2024年4月28日发(作者：川崎摩托车)

第１８卷第１期　

安徽建筑工业学院学报（自然科学版）　

Ｖｏ１．１８　Ｎｏ．１　

２０１０年２月　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　

Ｆｅｂ．２０１０　

深井软岩表面变形随围岩性质变化分析　

杨蔡君，　吴德义　

（安徽建筑工业学院土木工程学院，合肥２３０６０１）　

摘要：依据理论分析得出的圆形巷道围岩表面变形计算公式，分析了原岩性质对围岩表面变形影响。分析　

结果表明：随原岩应力增加，不同岩性围岩表面变形增长速率不同，深井软弱围岩表面变形显著；通过注浆法　

改变围岩性质，提高围岩粘结力和内摩擦角是减少围岩表面变形，保持围岩稳定较为有效的手段。　

关键词：围岩表面变形；原岩应力；岩性　

中图分类号：ＴＵ４５２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—４５４０（２０１０）０１—０１１—０３　

Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｄｅｆｏｒｎｍｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｅｐ　ｓｏｆｔ　ｒｏｃｋ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｏｃｋ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　

ＹＡＮＧ　Ｃａｉ－ｊｕｎ，ＷＵ　Ｄｅ－ｙｉ．　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｈｅｆｅｉ　２３０６０１）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｉｎ　ｒｏｕｎｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｗａｓ　

ｆｏｕｎｄｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｎ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅ—　

ｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｄｒａｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｒｏｃｋ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉＳ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　

ｓｏｆｔ　ｒｏｃｋ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｏｂｖｉｏｕｓ　ｉｎ　ｄｅｅｐ　ｔｕｎｎｅ１．ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｍｅｎｔ　ｏｆ　ｃｏｈｅｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｒａｃｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｂｙ　ｉｎｊｅｃｔｉｎｇ　ｓｅ—　

ｒｏｓｉｔｙ　ｉＳ　ｍａｉｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｕｒｆａｃｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ；ｒｏｃｋ　ｓｔｒｅｓｓ；ｒｏｃｋ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　

随着煤矿开采规模的增大，开采深度加深，原　

岩应力增大，深井巷道愈来愈表现为“软岩”特性，　

［（　）件　卺）ｌ＋ｒ／ｌ＋　书㈩　

围岩表面变形显著增大，如何分析围岩性质对围　

式中：ｒ０为圆形巷道半径（　）；Ｒ　为松动圈半径　

岩表面变形的影响，从而采取合理的措施控制围　（　）；Ｒｐ为塑性圈半径（　）；　为塑性扩容系数；　

岩表面变形已经成为工程技术人员日益关心的问　

为考虑破裂区内围岩扩容影响参数；Ｅ为弹性　

题。本文通过理论分析得出了围岩表面变形的计　

模量（ＭＰａ）。　

算公式，在此基础上对围岩表面变形随围岩性质　

Ｐ可示为［１］：　

变化进行了较为“定量”分析，为深部开采矿压综　

一

（１＋　）（　ｓｉｎｇ＋ｃｃｏｓ９）　（２）　

合治理，确定巷道合理支护形式和参数保持围岩　

式中：　为？自松比；Ｐ。为原岩应力（ＭＰａ）；Ｃ为岩　

变形稳定提供依据。　

石内聚力（ＭＰａ）；　为岩石内摩擦角ｏ）。　

围岩表面变形的理论分析　

塑性区半径可据下式计算ｒｌ＿：　

女　一】　

圆形巷道围岩表面的变形公式为Ⅲ：　

＋南＋　］（薏）　

“一Ｔ２ｐｒｏ｛１　＋　１　

＼件玑

一　

一

］一　

一　

ｒｏ／　ｋｐ一１－Ｊ　ｋ　ｐ一１　

（３）　

收稿日期：２００９—１１—０９　

作者简介：杨蔡君（１９８Ｏ一），男，硕士研究生，主要研究方向为地下结构计算理论及应用。　

ｌ２　安徽建筑工业学院学报（自然科学版）　第ｌ８卷　

式中，Ｐ　为支护反力（ＭＰａ）；　。为系数，其值为岩　

（ｍ）。在此条件下分析围岩表面变形随原岩应　

石软化模量和弹性模量比值；尼　为系数，ｋ　

力、围岩性质（粘结力及内摩擦角）的变化。　

：　

±　．　

２．１　围岩表面变形随原岩应力的变化　

１－－ｓｉｎｑ￣’　

