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第 30 卷第 1 期 岩 土 力 学 Vol.30 No.1 2009 年 1 月 Rock and Soil Mechanics Jan. 2009 收稿日期2007-04-25 作者简介李德忠，男，1949 年生，教授，主要从事采矿工程的教学与研究工作。E-mail dzhli 文章编号文章编号1000－7598－2009 01－0109－04 矿井深部巷道围岩变形浅析及控制 矿井深部巷道围岩变形浅析及控制 李德忠 1，李冰冰2，檀远远2 （1.煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001 摘摘 要要矿井深部巷道开挖后处于裂隙、塑性、弹性围岩包围范围内。通过计算对包围巷道围岩的 3 种圈层范围的力学性能 进行分析，进而阐述了巷道的变形机制，得出了塑性圈层围岩内的应力应变表述式。对于选择巷道的支护机制，经济有效的 控制裂隙化圈层范围的扩大，改善其应力状态，提高其自身的残余强度和承载能力，对深井巷道锚杆综合支护体系的选择， 提供了一定的理论支持。 关关 键键 词词矿井深部；巷道围岩；力学分析；控制方法 中图分类号中图分类号TD 163 文献标识码文献标识码A Analysis and control of distortion of surrounding rock of roadway at deep ground of mine LI De-zhong1, LI Bing-bing2, TAN Yuan-yuan2 （1. Key Laboratory for Safety and High Efficiency Mining of Education Ministry, Huainan 232001, China; 2. College of Energy Sources and Safety，Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China） Abstract After mine roadway in deep ground are excavated, they are encircled in scope of surrounding rock, which possesses three properties of cracking, plasticity and elasticity. The mechanical analysis of mechanical properties of the scope of these three kinds of circle level is made, through calculating the surrounding rock in mine roadway; and then the distortion mechanism is expounded. The stress-strain expression within the rock plastic circle is derived, so as to provide a theoretical support to choose the roadway support mechanisms, to control the expansion of the fracture scope economically and effectively, to improve their stress states, to improve their own residual strength and the carrying capacity, and to choose the system of protecting synthetically in deep mines. Key words deep ground of mine; surrounding rock of roadway; mechanical analysis; control 1 引 言 巷道围岩的弹塑性力学传统分析已成为众多巷 道支护方式的理论依据，然而这一理论对塑性圈围 岩的塑性变形并没有进行深入地探讨，这导致很多 力学计算结果与现场实际相差较远。