我国煤矿井下巷道工程量巨大,每年新开掘的巷道达上万公里。目前巷道顶板事故的起数在煤矿各类事故中占比最高,严重威胁了煤矿的安全高效生产。巷道顶板灾害的发生是由巷道围岩在应力作用下发生变形破坏所致,巷道围岩的稳定性与破坏区的形态及范围直接相关,巷道围岩稳定性控制也是根据巷道围岩破坏区的形态和范围来进行支护设计。掌握不同应力条件下巷道围岩破坏区的形态及范围扩展规律对于巷道围岩稳定性控制有着至关重要的作用。塑性区是通过岩石强度准则判定得到的理论意义上的破坏区,在采矿工程领域精度要求范围内,通常视塑性区为破坏区来研究地下工程中围岩的稳定性。本文以弹塑性理论为基础,采用理论分析、数值模拟、与已有岩石力学试验对比、现场观测等手段研究了非均匀应力场中巷道围岩塑性区的形态演化规律及塑性区扩展方向规律,推导出非均匀应力场中圆形巷道围岩塑性区形态判定准则及塑性区扩展蝶叶方位判据公式,并将其应用于高偏应力环境中巷道围岩稳定性分析中,形成了如下主要结论和创新性成果。1、建立了非均匀应力场中圆形巷道围岩塑性区形态判定准则,在理论上界定了圆形巷道围岩塑性区圆形、椭圆形、蝶形三种形态。(1)获得了非均匀应力场中圆形巷道围岩塑性区形态演化规律:围压比值为1时为双向等压条件,塑性区形态为圆形,随着围压比值的增大塑性区逐渐由圆形变为椭圆形,当围压比值达到一定值之后围岩将出现蝶形塑性区,之后塑性区形态以蝶形形态扩展。(2)提出了判定非均应力场中圆形巷道围岩塑性区形态的形态系数τ,推导出形态系数的理论公式:τ=m2/2m1式中(3)获得了非均匀应力场中圆形巷道围岩塑性区形态判定准则:(4)不同断面形状巷道围岩塑性区形态演化规律表现出一致性,应力环境和围岩自身力学性质满足蝶形塑性区形成条件时,无论巷道断面为何种形状,巷道围岩均会形成蝶形塑性区。巷道围岩蝶形塑性区一旦形成,巷道断面的形状对塑性区的蝶形形态影响不大,圆形巷道条件下得到的蝶形塑性区判定准则,在非圆形断面条件下依然适用。(5)相比于均质围岩条件下的规则形态,在层状组合岩体中,蝶形塑性区的形态会出现蝶叶缺失及穿透现象,尽管这些塑性区形态与标准蝶形直观上有所差别,但仍然符合蝶形塑性区的数学界定,蝶叶仍为围岩的最大破坏深度所在区域,而且位于两个主应力方向的夹角平分线附近,蝶形判定准则在层状围岩环境中仍然适用。2、发现了蝶形塑性区蝶叶的定向扩展特性,建立了巷道蝶形冒顶风险的方位判据。(1)非均匀应力场中圆形巷道周围环向应力场的分布规律导致应力的破坏强度在环向位置上呈现先增大后减小的倒“V”形尖角式分布,任何岩石材料均会优先在应力破坏强度大的倒“V”形尖角处发生破坏(基于摩尔库伦强度准则),最终形成了蝶形塑性区。(2)高应力水平和高围压比值是形成巷道围岩蝶形塑性区的两个必要应力条件。(3)蝶形塑性区最大半径线与最大围压方向夹角为蝶叶角,用θt表示,在理论上通过夹逼准则获得了蝶叶角分布范围计算公式:θAm(r/a,η)≤θt(r/a,η)≤θCm(r/a,η)可通过求解应力函数倒“V”形分布极值点的位置在理论上确定蝶叶角的范围。(4)发现了蝶形塑性区蝶叶定向扩展规律。通过理论计算、数值模拟及与已有岩石力学试验的对比发现,当巷道围岩出现蝶形塑性区后,塑性区将沿着蝶叶方向定向扩展。三种研究方法得到的蝶叶定向扩展规律一致,在数值上有微小差别,综合三种方法的范围,本文确定蝶叶角方向在38°-45°之间。