动力扰动下深部出矿巷道围岩的变形特征

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.02.232

动力扰动下深部出矿巷道围岩的变形特征

王春^,¹^,²^,³, 王成¹, 熊祖强¹, 程露萍¹^,², 王怀彬¹

1. 河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000

2. 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083

3. 煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南焦作 454000

Deformation Characteristics of the Surrounding Rock in Deep Mining Roadway Under Dynamic Disturbance

WANG Chun^,¹^,²^,³, WANG Cheng¹, XIONG Zuqiang¹, CHENG Luping¹^,², WANG Huaibin¹

1. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Henan，China

2. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan，China

3. The Collaborative Innovation Center of Coal Safety Production of Henan，Jiaozuo 454000，Henan，China

收稿日期: 2018-04-14 修回日期: 2018-11-07 网络出版日期: 2019-04-29

基金资助:

河南省高校重点科研项目“地热新能源合理开采涉及的气—水—岩三态平衡机制研究”（编号：18A440014）、河南理工大学博士基金项目“高静载高温状态下深部岩石动力学特性研究”（编号：672707）、河南省重点研发与推广专项（科技攻关）项目“气液自行循环开采高温岩体地热能技术研究” （编号：192102310247）和深井瓦斯抽采与围岩控制技术国家地方联合工程实验室开放研究基金项目“高静载卸荷过程中受冲击小扰动时煤岩的破坏机理”. 编号：SJF201803

Received: 2018-04-14 Revised: 2018-11-07 Online: 2019-04-29

作者简介 About authors

王春（1986-），男，安徽淮南人，讲师，从事岩石冲击动力学和采矿工艺方面的研究工作wczy115728@163.com , E-mail：wczy115728@163.com

摘要

以冬瓜山铜矿井下900 m深处的出矿巷道作为研究对象，基于“隔一采一充一”阶段凿岩、分段崩落的回采方案，利用FLAC^3D数值模拟软件研究了静动态开挖过程中出矿巷道围岩的变形特征。模拟相关岩体力学参数由三轴压缩及频繁冲击扰动试验数据折减获得，采用Mohr-Coulomb模型进行静态开挖分析，结合Strain-Softening模型进行动态扰动影响模拟分析。研究结果表明：爆破产生的扰动促使围岩变形加剧，但不会改变静态开挖时围岩变形演化的规律；开挖时巷道周边产生应力卸荷现象，且顶板出现拉应力，靠近采场巷道两帮应力离散性大，造成顶板易产生拉伸破坏，靠近采场巷道两帮易发生片帮；结合深部出矿巷道实际稳定情况，推测巷道顶板及靠近采场部位易产生破坏，需加强支护，其余部位稳定性相对较好。

