巷道支护力作用及影响因素分析

第 28卷 第 4期 2009年 8月 Vol. 28 No. 4 Aug. 2009 40 Journal of Shandong University of Science and TechnologyÈÈ N a t u r a l S c ie n c e 巷道支护力作用及影响因素分析 王同旭,麻洪蕊 (山东科技大学 矿山灾害预防控制教育部重点实验室,山东 青岛 266510) 摘 要:采用库伦2莫尔理论, 对巷道围岩出现塑性区前后支护力与围岩应力之间的关系, 以及不同塑性区力学参 数下支护力与巷道围岩塑性区半径之间的关系进行了研究。结果明, 由于巷道实际支护力与原岩应力比值只有 1/ 10~ 1/ 100,对不出现塑性区和破裂区的完整岩体巷道, 支护力的作用是很小的, 可以忽略不计。而当围岩中出 现了塑性区和破裂区之后,支护力的作用才开始显现。提高支护力可直接减小围岩破裂区(塑性区)范围, 但提高 支护力的主要作用是提高弹塑性区围岩压应力, 达到提高破裂区(塑性区)岩体宏观强度的目的, 从而减小塑性区 和破裂区的范围。影响支护力作用效果的主要因素是塑性区力学参数。 关键词:支护力;巷道;围岩应力;塑性区半径 中图分类号: TD353 文献标志码: A 文章编号: 167223767(2009)0420040203 The Effect of Roadway Supporting Forces and Analysis of Its Influence Factors WANG Tong2xu, MA Hong2rui ( Key Laboratory of Mining Disaster P revention and Cont rol, M inistry of Education, SUST, Qingdao, Shandong 266510, China) Abstr act: With the Mohr2Coulomb criter ion, the r elationship between the roadway suppor ting for ce and the stress of sur rounding rock, and the relationship between the roadway supporting force and the r adius of plastic zone with dif2 fer ent rock mechanical parameter s were analyzed before and after the emergence of the plast ic zone in sur rounding rock. T he studies show that when the surrounding rock has not been damaged, the effect of suppor ting force is slight, even can be neglected because the actual suppor ting for ce is only 1/ 10~ 1/ 100 of original rock str ess, but af2 ter the surrounding rock has been damaged, the effect of supporting force begins to appear. The studies also show that the incr eased supporting for ce can reduce the radius of the fr actur al zone ( plastic zone) in surrounding rock de2 r ect ly, but t he main effect of the increased supporting force is to improve the compressive st ress on rock in elasto2 plast ic region, and to increase the rock str ength of whole fractur al zone ( plastic zone) so as to reduce the scope of fractural zone ( plast ic zone) . T he main factor s that influence the effect of suppor ting force are the mechanical pa2 r ameters of surrounding rock in plastic zone. Key words: supporting for ce; roadway; st ress of sur rounding rock; radius of plastic zone 收稿日期: 2009205227 基金项目:山东省/ 泰山学者0建设专项经费;国家/十一五0科技支撑( 2006AB11B05) 作者简介:王同旭( 1963 ) ) ,男 ,山东海阳人, 教授,博士, 博士生导师,主要从事岩石力学和巷道支护方面的研究. 巷道支护是保证巷道稳定的重要技术措施之一。但由于实际支护力一般只有 01 1~ 11 0 MPa[ 122] ,而埋 深 500 m巷道的原岩应力水平为 10~ 15 MPa,深度超过 1 000 m 的巷道原岩应力可达 25 MPa 以上。实际 支护力与原岩应力之比只有 1/ 10~ 1/ 100,如此小的支护力能否实现对巷道围岩的有效支护, 又是如何实现 的,本文通过对破裂区(塑性区) [ 3]出现前后,支护力与围岩应力之间的关系,以及不同塑性区力学参数下,支 护力与巷道围岩破裂区(塑性区)大小之间的关系的研究,对此进行了深入探讨,为进一步加深对地下工程支 护作用机理的认识, 合理设计巷道支护力提供理论指导。 