巷道围岩变形控制理论研究 7
四、倾斜巷道围岩非对称支护技术研究 9
第三节 存在的主要问题 13
第四节 研究内容及方法 14
第五节 技术路线 15
第二章 倾斜煤层巷道围岩应力及变形力学分析 16
第一节 巷道围岩变形的现场监测 16
第二节 复变函数理论及映射函数求解 19
一、映射函数求解方法改进 19
二、应力及位移求解的保角变换 22
第三节 倾斜煤层巷道围岩力学模型建立与求解 25
一、力学模型的建立 25
二、映射函数求解算法性能分析 26
三、映射函数系数的求解 28
四、复位势函数求解 30
五、巷道围岩应力求解 33
六、巷道围岩位移求解 36
第四节 巷道围岩应力及变形分布特征 37
一、巷道计算方位布置 37
二、不同倾角对巷道围岩应力分布及变形的影响 37
三、不同断面形状对巷道围岩应力分布及变形的影响 43
第五节 巷道围岩渐进破坏演化机理 46
一、巷道围岩渐进破坏力学分析 46
二、巷道围岩渐进破坏演化特征 48
三、巷道围岩非对称变形度 49
第六节 本章小结 54
第三章 倾斜煤层巷道围岩变形破坏数值模拟分析 56
第一节 数值计算模型的建立 56
一、计算参数的选取 56
二、计算模型的建立 57
第二节 巷道围岩应力分布及变形破坏规律 58
一、不同倾角对巷道应力分布及变形的影响 58
二、不同断面形状对巷道应力分布及变形的影响 66
第三节 巷道围岩塑性区演化特征 74
一、不同倾角对巷道围岩塑性区的影响. 74
二、不同断面形状对巷道围岩塑性区的影响 76
三、巷道围岩塑性区渐进性扩展规律 78
第四节 本章小结 79
第四章 倾斜煤层巷道围岩变形破坏相似模型试验 80
第一节 相似物理模型试验方案 80
一、相似原理 80
二、试验方案设计 81
三、试验设备 84
四、材料力学性能的测定 86
第二节 模型的制作和测试方法 87
一、应力监测点布置 87
二、模型的制作 88
三、测试方法 89
第三节 巷道围岩应力演化特征 89
一、不同倾角巷道围岩应力分布规律 89
二、不同断面形状巷道围岩应力分布规律 94
三、倾角及断面形状对巷道围岩应变分布的影响 99
第四节 巷道围岩变形演化特征. 101
一、不同倾角巷道围岩变形规律. 101
二、不同断面形状巷道围岩变形规律 111
第五节 巷道围岩裂隙场分布特征 121
第六节 巷道围岩渐进性变形破坏 124
第七节 本章小结 125
第五章 倾斜煤层巷道围岩主应力偏转效应与失稳分析 127
第六章 倾斜煤层直角梯形巷道围岩变形控制技术研究 156
第七章 结论与展望 195
参考文献 200
试读
第一章 绪论
第一节 选题背景及研究意义
中国是世界上煤炭生产和消费大国之一，随着煤炭开采技术及经济水平的不断提高，我国煤炭产量持续增长。进入21世纪后，随着煤炭的大量开采，东部地区、中部地区开采条件简单的煤炭储量日益枯竭，导致煤炭资源的开采向西部地区和深部区域转移。目前，西部地区是我国煤炭资源主要赋存地，占煤炭资源总量的86.5%以上，主要分布在陕、甘、内蒙古、藏、新、青、宁、川、黔、滇等省（区）。
在我国煤炭总储量中，急倾斜煤层的储量约占4%，大倾角煤层储量约占20%，而倾斜煤层储量约占35%，特别在西南部地区部分矿区，占比甚至高达60%以上，且可采储量达到10%。从上述文献可以看出倾斜煤层占比最大，说明倾斜煤层的开采对我国煤炭资源的利用具有举足轻重的作用。