关键词： 深部开采 ; 动力扰动 ; 采矿方案 ; 数值模拟 ; 出矿巷道 ; 变形特征

Abstract

When deep rock mass is in a complex geological and mechanical environment, factors such as high stress and blasting disturbance usually affect the stability of surrounding rock in deep roadway directly.At present,the research analysis to deformation characteristics of surrounding rock in deep mine roadway is still inadequate,especially the actual destruction of roadway surrounding rock.So it is significant to study deformation characteristics of surrounding rock under dynamic disturbance, which can provide theoretical reference for supporting deep roadway surrounding rock.Through the investigation and analysis of engineering geological conditions of Dongguashan copper mine and occurrence conditions of No.Ⅰ orebody, the study on deformation regularity of roadway surrounding rock under static and dynamic load was conducted, and the numerical model is established according to the mining scheme.Therefore,taking the mine roadway of Dongguashan copper mine in the downhole 900 m deep as the research object,FLAC^3D numerical simulation software was used to analyze the deformation characteristics of surrounding rock in the mining roadway, which based on the stopping scheme of the stage drilling block caving about “one charge one by one”.At first, the static and dynamic mechanical parameters of marble, skarn, serpentine, siltstone were measured through the indoor rock mechanics test, then the static and dynamic parameters of rock mass were obtained based on the generalized hoek-brown criterion. That is also to say, the simulated mechanical parameters of rock mass were obtained by reduced triaxial compression and frequent impact perturbation test data.After the establishment of the numerical calculation model, the Mohr-Coulomb model was used for static excavation analysis, and the dynamic disturbance impact simulation analysis was carried out with the Strain-Softening model, both of them were used to analyze the stress evolution and displacement evolution in roof and floor of roadway as well as both sides of surrounding rock.At last, the accuracy of the numerical simulation results was analyzed based on the actual failure of surrounding rock in the deep excavation of Dongguashan copper mine.The results show that the static and dynamic softening parameters of deep rock mass are obtained by reduction,based on test data of triaxial compression and frequent disturbance,which can be used as the basic parameters of numerical simulation analysis.What’s more, stress unloading occurred around the roadway, tensile stress appeared on the roof, while the stress on the floor was relatively small.The stress dispersion of the roadway side near the stope is greater than other side, and the change trend of stress isn’t obvious during dynamic disturbance.With the proceeding of excavation, the displacement increment of the roadway roof and the side roadway near the stope is larger than the side roadway deviated from the stope.At the same time, the roadway floor appears stable period, that is, the displacement does not change.Combined with the actual failure situation of surrounding rock in deep mining roadway, it can be speculated that roadway roof and the side roadway near the stope are prone to damage.As a result,the support should be strengthened and the rest parts are relatively stable.

Keywords： deep mining ; dynamic disturbance ; mining method ; numerical simulation ; ore-drawing roadway ; deformation characteristics

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本文引用格式

王春, 王成, 熊祖强, 程露萍, 王怀彬. 动力扰动下深部出矿巷道围岩的变形特征[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(2): 232-240 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.02.232

WANG Chun, WANG Cheng, XIONG Zuqiang, CHENG Luping, WANG Huaibin. Deformation Characteristics of the Surrounding Rock in Deep Mining Roadway Under Dynamic Disturbance[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(2): 232-240 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.02.232

深部岩体处于复杂的地质环境中，尤其是高应力及爆破扰动直接影响深部巷道围岩的稳定性^{[1,2,3,4,5,6]}。探索深部巷道围岩损伤演化规律，可为其稳定性控制技术研究提供理论参考。国内外学者针对岩体受动态扰动影响的力学行为进行了相关研究，所得结果可作为深部巷道围岩变形破坏特征研究的基础。李夕兵等^[7,8]采用自主改进的SHPB试验设备研究了深部岩石的动力学特性，所获得的成果可作为深部巷道围岩变形控制的理论参考。一些学者运用FLAC^3D模拟分析了爆破震动对采空区稳定性的影响^[9,10,11]；朱万成等^[12]、唐春安等^[13]利用RFPA数值软件模拟了不同侧压力系数条件下动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的整个过程；龙源等^[14]分析深孔爆破地震动测试数据并编制了有限元计算程序；李占金等^{[15,16,17,18]}模拟分析了深部大规模开采时围岩的稳定性。此外，还有一些研究采用ABAOUS有限元软件模拟分析了动力扰动下含软弱夹层巷道围岩的稳定性^[19,20]。综上所述，涉及深部采场底部出矿巷道围岩变形特征的分析，尤其是结合巷道围岩实际破坏情况进行探讨的研究尚显不足。本文基于冬瓜山铜矿井下900 m采场回采的工况，进行出矿巷道围岩数值模拟分析，推测巷道围岩最易发生破坏的区域及形式，为类似矿山巷道围岩支护提供理论参考。

1 工程地质条件及采矿方案

1.1 工程地质条件

冬瓜山铜矿Ⅰ号矿体主要赋存于黄龙组和船山组中，位于青山背斜轴部，埋深高达千米，目前开采水平位于-850 m高程以下，该矿山可归类为典型的深部矿山。矿山矿体主要由含铜矽卡岩和含铜蛇纹岩组成，节理裂隙不发育，整体稳定性好。矿体的直接顶板由灰白色中、厚层状白云化及白云质大理岩和浅灰—灰白色厚层状、糖粒状大理岩构成，厚度为46~68 m。矿体底板则以高丽山组岩石为主，岩性主要为角岩化粉砂岩，厚度为14~24 m。