岩石塑性变形 量的量值与应力的关系不是一一对应的，而且其量 值的大小是有限定的，因此，对巷道围岩的弹塑性 力学分析应建立在塑性有限变形的基础上[1 －6]。 2 岩石的应力-应变曲线 围岩的有限塑性变形问题与岩石的应力-应变 全过程曲线息息相关。如图 1 所示，从全程曲线可 以看出，虽然围岩应力、岩石的强度、残余强度均 增高了，但岩石从开始发生塑性变形到完全破坏， 所产生的塑性变形量总是有限的。对于脆性岩石来 说，它与围岩应力有关，对于一些中硬岩石和较弱 岩石来说，它是一个定值。 由于深部煤系地层多数为软岩石，可以认为煤 矿地下巷道的围岩塑性变形是限定在一定的范围之 内的，即 p []ξξ （1） 式中 p ξ为岩石进入塑性状态的塑性变形； p []ξ为 岩石进入塑性状态的额定塑性变形。 岩石在受压破坏的全过程中，存在 3 种性能的 状态见图 1，即弹性状态（OB 段） 、塑性状态（BD 段）和裂隙状态（DE 段） 。巷道围岩中由于应力分 岩 土 力 学 2009 年 布的不同，矿井深部巷道开挖后会出现 3 种力学性 能的围岩圈层范围弹性圈围岩、塑性圈围岩和裂 隙化圈围岩，下面对其各圈层围岩的应力应变状态 进行分析。 图图 1 岩石的应力岩石的应力-应变全程曲线应变全程曲线 Fig.1 Curve of the relation between stress and strain of rock 3 深部巷道的各圈层围岩的力学分析 关于弹性圈层围岩的力学分析及巷道围岩塑性 圈层围岩的力学分析在相关书籍中有详细叙述，这 里就不再重复。以下是关于巷道围岩裂隙化圈层围 岩的力学分析，如图 2 所示。 图图 2 裂隙圈层围岩力学分析图裂隙圈层围岩力学分析图 Fig.2 Mechanical analysis of surrounding rock about circle level possessing crack 有巷道支护状态下， 即在 Pa支撑力作用下裂隙 化圈层范围内岩石不会很快垮落。 由于岩体内部己开始产生裂隙，可以认为岩体 内滑移面上的凝聚力已弱化为 0，其内部的力学平 衡由内摩擦力来完成，因此在裂隙化圈层范围内存 在强度弱化库仑准则，表达式为 sin ss sr1 sin r 2 ψ θψ σσ σ − − （2） 式中 s r σ、 s θ σ分别为裂隙圈层围岩内某点的径向 应力和切向应力；ψ为岩石的内摩擦角。 联立平衡方程 sss rr d drr θ σσσ− ，并利用边界条 件 s rR A σ 定积分常数可得 2sin 1 sin s r r P ψ ψ α σ α − ⎛⎞ ⎜⎟ ⎝⎠ （3） 式中Pα为巷道支架的支承力；r为弹性岩石圈半 径；α为圆形巷道半径；ψ意义同前。 2sin 1 sin s 0 1sin 1sin r P ψ ψ θ ψ σ ψα − ⎛⎞ ⎜⎟ − ⎝⎠ （4） 由于裂隙化圈层围岩内位移不连续，已没有位 移数学模型可寻，如何求解某一点的位移量，还有 待近一步研究。 根据裂隙化圈层围岩的应力表达式（3） 、 （4） ， 结合塑性圈与裂隙化圈边界处的边界条件，可进一 步分析裂隙化圈和塑性圈的半径，塑性圈层围岩内 的应力应变表达式为 2sin 2sin 1 sin 1 sin P2 r 2 cotcot r Pcc ψ ψ ψ ψ α γ σψψ αγ − − ⎡⎤⎛ ⎞⎛⎞ ⎢⎥ − ⎜⎟⎜⎟ ⎢⎥ ⎝⎠⎝⎠ ⎣⎦ （5） 式中2r为圆形巷道中心点至裂隙圈边界半径；c为 岩石的凝聚力，其他符号意义同（4） 。 2sin 1 sin P2 2sin 1 sin 2 cot 1sin cot 1sin r Pc c ψ ψ θα ψ ψ σψ α ψγ ψ ψγ − − ⎡⎤ ⎛⎞ ⎢⎥ ⋅ ⎜⎟ ⎢⎥ ⎝⎠ ⎣⎦ ⎛⎞ − ⎜⎟ − ⎝⎠ （6） 4 巷道的支护机制 巷道支护的主要目的是控制巷道的大量变形和 防止裂隙化圈层范围内岩石的垮落，要达到这样的 目的，首先是要阻止裂隙化圈层的形成[6 －7]，这一 点通常很难做到。经济有效的做法应该是控制裂隙 化圈层范围的扩大，改善其应力状态，提高其自身 的残余强度和承载能力。