直角梯形（斜顶）巷道在倾斜煤层中应用广泛，但是由于受巷道断面的不规则性和煤层倾角效应影响，导致其应力及位移分布规律复杂，理论计算困难，目前国内外学者关于倾斜煤层直角梯形巷道的相关研究较少。大量工程实践表明，倾斜煤层直角梯形巷道围岩呈现严重的非对称变形破坏特征，然而由于尚未真正掌握其非对称变形破坏规律和渐进性失稳机理，往往巷道支护效果不佳，维护异常困难。
相关研究和实践表明，由于煤层倾角、巷道断面形状、地质条件等多种因素的影响，巷道所处应力场会变得更为复杂，其复杂性不仅体现在应力场大小的增减，应力场方向也会发生改变。但是一直以来，对巷道围岩非对称变形破坏机理及控制方法的研究多侧重于应力大小的改变，很少涉及应力方向的偏转对巷道围岩稳定性的影响。
经典巷道围岩控制理论可以概括为应力状态恢复改善、围岩增强、破裂固结与损伤修复、应力转移与承载圈扩大，其中应力状态恢复改善包含应力大小和角度的恢复改善，应力转移囊括应力量值和方向偏转的转移。因此，需要综合考虑围岩应力场矢量特征，对巷道围岩控制理论进一步系统的研究，对现有的支护方法进行重新解构，对复杂地质及应力环境下的巷道支护设计提出新的设想。
综上所述，针对倾角及断面形状影响下倾斜煤层巷道应力分布及变形破坏机理仍缺乏系统研究，考虑主应力大小及方向组合作用对巷道围岩稳定性影响的研究鲜有报道，在围岩控制技术方面仍需要完善。因此，本书拟针对非对称应力分布和应力方向偏转组合条件下倾斜煤层巷道围岩变形破坏机理、考虑主应力方向偏转的自稳平衡圈承载机制及稳定性调控机理这两个关键科学问题，通过理论分析、数值模拟、相似物理模型试验及现场监测等互馈的方法，对倾斜煤层巷道围岩变形破坏机理进行系统研究，揭示此类巷道围岩非对称应力分布及变形破坏机理、主应力偏转对围岩的驱动效应及主应力偏转下自稳平衡圈渐变失稳特征，对倾斜煤层直角梯形巷道围岩控制方法进行改进，并提出相应的控制技术。研究成果可为倾斜煤层巷道围岩稳定性控制提供理论指导，对倾斜煤炭资源安全高效的开采具有重要意义。
第二节 国内外研究现状
一、倾斜煤层巷道围岩应力及变形理论计算研究
倾斜煤层巷道开挖由于受煤层倾角、煤层厚度、围岩强度及巷道功能等因素的影响，且煤层强度较小，顶板的强度大于帮部，则大多数巷道沿煤层顶板布置，形成非规则异形断面，特别是煤层倾角小于45°时，直角梯形（斜顶）巷道应用率基本达到100%。因此，开展直角梯形巷道围岩力学理论分析方法的研究，获取其巷道围岩应力及位移分布规律，对倾斜煤层安全高效开采具有十分重要的理论意义。
……
前言/序言
煤炭资源在我国能源战略中具有举足轻重的地位，而倾斜煤炭储量约占煤炭资源总量的35%，其开发利用对我国能源供给至关重要。然而，倾斜煤层巷道的围岩应力环境异常复杂，呈现明显的非对称变形破坏特征，导致巷道支护难度极大，严重制约了倾斜煤层煤炭资源的安全高效开采。此外，巷道断面形状及煤层倾角效应对围岩应力一变形的力学分析带来困难，主应力大小和方向的传递规律也尚不清晰。目前，对倾斜煤层巷道围岩应力分布及变形破坏机理缺乏系统研究，对巷道围岩的控制技术研究亦需进一步完善。
