基于损伤分析的巷道围岩松动圈的确定

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1、2013年第38卷第4期能源技术与管理V01．38No．4EnergyTechnologyandManagement7doi：10．3969／j．issn．1672-9943．2013．04．003基于损伤分析的巷道围岩松动圈的确定刘洋(1．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221008；2．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州221008)[摘要]以振兴煤矿主平硐地质条件为背景，通过理论分析与现场实测相结合，研究了巷道围岩松动圈的确定。运用损伤力学原理，引入损伤变量，建立损伤本构关系方程，推导出巷道围岩出现损伤破坏时的应力场、完全损伤区半

2、径解析解，并结合现场条件进行了理论计算。经现场观测，证明了基于损伤分析的理论计算结果的可靠性，从而为巷道围岩松动圈的预测和巷道支护方式及参数的确定提供了理论依据。[关键词]损伤理论；巷道围岩；松动圈；支护参数确定[中图分类号]TD265．32[文献标识码]A[文章编号]1672．9943(2013)040073式中，or、分别为峰值点对应的应力和应0引言变；or、分别为软化段任意点的应力和应变；8为巷道掘出以后，在巷道周围形成很大的应力最终稳定应变，O"u为残余应力。集中，同时，由于围岩受力状态从三向受压变为两o"c，。＼向或单向受压使得围岩强度降低，当应力

3、值大于围岩强度时就会在巷道周围形成一定厚度的破碎o-u／＼C区，该破碎区称为围岩松动圈。围岩松动圈是煤矿巷道工程中普遍存在的客观物理力学状态，它对／A巷道稳定性的影响至关重要。围岩松动圈厚度值的确定对于明确巷道破坏范围、合理选择支护形图1双线性损伤模型式及参数具有非常重要的意义]。为了便于解析解的推导，只采用单参数的损伤力学模型。根据损伤力学的应力等效原理，受损1基于损伤理论的巷道围岩松动圈计算材料在一维状态下的应力应变为[]：1．1损伤本构关系的建立or=(1-D)E6(2)损伤力学认为，材料的损伤是由材料内部的式中，D为损伤变量；E为材料的名义模量，微裂

4、纹和微孔隙造成的，这些微裂纹和微孔隙导即材料未损伤时的模量。致有效承载面积减小，材料的承载能力降低，从而引入常数A，称其为损伤模量，表达式为：使材料的力学性质劣化。用损伤力学分析材料受A：—o'c-—oru(3)Bu-Sc力后的力学状态时，首先要选择适当的损伤模由式(1)～(3)得到损伤变量表达式为：型¨3j。目前，己形成的损伤模型很多，如Loland模型、Mazars模型、双直线模型等。文章采用双直D=1+)(一1)O~c(4)线损伤模型进行分析。双直线损伤模型考虑岩石考虑到真实的材料性质并非均匀连续，存在的残余强度，如图1所示。图1将岩石全应力应变初始损

5、伤，因此损伤变量D应较式(4)大。故将曲线简化为双直线型，AB段为弹性阶段，无损伤式(4)修正后，得到损伤演化方程为：产生；BC段为应变软化阶段，损伤为各向同性损伤。于是有[5：f}D_0⋯or=二+盟(1)1+一)跏。8一￡c8一8c1．2巷道围岩应力场损伤解分析假设岩石材料在弹性区和损伤区内均满足基金项目：江苏省“333”培养基金(BRA2010024)8刘洋基于损伤分析的巷道围岩松动圈的确定2013年8月Feb．．2013则，对于轴对称圆形隧道，2振兴煤矿主平硐围岩松动圈理论计算采用极坐标形式，有：‘。_工一。“pL开2一Ccosq~(1-D)+or根

6、据前面得出的计算公式以及振兴煤矿主平r(6)1．-slncp1-sln~p硐泥岩的力学性质，取C=3．06MPa，内摩擦角‘p=式中，o-和o-r分别为围岩周向(切向)应力和30．72。，弹性模量E=2．12GPa(炭质泥岩弹性模量径向应力；C和‘p>分别为岩石粘聚力和内摩擦平均值)，取损伤模量与弹性模量的比ME=I．3，巷角。道等效半径R。=2．26Ill，原岩应力or。=10MPa，此根据平衡方程式(7)和边界条件式(8)，解得时未出现损伤时的最小原岩应力orl=5．38MPa，出损伤区内应力。现完全损伤区的最小原岩应力0"2=7．68MPa。因为平衡方

7、程(7)和边界条件(8)：O-o>O-，即存在完全损伤区(松动圈)，绘制巷道原+盟：0(7)岩应力随径向距离的分布图如图2所示。fO-~o=0(8)解得的损伤区内应力(r：：s)Ccos)Ccos嗪+(2+)等]()酱一(2+寺)等(9)式中，P为损伤区半径；R。为洞口等效半径；r为围岩中任意点对应的半径大小。图2围岩损伤应力场分布(o'o=10MPa)设原岩应力为。，则弹性区内的应力分量：由式(13)得完全损伤区半径为3．78in，计算得到振兴煤矿主平硐松动圈的半径为1．52m。cro()+{，．(10)3振兴煤矿主平硐围岩松动圈现场实测。(卜)+为验证理

8、论分析的可靠性，采用岩层探测记利用损伤区与弹性区交界