1、16软岩巷道支护荷载的确定方法文章编号: 1000-1964(2002) 05-0376-03 软岩巷道支护荷载的确定方法 1, 2 1, 2 2 2 景海河 , 何满潮 , 孙晓明, 段庆伟 ( 1. 黑龙江科技学院土木工程系, 黑龙江鸡西 158105; 2. 中国地质大学工程技术学院, 北京 100083) 摘要: 通过分析巷道围岩与支护的相互作用原理, 得出了软岩巷道失稳的原因是由于围岩自承 力与支护力 足的结果.认为一个优化的软岩巷道支护设计应在确保支护稳定的前提下, 最大限 度地释放围岩的能量, 使以变形形式转化的工程力达到最大, 同时最大限度地发挥围岩的自承能 力,使工程支护力达
2、到最小, 而其关键是确定变形能释放时间和最佳支护时间. 软岩巷道开挖后, 通常在巷道周围形成塑性软化区和塑性流动区, 实施支护力就是要控制塑性流动区的范围与发 展, 达到最佳支护时间时的支护荷载为最小支护荷载, 可以通过塑性软化区和塑性流动区内岩石 的重力求得. 关键词: 软岩; 巷道; 支护荷载 中图分类号: TD 350. 1 文献标识码: A 如何确定软岩巷道的支护荷载, 一直是困扰巷 力. 对于软岩巷道而言, 主要是塑性能以变形的方 道支护设计的重要问题之一; 支架应承受多大的荷 式释放. 载才能确保巷道围岩的稳定, 也是长期以来没能很 好解决的问题. 软岩巷道围岩失稳破坏的主要原 因
3、, 是由于在围岩和支护体相互作用的过程中, 巷 1 道围岩发生过量变形, 导致支护体过载的结果 . 1 软岩巷道支护作用原理 软岩巷道支护和硬岩巷道支护的原理截然不 图 1 合力 PT 示意 同, 这是由它们的本构关系不同所决定的. 硬岩巷 Fig. 1 Re ultant force PT 道支护不允许硬岩进入塑性, 因进入塑性状态的硬 岩将丧失承载能力. 而软岩巷道的一个独特之处 巷道支护设计应该同时满足 3 个条件, 即 是, 其巨大的塑性能( 如膨胀变形能等) 必须以某种 1) D ; P Max 2 形式释放出来 . 假设巷道开挖后使围岩向临空区 2) PRMax; 运动的各种力(包
4、括重力、水作用力、膨胀力、构造 3) PSMin. 应力和工程偏应力等) 的合力为 PT ( 如图 1所示) , 实际上, 要使 PD Max, PR 就不能达到最大; 则软岩巷道支护原理可表示为 要使 R , D 就不能达到最大. P Max P PS PT - (PR + PD) , ( 1) 要同时满足PD Max, PR Max, 关键是选取 式中:PD 为以变形的形式转化的工程力; PR 为围 变形能释放时间和最佳支护时间. 最佳支护时间是 岩自承力( 即围岩本身具有的强度可以承担的部分 指使 R+ D 同时达到最大的支护时间, 即( R + P P P 或全部荷载) ; S 为工程
5、支护力. D) - 曲线峰值点对应的时间 S, 如图 2 所示. 实 P P t T PD 可以包括弹塑性变形( 与时间无关) 、粘弹 践证明, 该点与 D - 曲线和 R- 曲线的交点所对 P t P t 塑性变形( 与时间有关) 和膨胀变形( 与时间有关) 应的时间基本相同. 此时, 支护使 PD 在优化意义 收稿日期: 2002 03 18 基金项目: 国家杰出青年科学基金资助项目( 59825114) 作者简介: 景海河( 1963-) , 男, 吉林省伊通县人, 黑龙江科技学院教授, 博士研究生, 主要从事软岩工程力学方面的研究. - Page 2-第 5 期 景海河等: 软岩巷道支
6、护荷载的确定方法 377 e e 上充分达到最大. 最佳支护时间很难确定, 因此在 内聚力; r 为弹性区应力, r = (2p 0- c) / (K p+ 1) , 工程实践中用最佳支护时段 1, 2 来表示. 达到 0 c t t 其中p 为原岩应力, 为岩石的单轴抗压强度; 最佳支护时段时, 作用在支护上的荷载为最小支护 为塑性软化区与塑性流动区半径之比;K p 为塑性 荷载( 简称支护荷载) . 指数,K p= 1+ in , 其中 为岩石的内摩擦角. 1- in 由下式确定: 1 * * - + 1+ K * R 1 K p = = + 1 p , (4) Rf M 2B 0 * *
7、 式中: 为岩石的残余内摩擦角;K p 为残余塑性 * * 1+ in 指数,K p = * ; M 内摩擦角软化模量; B0 为 1- in + - + 1 ! p 0(K p 1) c 常数, 0 = , 其中 为泊松比, B ! E K p+ 1 E 为弹性模量. 图 2 最佳支护时段的含义 Fig.2 Optimum time of upporting 3 软岩巷道支护荷载的确定方法 2 软岩巷道弹塑性状态圈状模型 3. 1 基本假定 为简化计算, 作如下假定: 巷道开挖后, 应力重新分布, 在围岩中形成 4 1) 在最佳时间实施支护时, 塑性硬化圈已经 3, 4 个区 , 依次是塑性
8、流动区( 半径为 f ) 、塑性软 R 稳定, 可以自稳, 求解时不考虑塑性硬化圈产生的 化区( 半径为 R ) 、塑性硬化区( 半径为 Rh) 和弹性 荷载, 此时支护荷载主要是由塑性软化圈和塑性流 区( 图 3) . 各区的力学行为与岩石全应力-应变曲 动圈围岩的重力作用引起的; 线相应段是对应的, 其中弹性区对应于弹性变形 2) 不考虑各区之间的相互作用力; 段, 塑性硬化区对应于塑性硬化段, 塑性软化区对 3) 塑性流动区承载能力忽略不计. 应于岩石峰后软化段, 塑性流动区对应于岩石松动 3.2 圆形巷道支护荷载的计算 破坏段. 如图 4, 在圆形巷道外拟合一外接正方形, 从 点 A
9、,B, C,D 分别引 2 条直线, 与垂直方向的夹角 - ?= 45 / 2, 这样可以将圆形巷道周围的塑性软 化圈和塑性流动圈围岩分为 4 个区. 图 3 软岩巷道围岩分区 Fig.3 Zone of urrounding rock around a oft rock roadway 5 按照弹塑性理论 , 塑性软化区半径 1 - e + K p- 1 图 4 圆形巷道支护荷载计算模型 (K p 1) r 2C K p R = a , (2) Fig.4 M odel of upport load determining (K p - 1)Pi + 2C K p 1. 塑性流动区; 2.
