巷道围岩的关键圈理论.pdf

2 2 完整 顶板 的拉杆横 向荷载 拉杆横向苛载 分布为 一 ， 一 其中． 碥D ， 量纲为N ／ m2 ； D 为拉杆外径j p 为拉杆 的地基 压力线集度 ． 3结论 本文 为锚拉支架的参数计算 和支护机理研究提出 了一 个分 析思 路和一种简化 的参数 计算 方法．当顶板 完整 时，对锚杆 和拉杆 的横 向位移 、横 向荷载 的计算 可由式 4 5 、 6 及 7 8 、 9 完成． 一 参考文献 1李先炜，陶龙光，李晓等．锚 拉支架．矿 山压力与顶板 管理， 1 9 9 5 2 2 Od e n J T， P d p pe r g e r E A 著成文 山等译．弹性 结构 力学．北 京 中国建筑工业 出版牡， 1 9 8 6 ．1 9 4 2 1 1 3龙驭球 ．弹性地 基粱的计算北京 ；人 民教育 出版牡， 1 9 8 2 4康立军译锚同顶板桁架状态的机械和数值模拟． 巷道 支 护技术译文 集，煤炭科学研究 总院北京开采所巷道支护 室， 1 9 9 0 ， 1 1 5 Sh e o r e y P R ， Ver m aB P， Si ng h B． A nana l ys i s o ft he r oo f t r u s s ． 如 u m ne s ，m e t a l s e ls，1 97 3 1 7 23 3 2 3 6 f 1 9 9 6年 6月 4日收到第 1蔫， 1 9 9 6年 8月 3 0日收到修改稿1 巷 道 围岩 的 关 键 圈 理 论 ．垦丝 煤炭科学研究总院 北京开采所， 北京 1 0 0 0 1 3 摘要本文在分折巷道 围岩应力分布特 征的基础 上， 首次提 出关键 承载 圈这一概念．探讨 了圆形巷道在弹 性和 弹塑性应 力状态下关键承载 圈的分布及 其影 响因 素，阐述 丁关键 承载 圈的特征和变化规 律．最后论述 的实际工程 意义 圜 形 巷 ， 座 坌 塑 关 键 承 载 圈 在高地应力巷道中，充分研 究巷道 围岩应力 分布 特征和变 化规 律，对支护 设计具有重要 的指导意 义． 、 本文基于 圆形 巷道 的应力分布特征，首 次提 出丁关键 J J 承载圈的概念，并计算了不同原岩应力、不同强度条 V件下 围岩 的关键承载 圈分布． 计算结果表明， 关键 承载 圈是巷道 围岩 应力 的一个基本特征，它 的几何参数 分布情况及受 力大小可较全面地反映 围岩 的应力分布 特征，并可作为巷道支护设计 的理论依据． 1 关键承载圈的提 出 巷道开挖 以后，破坏 了原岩应力状态，围岩应力 重新分布 ，致使 一部 分 围岩承受较大 的应力，而一部 分 围岩处 于应 力降低区．巷道 的稳定性 与承受较大应 力 的围岩变 形和破坏有很大关 系，为此 ，我们提 出关 键承载 圈这一 概念，它是 指巷道 一定范 围内承受较大 一 r Z 切 向应力 的岩石 圈．下面分折 关键 承载圈的分布及特 征 ． 2关键 承载 圈分 析 2 ． 1 弹 性应力状态 在二向等压条件下，围岩应力分布 圆形巷道 如 图 1所示． 巷道 周边 的切 向应力最 高， 越 是远离巷道， 则应力迅速降低．距巷道 中心 5倍巷道半径处的应力 仅为 1 ． O 4 7 ／ ／ 原岩应力 ．我们把 R o～5 岛 巷道半 图 1 弹性应力状志厦关键承载圈分布 力学与实践 维普资讯 径范围内的围岩称为应力升高区，下面分折应力升高 区内应力的变化．令 Ⅳ 等于 Ⅳ ． 一 删一 删； 击 一 1 J R n ⋯ 式中， a 0为切向碰力 f MP a ； 为上覆岩层密度 k N ／ m ； H 为巷道埋深；,R o为巷遭半径 f m ． 当 r o 。时， N 7 H r 2 t l o 时， Ⅳ O 5 7 H冠0 ； r 5 R o时，Ⅳ O8 7 HRo ．可见在 ～ 2 且，内应力升高值 已占总应力升高值 的一半，故 我们把 R o～ 2 R0范围 内的围岩替作关键承载圈，如 图 1所 示 ． 在二向不等压的条件下．可用下式确定关键承裁 圈的尺寸 e 。0-e -- T 】d r ～ ㈨ JR ． R d 式中 ‰ 音 I 1 1 一 c o s 2 0 ] ； 为棚压 系数， Rb o为承载圈外半径 ； K 为承载周内半径 ； 为应 力升高区 内半径． 当最大切 向应力出现在周边时，兄H Rc 月o ； 当最 大切向应力 出现在围岩 内部 时，若周边切 向应力 大于 ∞， 则 兄d 尼0 ， 否则 由下式确定 岛 岛V ／ 3 A T -1 c o 6 2 0 3 由于计算 比较复杂 ． 2 式可用迭代法求解．不 同侧压系数下， 关键承载圈的计算结果表明，当 1时，巷帮承载 圈大， 应力集中系数 小．顶扳承载 圈厚度小，应力集 中系数 大．可见，在水平应力较大的条件下，顶板极 易发生破 坏 2 ． 