1.2 采矿方案

根据Ⅰ号矿体的赋存条件，冬瓜山铜矿采用阶段凿岩分段崩落空场嗣后充填法回采矿体，采场沿矿体走向布置，其高度为矿体厚度，宽度为54 m。垂直矿体走向将采场划分为宽18 m的条带，按矿房、矿柱分步进行回采，即按照“隔一采一充一”的顺序完成矿房、矿柱的回采及采空区的充填。如图1所示，依次开采①、③、⑤号条带，②、④号条带作为矿柱维持采场稳定；开采⑤号条带的同时，充填①号采空区；待①、③号采空区充填完成后，再采②号条带并充填。每个条带开采时，先由堑沟巷道钻凿上向扇形炮孔，爆破形成受矿堑沟；再由条带顶部的凿岩硐室钻凿下向垂直钻孔，分段崩落矿石，分段高度为10 m。

图1

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图1 阶段凿岩分段崩落空场嗣后充填采矿法

Fig.1 Stope filling mining method is adopted in the stage of subsection caving

2 数值计算模型及方案

2.1 模型建立

冬瓜山铜矿施行“隔一采一充一”阶段凿岩分段崩落嗣后充填采矿方案，为研究动力扰动下深部出矿巷道围岩变形特征，主要考虑开挖对围岩的不利影响，而充填对围岩产生的有利条件暂不考虑。基于采场开挖的顺序，建立模型的长、宽、高分别为160，1，150 m，从上至下的岩层分别为大理岩、矽卡岩、蛇纹岩和粉砂岩，各岩层高分别为50.00，40.00，13.75，46.25 m，建模思路见图2。

图2

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图2 数值模型建模思路示意图

Fig.2 Schematic diagram of numerical model modeling

2.2 初始应力及边界条件

（1）初始应力：基于冬瓜山铜矿深部地应力大小，假设垂直方向的应力为最大主应力，水平方向的应力为最小主应力和中间主应力。最终确定σ₁，σ₂，σ₃的值分别为38.1，33.1，31.1 MPa。

（2）静力分析边界条件：初始应力计算时，模型上边界施加的压力大小等于最大主应力σ₁，设定该边界为自由面；模型垂直x方向及垂直y方向的边界面，设定为滚动支撑；模型底边受到岩层的约束，设定为固定支撑。

（3）动力分析边界条件：当进行动力分析时，动力荷载施加在模型内部开挖边界面上，应力波沿垂直于开挖边界面的方向传播。为减少模型外部边界对应力波的反射，将模型垂直x方向及垂直y方向的边界条件设置为静态边界，其能够有效地吸收入射到边界上的入射波。

2.3 模拟方案及内容

（1）数值模拟方案。基于冬瓜山铜矿作业工况，模拟相邻2个采场采矿时出矿巷道围岩的状态，开挖模拟分为14步完成，即逐步开挖出矿巷道1、出矿巷道2、堑沟巷道1、采场1、堑沟巷道3和采场3，其中采场1和采场3分段开挖，即由下至上各分为5段进行开挖。数值模拟时先进行静力开挖模拟，在静力分析的基础上再进行动力开挖模拟。

（2）数值模拟内容。①分析静力开挖时，深部出矿巷道围岩应力和位移的演化规律；②分析动力扰动影响时，深部出矿巷道围岩应力和位移的演化规律；③对比分析静力与动力模拟结果，并结合深部出矿巷道围岩变形特征，推测巷道围岩变形破坏的区域。

2.4 静动力学参数

（1）静力学参数：对采场开挖进行静力学分析时，采用Mohr-Coulomb塑性本构模型。基于广义Hoek-Brown准则，采用RocLab软件将三轴压缩条件下岩石力学参数进行折减，详见表1。