为解决这一问题，本书以石炭井二矿区倾斜煤层巷道为工程背景，采用理论分析、数值模拟、相似物理模型试验及现场工程试验等多种研究方法，对倾斜煤层巷道围岩应力及变形破坏分布规律、主应力传递路径的演化特征、考虑主应力方向偏转的自稳平衡圈失稳机制进行深入探究，并提出了倾斜煤层直角梯形巷道围岩变形的控制技术。
主要工作及研究成果如下：
（1）通过利用复变函数及弹性力学理论，构建了倾斜煤层巷道围岩力学模型，并对映射函数求解方法进行改进，引入倾角系数，推导出适用于任意倾角及断面形状的巷道围岩应力及位移的解析解，揭示了倾斜煤层巷道围岩的非对称应力分布规律及渐进破坏机理，即从左帮（高帮）顶角位置开始，破坏逐渐扩展至两帮浅部围岩，顶板有效长度增加，然后两帮破坏向深部延伸，形成破坏的恶性循环。此外，本书基于巷道围岩位移解析解和计算几何，建立了倾斜煤层巷道非对称变形度计算模型，实现了具有时序性和区域性的巷道非对称变形程度的定量化和可视化表征。
（2）采用数值模拟方法，对不同倾角、不同断面形状的倾斜煤层巷道在不同荷载作用下的围岩应力、变形及塑性区进行深入分析。结果显示，倾斜煤层巷道围岩呈现渐进性非对称破坏规律，其中巷道围岩应力峰值及应力集中区表现出右帮（低帮）大于左帮（高帮）的非对称分布特征，且倾角越大，非对称特征越明显。随着荷载的增加，巷道围岩应力集中程度及变形增大，应力集中区由浅部向深部转移。特别是直角梯形巷道围岩表现出最为严重的非对称应力集中程度和变形破坏。
（3）开展了不同倾角、不同断面形状倾斜煤层巷道相似物理模型试验，并改进了数字图像相关（DIC）测量技术，实现了巷道围岩应力场及主应变偏转轨迹的实时监测。试验结果揭示了非对称应力分布及应力方向偏转组合条件下倾斜煤层巷道围岩变形破坏规律，发现直角梯形巷道顶板岩层形成非对称拱形主应变传递包络特征，且自稳平衡圈呈现向左帮（高帮）偏转的半椭圆形。倾角越大，巷道围岩非对称变形破坏越明显。直角梯形巷道变形破坏最为严重，其左帮（高帮）顶角位置首先出现沿煤层倾斜方向的裂隙，该裂隙的扩展作为巷道围岩渐进性变形破坏的诱发点，是巷道围岩稳定性控制的关键。
（4）基于弹性力学理论及数值模拟分析，本书推导出倾斜煤层直角梯形巷道围岩主应力矢量场及应力传递路径呈现非对称演化特征。通过相似物理模型试验验证，揭示了主应力偏转对巷道围岩变形破坏的驱动效应。由此定义了巷道围岩稳定度Fs，并提出了巷道左帮（高帮）尖角处裂隙发育控制方法，划分了围岩主应力方向敏感区，可在巷道左帮（高帮）尖角处布设锚杆来改变主应力偏转轨迹，提高巷道围岩稳定度。
（5）建立了考虑主应力方向偏转的倾斜煤层直角梯形巷道自稳平衡圈力学模型，分析了其边界应力状态，阐明了自稳平衡圈稳定性调控机制。结合巷道围岩非对称应力分布、主应力偏转效应及渐进变形破坏特征，提出了非对称支护原则，即锚杆（索）、金属网非对称联合支护，加强巷道薄弱部位的支护，根据主应力偏转角度进行差异化支护，优化锚杆（索）安装角度。在此基础上，设计了“锚杆（索）向右帮（低帮）倾斜布置，帮角弱化区加密加长支护”的非对称支护方案，并进行了数值模拟及现场工程试验验证，支护效果良好。
本书的研究成果可为倾斜煤层巷道围岩稳定性的提升和巷道支护技术的优化提供相关理论和实践指导。
由于笔者水平和编写时间有限，书中难免存在错误和不足之处，恳请广大读者阅读时能够批评指正，以帮助我们改进和完善。
熊咸玉
2023年9月