2 弹塑性 应力状态 当巷遭围岩应力超 过其屈服强度 时，会出现塑性 区．在 二向等压条件下如 图 2所示采用莫尔 一 库 仑 屈服准则时，关健承 载圈尺寸由下式确定 ， op - 7 H d r ／ ． 一 1 删， J J R c a e -- 7 H 4 第 1 9卷 { 1 9 9 7年 第 1期 式中，o e r , ，o -8 为塑性 、 弹性区 内的切向应力 MP a 1 马 为塑性区半径 m ． 圉 2 弹塑性应 力状志及美健承茕圈分布 R 0 [ c c t g o 】 5 ] L 』 十 sm J 式中， c为岩石粘聚力 MP a ； 为内摩擦角． 同样可用选代法术解 4 式．分析计算结果可 得 ； 1 随着原岩应力增加，关键承载圈逐渐向目岩 潦部移 动，与巷道周边的距离加大． 2 随着原岩应力增加，最大应力集中系数逐渐 碱 小，而关键晕载圈厚度加 大．表 明，当塑性 区较小 时，届岩 浅部承受了较大载荷， 反之．围岩撩部承受了 较大载荷． 3 随着 c ， 妒增大， 关键承载置离巷道周边越近， 厚度变薄，应力集中系数加大． 可见，对于强度较高的 岩层，浅都围岩承受了较大载苛，相反，对于强度较低 的岩层 ，深部围岩 承受 了很大载荷． 2 ． 3 关键承载 圈的特征 以上是 圆形巷道的情况，对于其它形状的巷道， 可借助 数值方 法计算 ．分析计算 结果，可看 出关键晕 载圈有 以下特征 1 厚度越大， 分布越均匀， 承载能力超大． 2 应力分布越均匀．承载能力越太． 3 膏巷道周边越 近- 巷道越窖易维护 来人工卸压 ． 4 有向厚度大、 分布均匀方向发展 的趋势． 3 关键 承载■理论 的实际工程意义 3 ． 1 为支护 设计提供依据 我们认为在关键承载 圈内半径 冠 以外 的岩层 无 需支护 ，支护的 目的是控制 Rb ． 以内岩石的变形 和稳 定性 ，所 可把 且 以内岩层 的高度作为载荷高度进 1 rr下 维普资讯 行支 护设计．以前，人们往往采用 塑性区半径作 为支 护设计 依据 ，但 ，一般 较大，把 塑性区 内能承受较 大载荷 的岩 石也当作支护对象，因此 设计偏于安全． 而以 R“ 为依据进行设计仅考虑 R 以内的岩石，比 较台理． Rb i的确定可通过现场地应力测试进行． 3 ． 2 为应力控制法提供依据 根据关键承载 圜理论报容易确定各种巷道维护的 应力控制法 的机理．如 减小关键承载 圈内的应力 将巷道布置在应 力降低 区，如掘前 预采 、跨巷回采 、无煤柱护巷等 ． 使关键承载 圜厚度和应力趋于均匀 断面优 化，采用 圆形 、椭 圆形等应力集中系数小的斯面． 使关键承载圈 内移 、厚度增大，但不破坏周边附 近的围岩 各种工应力控制法，如切缝、钻孔、 爆 破及掘巷等 t 3 [ ． 4 结论 1 任何巷道围岩内均存在着关键承载圜．承载 圜内承受 的应 力越小，厚度越大，分布越均匀，巷道越 容易维护． 2 在不采取人工应力控制措施时，承载圈离巷 道周边越 近，巷道越容 易维护 3 巷道关键承载固有向厚度大 分布和受力均 匀方 向发 展的趋势 ． 4 关键承载圜理论可作为巷道支护设计及各种 应力挖删法选 择的理论 依据 ． 参考文献 1华安 增．矿 山岩 石力学基础北京 煤炭工 业 出版社 ． 1 98 0 一 、 、 2康红昔． 软岩巷道底臌的机理盈防治． 北京， 煤炭工业出 版社， 1 9 9 3 1 9 9 6年 1月 2日收到第 1稿． 1 9 9 6年 7月 4日收到修改稿 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 上接 第 7 7页 中国力学学会 1 9 9 7 年 国际、国内学术活动计划 续 序号 会议名称 内窖豆学术试题 时阍 地点 人鼓 主席 联 系人 3 1 科昔 工作委员会 1 总结 1 9 9 5、 1 9 9 6年力学科普 工作盈力 8月 2 0 河南 5 0 杨海兴 蘸云芳 1 9 9 7年年会 学竞赛工 作 日 ～2 5 日 郑州 上海市淮海 中路 2 江苏 、湖北、河南 、黑龙江 、上膏等 省 4 7 5号 8 8室 市舟绍开展科普工作 的经验 2 0 0 0 2 0 3 制定 9 8年工作计 划 4 表彰科普优秀工作者 3 2 力学 的经舆理论教学 系列介绍力学学科发展概况、力学史、力学 3月 ～ 北京 王亲瑶剂肃 与近代力学 的发展 学科的最新应用等等 l O月 中国力学学会 中学物理教学系 办公室 列讲座 与北京市 北京1 0 0 0 8 0 力学学会台办 3 3 北京市中学生力学 参现备类卫星盈有关实验装置 7月中旬 航天 剖肃 夏夸营 与北京市 博物 中国力学学会 力学学会音办 馆 办公室 北 京1 0 0 0 8 0 力学与实聩 维普资讯