支护方式的不同对裂隙化 圈层范围产生的作用是不同的。 4.1 棚子支护的护巷机制棚子支护的护巷机制 棚子支护是利用棚子对巷道围岩产生一个径向 压力， 即上面推导公式中的Pα， 从上述分析来看，Pα 不只是对裂隙化圈层产生作用，同时也对塑性圈层 围岩内的岩石产生作用，它可以改变裂隙化圈层围 岩和塑性圈层围岩的半径大小，也可以控制影响这 些圈层范围内地应力分布和应变变化。由于它作用 110 第 1 期 李德忠等矿井深部巷道围岩变形浅析及控制 的是整个塑性圈层和裂隙圈层围岩内的岩石，需要 直接去和原岩应力进行相对平衡。所以，需要提供 较大的支护力才能达到预期的支护效果。对圆形巷 道来说，棚子支护应提供的力为 2sin 1 sin 10 p [cot1sin cot [] B PKPcc ψ ψ α ψϕψ ξ − ⎛⎞ −− ⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠ （7） 式中 1 K为安全系数； 0 P为原岩应力。 4.2 锚杆支护的护巷机制锚杆支护的护巷机制 锚杆支护只对锚固范围内的岩石提供径向压 力，而锚固范围一般包含裂隙围岩和部分塑性变形 较大的塑性圈层围岩，如图3所示。 图图 3 锚杆支护应力计算图锚杆支护应力计算图 Fig.3 Calculation of stress about rock bolts support 由于锚固层范围内提供了径向应力，原来由库 仑准则达成的屈服条件下的力学平衡关系受到影 响。由重复加载的岩石应力-应变关系图可知，锚固 层范围内岩石被锚固后将回到重复加载时的弹性状 态，此时的极限应力为残余强度，这种状态保持了 裂隙化圈层围岩的自稳性。如果每根锚杆的锚固力 为Q，有效锚固长为L，每米巷道使用的锚杆数目 为M根，则 锚杆给锚固圈内侧提供的径向支护强度为 ma 2π QM P α （8） 锚杆给锚固圈外侧提供的径向支护强度为 ma 2π QM P Lα （9） 锚固圈外侧的塑性圈层围岩压力为 2sin 1 sin PP rrr2 2 []cotcotcc ψ ψ γ σσψϕ γ − ⎛⎞ − ⎜⎟ ⎝⎠ （10） 由弹塑性力学分析可以得到锚固圈重新塑化的 条件 2 mrm rrs 2 22 mp sr 2 [] 2 [] 2π2π2 L L QMQML LL αα σσσ α αα σσ ααα − ⋅ − −− 残 残 （11） 式中 m r σ为锚杆对裂隙范围提供的径向应力； rm r σ 为锚杆对塑性圈提供的径向应力； mp r σ锚固圈内侧 的塑性圈层围岩压力； s []σ 残为残余强度。 2rm r π [22[] ] S LLL QM LL αασασ α − 残 （12） 锚杆支护的作用是提供径向支护力，使裂隙化 圈层围岩和部分塑性圈层围岩岩石重新进入残余强 度后的弹性状态，并保持其弹性状态。相比之下锚 杆支护所需要提供的力比棚子支护要少得多，因此 锚杆支护体系在矿井深部巷道中得到广泛应用。锚 杆支护的支护强度应为 2 r π [22[] ] rm S LLL QMK LL αασασ α − 残 （13） 式中K为安全系数。 5 结 论 （1）对掘进巷道围岩变化进行分类，其目的是 为了有效地控制围岩变化，便于工程应用。巷道支 护的主要目的是控制巷道的大量变形和防止裂隙化 圈层范围内岩石的垮落，控制裂隙化圈层范围的扩 大，改善其应力状态及提高自身的残余强度和承载 能力。 （2）棚子支护是利用棚子对巷道围岩产生一个 径向压力，它可以改变裂隙化圈层和塑性圈层范围 的半径大小，由于它作用的是整个塑性圈层和裂隙 圈层范围内的岩石，需要直接去和原岩应力进行相 对平衡，所以需要提供较大的支护力才能达到预期 的支护效果。 （3）锚杆支护只对锚固范围内的岩石提供径向 压力，而锚固范围一般包含裂隙范围和部分塑性变 形较大的塑性圈层范围，锚固层范围内岩石被锚固 后，将回到重复加载时的弹性状态，此时的极限应 力为残余强度，这种状态保持了裂隙化圈层范围的 自稳性[10]。 （4）锚杆支护所需要提供的力比棚子支护要少 得多，因此在矿井深部巷道中锚杆综合支护体系将 得到广泛的成功应用。 参参 考考 文文 献献 [1] 徐芝纶. 弹性力学[M]. 北京 高等教育出版社, 1990. 