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1、16软岩巷道支护荷载的确定方法61468-----------------------Page1-----------------------第31卷第5期中国矿业大学学报Vol.31No.52002年9月JournalofChinaUniverityofMining&TechnologySep.2002文章编号:1000-1964(2002)05-0376-03软岩巷道支护荷载的确定方法1,21,222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,北京1
2、00083)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
3、:软岩;巷道;支护荷载中图分类号:TD350.1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,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.1Reultantforc
4、ePT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→;PMax[2]形式释放出来.假设巷道开挖后使围岩向临空区2)PR→Max;运动的各种力(包括重力、水作用力、膨胀力、构造3)PS→Min.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.PMaxPPS≥PT-(PR+PD),(1)要同时满足PD→
5、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+PPP或全部荷载);S为工程支护力.D)-曲线峰值点对应的时间S,如图2所示.实PPtTPD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PtPt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:20020318基金项目:国家杰出青年科学
6、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.-----------------------Page2-----------------------第5期景海河等:软岩巷道支护荷载的确定方法377ee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=(2p0-c)/(Kp+1),工程实践中用最佳支护时段[1,2]来表示.达到0ctt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
7、载为最小支护为塑性软化区与塑性流动区半径之比;Kp为塑性荷载(简称支护荷载).指数,Kp=1+in,其中为岩石的内摩擦角.1-in由下式确定:1-+1+KR1Kp==+1p,(4)RfM2B0式中:为岩石的残余内摩擦角;Kp为残余塑性1+in指数,Kp=;M内摩擦角软化模量;B0为1-in+-+1!p0(Kp1)c常数,0=×,其中为泊松比,B!EKp+1E为弹性模量.图2最佳支护时段的含义Fig.2Optimumtimeofupporting3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,
8、作如下假定:巷道开挖后,应力重新分布,在围岩中形成41)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