1 圆形巷道围岩弹塑性应力解析解 设岩体满足莫尔2库仑准则[ 4] ,破坏前后内摩擦角和内聚力分别为 U、c和 Uf、cf , 则破坏前后极限强度准 王同旭等 巷道支护力作用及影响因素分析 41 Journal of Shandong University of Science and TechnologyÈÈ N a t u r a l S c ie n c e 则分别为[ 5] : R1 = b0R3 + c0 (破坏前) , (1) R1 = b1R3 + c1 (破坏后)。 (2) 其中: b0 = 1+ sin U 1- sin U ; c0 = 2ccos U 1- sin U ; b1 = 1 + sin U f 1 - sin Uf ; c1 = 2c fcos Uf 1- sin Uf 。 设圆形巷道半径为 a ,受静水压力p和支护力p i 作用,经简单推导其塑性区(这里假定也是破裂区) 半径 可按下式计算: r p = a 2p - c0 1+ b0 - c1 1- b1 p i - c11- b1 1 b1- 1 。 (3) 破裂区内( r [ r p) 应力为: Rr = c11 - b1 + ( p i - c11 - b1 ) ( r a ) b1- 1 , (4) RH = c11 - b1 + b1 p i - c1 1- b1 r a b1- 1。 (5) 弹性区( r \ rp) 应力为: Rr = p( 1- r 2 p r 2 ) + 2p - c0 1 + b0 r2p r 2 , (6) RH = p( 1+ r 2 p r 2 ) - 2p - c01 + b0 r2p r 2 。 (7) 破裂区形成前, 即 rp = a 时,围岩应力为: Rr = p( 1- a 2 r2 ) + p i a 2 r2 , (8) RH = p (1+ a 2 r2 ) - p i a 2 r2 。 (9) 其中: Rr 为径向正应力; RH为环向正应力。 2 支护力影响分析 为分析支护力的作用,设定以下力学参数: U= 40b, c = 21 0 MPa, Uf = 20b, cf = 11 0 MPa, a = 21 0 m, p = 121 5MPa, p i = 01 1 MPa、01 5MPa、11 0MPa。由此求得围岩应力与支护力之间的关系曲线(图 1)。其中: 曲线 1、曲线 2、曲线 3代表未出现塑性区时 p i = 01 1 MPa、01 5 MPa、11 0 MPa情况;曲线1c、曲线 2c、曲线 3c 代表出现塑性区时 p i = 01 1 MPa、01 5 MPa、11 0 MPa 情况。 图 1 围岩应力与支护力之间的关系图 F ig. 1 The relat ionship between the stress of surrounding rock and suppor ting force 42 第 28卷 第 4期 2009年 8月 Vol. 28 No. 4 Aug. 2009 由图 1可见,曲线 1、曲线 2、曲线 3相差很小,几乎重合, 说明在巷道围岩未出现塑性区时,支护力 p i = 01 1MPa、01 5MPa、11 0Mpa变化时,围岩应力Rr、RH几乎不受影响,因此,支护力对完整岩体巷道围岩应力的 影响是微不足道的。 而曲线 1c、曲线 2c、曲线 3c 之间相差较大, 说明在巷道围岩出现塑性区时, 支护力 p i = 01 1 MPa、01 5 MPa、11 0 MPa变化, 弹塑性区内围岩应力 Rr、RH均有较大变化。在此情况下,较小的支护力变化,将引起围岩 应力的较大变化,支护力的影响较明显。 3 塑性区内力学参数的影响分析 为分析塑性区内力学参数的影响, 改变 Uf(取 20b、30b、40b) 和 cf(取 11 0 MPa、11 5MPa、21 0MPa) 的值, 分别代入式(3) 求得塑性区范围 r p与支护力p i 间的关系曲线(图2)。其中:曲线1、曲线 2、曲线3为 cf = 11 0 MPa, Uf = 20b、30b、40b时的情况;曲线 4、曲线 5为 Uf = 20b, cf = 11 5 MPa、21 0 MPa 时的情况。 图 2 支护力与巷道围岩破裂区(塑性区)大小之间的关系图 Fig. 2 The relationship between the suppor ting force and the size of the fractur al zone of sur rounding rock 由图 2可见,对塑性区力学参数较低的曲 线 1, 当支护力由 01 1 MPa 增加到 11 0 MPa 时,塑性区半径由 31 8 m 减小为 21 9 m, 减小 231 6%;对塑性区力学参数较高的曲线 3, 当支 护力由 01 1 MPa增加到 11 0 MPa时,塑性区半 径由 21 7 m减小为 21 3 m, 减小 141 8%。即前 者提高的幅度较后者更大。而在同样的支护力 下,前者的塑性区半径远大于后者,即支护力提 高塑性区力学参数的作用对巷道稳定性的影响 更大。 4 结论 对不出现塑性区和破裂区的完整岩体巷 道,支护力的作用是很小的,可以忽略不计。而当围岩中出现了塑性区和破裂区之后, 支护的作用才开始显 现。提高支护力,可直接减小塑性区和破裂区的范围, 但支护力更大的作用是提高塑性区围岩压应力,明显 提高塑性区围岩的宏观强度 cf、Uf 值, 从而更明显地减小塑性区和破裂区的范围。该循环过程,将使支护力 的作用被显著放大, 达到阻止破裂区岩体残余强度因流变等原因迅速降低,和阻止深部未破坏岩体继续破坏 的目的,实现围岩2支护系统的整体稳定。这就是很小的支护力可以实现地下工程长期稳定的原因所在。 参考文献: [ 1]杨超,陆士良,姜耀东. 支护阻力对不同岩性围岩变形的控制作用[ J] .中国矿业大学学报, 2000( 2) : 1702173. 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