表1 折减后岩体静力学参数

Table 1 Statics parameters of rock mass after reduction

岩性	c_d/MPa	φ_d/(°)	抗拉强度/MPa	抗压强度/MPa	变形模量/GPa
大理岩	2.45	33.66	0.24	4.91	8.45
矽卡岩	4.91	44.98	0.05	5.92	13.92
蛇纹岩	4.70	37.02	0.62	12.17	6.59
粉砂岩	3.29	26.94	2.37	11.17	13.85

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（2）动力学参数：深部岩体受多次冲击扰动后，内部损伤加剧，出现应变软化的现象，故采用FLAC^3D内置的Strain-Softening塑性模型进行动力分析。将静力计算中发生塑性变形单元体的本构模型设置为Strain-Softening模型，然后施加动力荷载进行动力分析。动力分析所涉及的岩体动力学软化参数由频繁冲击扰动条件下岩石的动力学参数折减获得，详见表2。

表2 矽卡岩和蛇纹岩岩体动力学软化参数指标

Table 2 Dynamical softening parameter index of rock mass of skarn and serpentine

岩性	冲击扰动次数n/次	抗压强度/MPa	变形模量/GPa	泊松比	c_d/MPa	φ_d/(°)	τ_d/MPa	G_d/GPa	γ_d/ε
矽卡岩	0	22.29	153.16	0.27	7.30	19.86	15.35	60.30	2.55E-04
	5	21.80	127.89	0.27	7.14	19.78	14.98	50.35	2.98E-04
	10	20.53	112.50	0.27	6.74	19.56	14.04	44.29	3.17E-04
	15	18.49	83.11	0.27	6.10	19.17	12.53	32.72	3.83E-04
	20	15.66	69.86	0.27	5.21	18.53	10.46	27.50	3.90E-04
	25	12.02	64.33	0.27	3.99	16.84	7.63	25.33	4.01E-04
蛇纹岩	0	14.98	103.34	0.24	4.97	18.65	10.03	41.67	2.41E-04
	5	14.69	81.90	0.24	4.88	18.57	9.82	33.03	2.97E-04
	10	13.69	67.08	0.24	4.58	18.27	9.10	27.05	3.36E-04
	15	13.00	57.00	0.24	4.38	18.05	8.61	22.98	3.75E-04
	20	10.28	50.65	0.24	3.56	17.02	6.70	20.42	3.98E-04

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3 模拟结果分析

采用FLAC^3D软件模拟分析冬瓜山铜矿井下采矿过程中出矿巷道围岩的动态响应，基于作业工况，经初始应力计算分析后，先进行静力计算分析，再进行巷道内部动荷载计算分析。

3.1 理论基础

（1）阻尼比和中心频率确定^[21]。根据岩土工程动力分析的经验，设置阻尼比为0.5%；由于建立的模型较简单，采用自振频率代替中心频率，经模拟计算，中心频率取值为3.10 Hz。

（2）动力荷载。

①临界振动速度判定。依据矿山以往的爆破监测结果，冬瓜山铜矿深部围岩振动速度幅值经验公式可表示为^[22]

V = 309.1007 {(\frac{\sqrt[3]{Q}}{R})}^{1.6032}, r = 0.8201

（1）

式中：V为临界振动速度（m/s）；Q为单循环总耗炸药量（kg）；R为离爆破点的距离（m）。

$②$ 为与室内高静载频繁动力扰动试验相结合，将爆破产生的振动速度时程转换成应力时程，施加到模型内部开挖边界上^[11]，转换公式为

σ_{n} = - 2 (ρ C_{p}) ν_{n}

（2）

式中： $σ_{n}$ 为施加在模型内部边界上的法向应力； $ν_{n}$ 为模型边界上的法向速度分量； $C_{p}$ 为纵波波速； $ρ$ 为岩石密度。

③动荷载幅值。巷道内部动荷载：单次循环炸药量为22.45 kg，离爆破点距离R=2.25 m，由式（1）~（2）计算得到， $ν_{n}$ =444.19 cm/s； $σ_{n}$ =14.23 MPa。采场内部动荷载：10 m分层爆破，单次循环炸药量为 9 942.85 kg，离爆破点距离R=11.45 m，同理计算得到， $ν_{n}$ =848.97 cm/s； $σ_{n}$ =27.20 MPa。基于现场监测结果，施加于模型内部开挖边界上的应力波频率取100 Hz，作用时间取半个周期，波形设置为正弦应力波。