(5)建立了巷道蝶形冒顶风险的方位判据,即:β=|α-θt|式中,β为蝶叶方位角,α为最大主应力方位角,θt为蝶叶角。主应力的方向会影响蝶叶的方位,当蝶叶位于巷道顶板正上方(β=0°),此时发生蝶形冒顶的风险最高。3、基于不同形态塑性区的力学特征,建立了塑性区形态与巷道围岩稳定性之间的定性关系。(1)与圆形、椭圆形塑性区相比,蝶形塑性区分布不均匀,塑性区主要集中在蝶叶部,且范围较大。一方面,需要更大的支护阻力来承载破碎岩体;另一方面,蝶叶区内的破碎岩石相当于软弱体受到周围弹性岩石集中挤压,使得支护体受力增大。蝶形塑性区出现后,对支护体的长度、强度及延伸率要求更高,更难以控制。(2)与圆形、椭圆形塑性区相比,蝶形塑性区对应力变化敏感,地下应力场的变化,如果其等效结果相当于在最大围压方向加载或是在最小围压方向卸荷,将可能诱发蝶形塑性区较大范围的扩展,此时需要支护的范围增大,且对支护体造成一定的冲击力,增大了巷道冒顶的风险。(3)与圆形、椭圆形形态相比,蝶形塑性区出现后,伴随非均匀破坏、大尺度和应力敏感性特征,增大了对巷道围岩支护体的要求,增加了巷道围岩冒顶的风险,巷道围岩出现蝶形破坏后需要引起警觉并采取相应的灾害预防措施。4、建立了基于塑性区形态及蝶叶方位判据的巷道蝶形冒顶隐患分析方法。(1)揭示了高偏应力场中巷道蝶形冒顶机理。在高偏应力场中巷道围岩形成了蝶形塑性区,塑性区蝶叶随着最大主应力的旋转发生偏转,当蝶叶方位角β=0°时,蝶叶旋转至巷道正上方,此时蝶形冒顶风险最高。顶板蝶叶区内岩石遭到严重破坏,同时伴有巨大膨胀压力和强烈变形,当锚杆(索)不能承受蝶叶内围岩重量时,巷道便发生蝶形冒顶。(2)建立了基于塑性区形态及蝶叶方位判据的巷道蝶形冒顶隐患分析方法。应用塑性区形态判定准则及蝶叶方位判据,对一定应力环境中的巷道围岩塑性区形态及蝶叶方位进行判定分析,提前掌握巷道围岩的稳定性。在巷道布置时尽量避开产生蝶形的位置,如果巷道围岩出现蝶形破坏应及时采取措施加强支护。5、应用蝶形冒顶隐患分析方法,揭示了保德矿回采巷道及国投某矿采空区下掘进巷道蝶形冒顶灾害发生的物理过程。(1)通过对比分析采动影响前后巷道围岩应力场特征及塑性区形态特征,揭示了保德矿回采巷道围岩受采动影响出现非对称大变形及发生巷道冒顶的力学机理。采空区侧方一定范围内形成了高偏应力环境,回采巷道处在高偏应力场中,围岩形成了蝶形塑性区;塑性区蝶叶随着主应力的方向发生旋转,当蝶叶处在巷道顶板正上方,巷道蝶形冒顶风险达到最高等级;此时巷道围岩变形破坏严重,支护不当会有发生冒顶的风险。(2)通过对比分析近距离煤层采空区下煤柱侧方不同位置巷道围岩应力场特征及塑性区形态特征,揭示了国投某矿采空区下掘进巷道受上方采空区影响出现非对称变形及发生巷道冒顶的力学机理。近距离煤层采空区下煤柱侧方受煤柱及上方采空区影响,一定范围内形成了高偏应力环境,原始方案巷道处在高偏应力场中,围岩形成了蝶形塑性区;且塑性区蝶叶随主应力方向旋转至巷道顶板附近,巷道顶板围岩变形破坏严重,此时支护不当会发生冒顶。(3)由于地下开采空间存在,应力场在采空区周围重新分布,导致周围局部范围内形成高偏应力环境。处在其中的巷道容易产生蝶形塑性区,对巷道围岩稳定性产生重要影响。基于塑性区形态及蝶叶方位判据的巷道蝶形冒顶隐患分析方法对于研究高偏应力场中巷道布置及围岩稳定性分析有较好的应用效果。