10、塑性软化区; 3. 塑性硬化区; 4. 弹性区 塑性流动区半径 1 在图 4 中, 区围岩荷载作用于巷道顶板, , K - - e + p 1 a p r p (K 1) 2C K 区围岩作用于巷道两帮. Rf = , ( 3) (K p - 1)P i + 2C K p 3. 3 顶板荷载的计算 式中:a 为巷道半径;Pi 为最小支护力; C 为岩石的 包括塑性软化区和塑性流动区, 由于岩体变形 - Page 3-中国矿业大学学报 第 31卷 378 程度不同, 此 2 区的岩体强度衰减程度也不同. 为 量, 使以变形形式转化的工程力达到最大, 同时最 了简化计算, 同时为了提高支护工程的安
11、全系数, 大限度地发挥围岩的自承能力, 使工程支护力达到 将塑性软化区和塑性流动区岩体的内聚力视为零, 最小. 实现这一点的关键是变形能释放时间和最佳 则该区的支护荷载等于该区岩体的重力. 支护时段的选取. 因此, 作用于圆形巷道顶板的支护力 2) 软岩巷道开挖后, 通常在巷道周围形成塑 Proof = WA Bba + Wabih , (5) 性软化区和塑性流动区, 实施支护力就是要控制塑 式中 为相应块体的重力. 性流动区的范围与发展, 达到最佳支护时段时的支 W 顶板的支护荷载 护荷载为最小支护荷载, 它可以通过塑性软化区和 塑性流动区内岩石的重力求得. P ur = kProof/L
12、A B , (6) 式中: P ur 为巷道顶板的支护荷载, kN/ m;L A B 为弧 参考文献: A B 的长度, m;k 为支护安全系数,k= 1.052.0. 1 范秋雁, 朱维申. 软岩最优支护计算方法 . 岩土工 3. 4 帮部荷载的计算 J 巷道两帮是对称的, 以左帮为例, 支护力 程学报, 1997, 19(2) :77-83. 2 何满潮, 景海河, 孙晓明.软岩工程地质力学研究进展 P wall = ( WA af C + Wahgf ) in?co ?. (7) . 工程地质学报,2000, 8( 1) :46-62. J 帮部支护荷载 3 姜衍祥.软岩巷道支护荷载的确
13、定方法及其计算系统 P uw = kPwall/L A B . ( 8) 开发D . 北京: 中国矿业大学北京校区, 1998. 4 结 论 4 谭云亮, 王泳嘉. 巷道围岩塑性状态判定分析方法 . 工程地质学报, 1996, 4( 2) :63-68. J 1) 软岩巷道失稳是由于围岩自承力与支护力 5 郑雨天.岩石力学的弹塑粘性理论基础M . 北京: 煤 不足的结果. 一个优化的软岩巷道支护设计应在确 炭工业出版社, 1988. 241-254. 保支护稳定的前提下, 最大限度地释放围岩的能 Method of Support Load Determining of Soft Rock R
14、oadway 1, 2 1, 2 2 2 JING Hai-he , HE Man-chao , SUN Xiao-ming , DUAN Qing-wei ( 1. Civil Engineering Department, Heilongjiang In titute of Science and T echnology, Jixi, Heilongjiang 158105, China; 2. College of Engineering and Technology, China Univer ity of Geology, Beijing 100083, China) Abstrac
15、t: Ba ed on the analy i of the interaction principle of urrounding rock and upporting, the model of loop-hape for urrounding rock of oft rock roadway wa e tabli hed. The main rea on of rock failure i that rock trength and upport load are not high enough for oft rock roadway . T he main goal of an op
16、timal upporting de ign hould be to relea e the energy of urrounding rock and utilize fully it elf-upporting ability under the condition of en uring roadway tability. T he key to thi i to elect the energy relea ing time and the optimal upporting time. After the excavation of a roadway, a pla tic defo
17、rmation zone i u ually formed around it, o it i the goal of upporting to control the development of the pla tic deformation zone. The upporting load for the optimal time i minimal, and it can be gained by calculating the weight of rock in the pla tic deformation zone. Key words: oft rock; roadway; upporting load