111 岩 土 力 学 2009 年 [2] 郑雨天. 岩石力学的弹塑粘性理论基础[M]. 北京 煤 炭工业出版社, 1988. 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[10] 李德忠, 夏新川, 韩家根, 等. 深部矿井开采技术[M]. 北京 中国矿业大学出版社, 2005. 第二届全国水工抗震防灾学术交流会 主办单位主办单位中国水力发电工程学会抗震防灾专业委员会 协办单位协办单位南京水利科学研究院等 承办单位承办单位中国水电顾问集团公司成都勘测设计研究院等 会议背景介绍会议背景介绍第二届全国水工抗震防灾学术会议将在风景秀丽的四川省成都市举行。汶川特大地震影响波及全国，震中及 周边地区震灾十分严重，人民生命财产遭受了巨大损失，基础设施受到严重破坏。西部地区是我们国家水能资源最丰富的地 区，主要集中在岷江、大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江等流域，这些地区处于新构造运动强烈、地质环境极不稳定 的高山峡谷区，为强烈地震和地质灾害高发区。目前在建和拟建一系列 200 米至 300 米级的高坝。小湾、构皮滩、溪洛渡、 白鹤滩、锦屏、糯扎渡、拉西瓦、乌东德、大岗山等战略性工程，规模巨大、地震烈度高。在这一地震高烈度区，抗震安全 多为工程建设中的关键。本届水工抗震防灾学术会议将结合汶川地震，就汶川地震震后水工建筑物震损调查、震害分析、灾 害评估及修复加固、水工建筑物抗震分析与设计、水工结构现场检测与监测、健康诊断与鉴定、水库诱发地震监测、预测和 预警、水电工程抗震措施、抗震安全评价体系及水工结构工程振动、爆炸与冲击等专题，进行广泛的学术交流。热诚欢迎全 国水工、岩土、地震工程的设计、科研、施工单位的代表参加，会议将安排震区考察。 会议内容会议内容1、邀请著名的水工抗震与地震工程的院士、专家就本学科的研究与发展、汶川地震对水工结构的影响作特邀报 告 （1）陈厚群、林皋、张楚汉、张超然院士等； （2）国内外其他抗震专家。2、会议将对以下专题进行交流和研讨1 汶 川地震震后水工建筑物震损调查、震害分析与灾害评估；2 震损水工结构的安全度及修复加固技术；3 高混凝土坝、高 土石坝抗震性能和抗震安全；4 水库诱（触）发地震的预测、监测及其影响研究；5 水工建筑物抗震分析理论与方法、 抗震设计标准；6 水工建筑物抗震试验研究方法和技术；7 水工建筑物场地地震动输入；8 水工建筑物与地基材料动态 特性；9 水工结构工程振动、爆炸与冲击；10 水工建筑物现场测试与动力性态检测、健康诊断与鉴定；11 水电工程抗 震防灾措施、风险评估及应急预案；12 水工结构减震、隔震和控震技术。 征文要求征文要求 本次会议录用的优秀论文将刊登在水力发电学报2009 第 3 期（EI 源刊，1500 元/篇）和水力发电2009 第 5 期（中文核心期刊，1200 元/篇） （均为本次会议专刊） ，其余会议论文刊于由中国水利水电出版社正式出版的论文集。请 将投稿论文按水力发电学报的格式排版（word） ，以电子邮件形式传给组委会，论文（全文）最后截止日期 2009 年 2 月 20 日，组委会收到文章后，将在 3 日内回复，作者未收到回复，请重新发送和致电问讯。 水力发电学报上刊出的论文由 学报收取版面费，论文集刊出的论文版面费 150 元/页。由于时间紧，希望在水力发电学报刊出的稿件务请严格按学报 要求排版，要求请见附件。 会议时间地点会议时间地点注册2009 年 5 月 11 日 会议2009 年 5 月 1214 日 地点成都市（具体宾馆待定） ，注册费1200 元/人，学生 800 元/人（含会后考察费） 。注意事项第二轮会议通知将于 2009 年 3 月正式确定发出，会议代表有精美礼品。 联系人张燎军 联系地址210098 南京市西康路 1 号 河海大学水工结构研究所。 电话025-83786766，13951005057 传真025-83786766，025-83731332 E-mail ljzhang，njzlj 联系人 赵文光 联系地址中国水电顾问集团成都勘测设计研究院 电话028-87399035 传真028-87329997 E-mail zwenguang （信息来源中国学术在线） 112