3.2 巷道围岩监测点设置

为分析冬瓜山深部出矿巷道围岩的应力、位移变化规律，进行模拟计算时，在出矿巷道顶板、底板及两帮设置相应的监测点，监测点相距2 m，具体位置详见图3。

图3

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图3 数值计算过程中监测点位置

Fig.3 Location of monitoring points during numerical calculation

3.3 围岩应力演化规律

静动力开挖数值模拟计算结束后，通过分析出矿巷道顶板、底板监测点应力随开挖次序变化的规律，可了解巷道顶、底板围岩的应力演化规律。各监测点应力演化规律见图4。

图4

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图4 顶、底板监测点应力随开挖次序的演化规律

Fig.4 Evolution rule of stress of monitoring points in top and bottom plates with excavation sequence

由图4可知，随着监测点与巷道周边距离的加大，相应应力值增大，说明巷道开挖、采场采矿等活动导致巷道围岩应力释放，产生了卸荷现象。当进行静力分析时，巷道顶板监测点4的位置出现应力为负的现象，即产生了拉伸应力，说明巷道顶板处易产生拉伸破坏；巷道底板应力多处于零状态，说明底板受开挖顺序的影响较小，是巷道围岩最稳定的部位。动力分析时，随着开挖活动的进行，巷道顶底板应力出现起伏变化，但总体上趋于恒定，说明动力扰动的影响具有瞬时性，其仅促进围岩某一时刻产生损伤，动力扰动后围岩的损伤仍由静应力所致。因此，认为动力扰动仅影响岩石内部应力的瞬间变化，改变不了开挖造成的围岩应力释放，卸荷现象的产生，以及围岩宏观破坏的特征及趋势。

同理，研究巷道两帮监测点的应力演化规律，可了解出巷道两帮围岩的应力特征，如图5所示。

图5

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图5 巷道两帮监测点应力随开挖次序的演化规律

Fig.5 Evolution rule of stress of monitoring points in roadway’s sides with excavation sequence

由图5可知，静力分析时，出矿巷道1左帮，即靠近采场（采空区）一侧监测点应力均随深度的增加而增大；出矿巷道1右帮，即背离采场（采空区）一侧监测点应力变化规律相近，说明右帮围岩深部应力趋于稳定，围岩受动态扰动影响小，属于较稳定区。随着开挖活动的进行，两帮深处围岩应力产生明显的先增大后减小的现象，即第10步（采场⑤第一层）开挖时，应力处于峰值，说明相邻采场开挖时产生强烈的动态扰动，导致围岩应力处于活跃期，此时最易产生破坏；随后随着开挖的进行，动态扰动影响逐渐降低，产生卸荷现象，围岩应力逐渐减小。动力分析时，巷道两帮围岩应力没有出现突降现象，说明动力扰动的影响仅诱发围岩向宏观破坏发展；同时动静力分析时，巷道围岩应力的变化趋势相近，进一步说明动力扰动促进围岩沿原有趋势发展，即促进围岩沿原有破坏位置和破坏方向继续扩大破坏。

3.4 围岩位移演化规律

静动力开挖数值模拟计算结束后，出矿巷道顶、底板监测点位移演化规律如图6所示。由图6可知，随着围岩深度的增加，巷道顶、底板位移量逐渐减小，说明围岩稳定性增强。随着开挖活动的进行，巷道顶板位移逐渐增大，说明采场开挖等活动造成的围岩应力变化、产生的动态扰动促进顶板变形量增大，从而造成顶板产生离层、坍塌等破坏；而巷道底板位移变化趋势近似呈“Z”字形，说明巷道底板变形存在稳定期。动力开挖时巷道顶底板的位移量略大于静力开挖时的位移量，说明动力扰动加剧了巷道顶底板变形，导致其稳定性在一定程度上降低；且二者变化趋势一致，进一步说明动力扰动作用仅加剧了围岩的损伤，不会改变巷道围岩的变形趋势。

