16软岩巷道支护荷载的确定方法Word文档下载推荐.docx
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关键词:
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.1 ReultantforcePT
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.
PMaxP
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+
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
PPtT
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
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.
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第5期 景海河等:
软岩巷道支护荷载的确定方法
377
ee
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0c
tt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;
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+K*
R1Kp
==+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!
p0（Kp1）c
常数,0=×
其中为泊松比,
B!
EKp+1
E为弹性模量.
图2 最佳支护时段的含义
Fig.2 Optimumtimeofupporting3 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）.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,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 Zoneofurroundingrock
aroundaoftrockroadway
[5]
按照弹塑性理论,塑性软化区半径
-e+Kp-1图4 圆形巷道支护荷载计算模型
（Kp1）r2CKp
R=a,
（2）Fig.4 Modelofupportloaddetermining
（Kp-1）Pi+2CKp1.塑性流动区;
2.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,Ⅰ区围岩荷载作用于巷道顶板,Ⅱ,
K-
-e+p1
aprp
（K1）2CKⅣ区围岩作用于巷道两帮.
Rf=,（3）
（Kp-1）Pi+2CKp3.3 顶板荷载的计算
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
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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=WABba+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.
Pur=kProof/LAB,（6）
Pur为巷道顶板的支护荷载,kN/m;
LAB为弧
参考文献:
AB的长度,m;
k为支护安全系数,k=1.05～2.0.
[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
Pwall=（WAafC+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定方法及其计算系统
Puw=kPwall/LAB.（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.
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
MethodofSupportLoadDetermining
ofSoftRockRoadway
JINGHai-he,HEMan-chao,SUNXiao-ming,DUANQing-wei
（1.CivilEngineeringDepartment,HeilongjiangIntituteofScienceandTechnology,Jixi,Heilongjiang158105,China;
2.CollegeofEngineeringandTechnology,ChinaUniverityofGeology,Beijing100083,China）
Abstract:
Baedontheanalyioftheinteractionprincipleofurroundingrockandupporting,themodelof
loop-hapeforurroundingrockofoftrockroadwaywaetablihed.Themainreaonofrockfailurei
thatrocktrengthandupportloadarenothighenoughforoftrockroadway.Themaingoalofanoptimal
upportingdeignhouldbetoreleaetheenergyofurroundingrockandutilizefullyitelf-upporting
abilityundertheconditionofenuringroadwaytability.Thekeytothiitoelecttheenergyreleaingtime
andtheoptimalupportingtime.Aftertheexcavationofaroadway,aplaticdeformationzoneiuually
formedaroundit,oitithegoalofupportingtocontrolthedevelopmentoftheplaticdeformationzone.
Theupportingloadfortheoptimaltimeiminimal,anditcanbegainedbycalculatingtheweightofrockin
theplaticdeformationzone.
Keywords:
oftrock;
roadway;
upportingload
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