图6

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图6 顶、底板监测点位移随开挖次序的演化规律

Fig.6 Evolution rule of displacement of monitoring points in top and bottom plates with excavation sequence

出矿巷道两帮围岩监测点的位移演化规律如图7所示。由图7可知，随着开挖活动的进行，巷道左帮位移量略呈增大趋势发展，说明左帮围岩处于屈服阶段，受应力变化及动态扰动影响时损伤加剧，易产生破坏现象；巷道右帮位移量先增大后减小，且第10步（采场①开挖结束）开挖时达到最大值，说明右帮围岩仍具有弹性性质，临界采场的采矿活动导致其位移恢复。动力扰动后，巷道左帮位移量明显大于静力开挖时的位移量，说明巷道左帮围岩完整性差，即产生的破坏性损伤严重，动力扰动促使巷道围岩变形加剧；而巷道右帮位移量近似等于静力开挖时的位移量，后期还出现减小的现象，说明巷道右帮围岩完整性较好，抵抗动力扰动的能力强。

图7

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图7 巷道两帮监测点位移随开挖次序的演化规律

Fig.7 Evolution rule of displacement of monitoring points in roadway’s sides with excavation sequence

4 巷道围岩破坏特征探讨

由数值模拟结果可知，当静力开挖受动力扰动影响时，随着监测点与巷道中心距离的增大，围岩的应力值相应增大，产生开挖卸荷现象。随着开挖活动的进行，巷道顶板位移增大，易产生拉伸破坏，造成顶板离层、崩塌。巷道底板应力较小，且位移存在稳定区，推测其为巷道最稳定区域。靠近采场的巷道两帮监测点应力差异大，背离采场的巷道两帮监测点应力变化规律相近，同时，在动力扰动后，采场一侧巷道两帮位移增量大，背离采场一侧巷道两帮位移增量小，说明靠近采场的巷道两帮围岩完整性差，易发生破坏。

冬瓜山铜矿深部出矿巷道围岩实际破坏情况如图8所示，巷道顶板出现不同程度的碎裂化破坏，产生离层，锚网脱落；靠近采场巷道两帮围岩出现局部垮塌现象。

图8

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图8 冬瓜山铜矿深部出矿巷道围岩破坏特征

Fig.8 Damage characteristics of surrounding rock in the deep mining roadway in Dongguashan copper mine

综上所述，数值模拟结果与深部出矿巷道围岩破坏特征一致性较好，可作为深部巷道围岩变形破坏预测的手段，为深部巷道围岩控制提供简单方便的获取参考数据的渠道。

5 结论

基于冬瓜山铜矿深部回采步骤，采用FLAC^3D软件模拟分析出矿巷道围岩的应力和位移演化规律，结合现场巷道围岩的破坏状态，研究围岩的变形特征，得出如下结论：

（1）基于三轴压缩及频繁冲击扰动试验数据，折减获取了深部岩体的静力学及动力学软化参数。

（2）巷道周边产生应力卸荷现象，顶板出现拉应力，底板应力相对较小，靠近采场一侧巷道两帮应力较另一侧离散性大，且动力扰动影响时应力变化趋势未发生明显变化。

（3）随着开挖活动的进行，巷道顶板及靠近采场一侧巷道两帮位移增量大，背离采场一侧巷道两帮位移增量小，巷道底板出现稳定期，即位移不发生变化。

（4）结合深部出矿巷道围岩实际破坏情况，推测巷道顶板及靠近采场一侧巷道两帮易发生破坏，需加强支护，其余部位相对稳定性较好。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

温颖远，牟宗龙，易恩兵，等.

动力扰动下不同硬度煤层巷道围岩响应特征研究

[J].采矿与安全工程学报，2013，30（4）：555-559．