围岩性质如表１，圆形巷道半径Ｒ。一２０００　

破裂圈半径可示为口］：　

（ｍｍ），随巷道埋置深度增加，围岩表面变形增　

／￣＝ｒｏ｛｛　［　＋　］　

大，据式（１）～（４）计算得出的不同岩性围岩表面　

变形随原岩应力变化计算结果如图ｌ，变化关系　

ｒ　垄丝　］　一２４ｐ＋（１＋ｏ）（ａ，－ａ２）＼　

可示为：　

Ｌ　户＋（１＋　）（　—　）．Ｊ（　—１）（　＋　）　』　

Ｕ￣－－Ｕｌ＋走１ｅＰｏ　２　（１）　

）｝　㈤　

式中，Ｐ。为原岩应力（ＭＰａ）；Ｕ　，ｋ　，ｋ２为系数。　

不同岩性围岩表面变形随原岩应力变化回归　

式中，　为破碎区岩石剩余强度（ＭＰａ），　

方程及系数如表２。　

一　

￡　表１不同岩性力学性能参数　

１－－ｓｉｎｑ￣。　

力内　角　比　

对于深部开采围岩，可取　一１．３—１．５，ｋ２—　

岩性　

（ＭＰａ）

０．１，Ｏ＇ｃ　一Ｏ．２ａ，。　

２５　２．１　Ｏ．３Ｏ　

根据围岩的原岩应力，粘结力和内摩擦角可　

２３　

２．８　０．２８　

以分析围岩破裂圈、塑性圈半径从而确定围岩表　

２７　３．３　０．２５　

３０　

６．０　０．２０　

面变形。　

２围岩表面的影响因素分析　

表２不同岩性围岩表面变形随原岩应力变化回归方程　

岩性　回归方程　

安徽淮南新集矿区深部开采巷道围岩粘结力　

１　Ｍ一一７．９６＋８．５５ｅＰｏ／３　２７　

一

般为１．０～５．０（ＭＰａ），内摩擦角一般为２５。～　

２　“一一２０．７＋１．７３ｅＰｏ／２　６５　

３０。，弹性模量和泊松比分别在２．１～６．０（ＧＰａ）和　

３　“＝一Ｏ．６＋Ｏ．４８ｐ０　

０．２～０．３范围之间，巷道埋深一般为５００～８００　

４　“一一７．８＋１．７ｐｏ　

一　…　。。　

应山ｆＭＰａ）　

（ａ）岩性１　（ｂ）岩性２　（ｃ）岩性３　

（ｄ）岩性４　

图１不同岩性围岩录面变形随原岩压力变化　

由图１可知，岩性１及岩性２围岩表面变形　１４ＭＰａ，１６ＭＰａ，１８ＭＰａ，岩石内摩擦角为　—２２。时，　

随原岩应力的增加而显著增加，岩性３和岩性４　围岩表面变形随粘结力变化如图２；粘结力ｃ一１．０　

围岩表面变形随原岩应力增加近似成比例增加，　（ＭＰａ）时围岩表面变形随内摩擦角变化如图３。　

围岩性质越差，表面变形随原岩应力变化越显著，　当粘结力和内摩擦角较小时（ｃ为１．５～　

对于岩性１，当原岩应力由１２．ＯＭＰａ增加到　２．０ＭＰａ，　为１８—２２。），随岩石粘结力和内摩擦　

１４．ＯＭＰａ时，围岩表面变形增加近２５０ｍｍ左右，　角增大，围岩表面变形明显减小；当粘结力和内摩　

由此可见，深井软岩表现为极显著变形。　擦角增大到一定程度，围岩表面变形减小并不显　

２．２圆形巷道围岩表面变形随粘结力和内摩擦　著。当围岩岩性较差时，随原岩应力增加，围岩表　

角变化　面变形显著增加，围岩岩性较好时，原岩应力增大　

圆形巷道半径Ｒｏ＝２０００（ｍｍ），岩石弹陛模量Ｅ　对围岩表面变形影响不显著，由此可见，岩性较差　

＝２．０（ＧＰａ），泊松比　一０．３，原岩应力分别为　

－

的围岩，在深部开采巷道中更应加强支护；岩石粘　

第１期　杨蔡君，等：深井软岩表面变形随围岩性质变化分析　

表４不同原岩应力条件下圆形巷道　

表面变形随内摩擦角变化回归方程　

原岩应力　

１４ｍｐａ　

１６ｍｐａ　

１３　

结力小于１．０（ＭＰａ），内摩擦角小于２０。时，图示　

三种原岩应力条件下，深部开采巷道围岩表面都　

产生非常显著变形，并随原岩应力增加，表面变形　

增加非常明显，提高围岩粘结力和内摩擦角，即使　

深部开采巷道埋深增加，围岩表面变形增加也不　

回归方程　

“一１８４９．１２ｅ－　

．

“一５１８７ｅ－号　

“一１２８０５．６３ｅ－　

显著，通过注浆法改变围岩性质是保持深部开采　

１８ｍｐａ　

软弱围岩变形稳定最关键因素。　

０　５　Ｉ　Ｏ　１．５

２　Ｏ　２　

（ＭＰａ）

图２圆形巷道表面变形随粘结力变化　

Ｉ．１’

ｊ　

　１－ｌｌ

、　

ｌ＾１８

・ｌ

４

６

ＭＰ

ＭＰ

ａｉ　

ＭＰ

ａｌ

ａｉ

　

　

』　～　

｛’　

｛　＼　

＼‘　

１｝　、　

、

－、　

１Ｊ　、。。　一、　　｛　一　’ＬＪ　　—●　

　！

一—Ｔ…—一　—　１—一　

Ｉ　２¨　２２　２４　２０　２８　３０　

内睁摔痢　

图３圆形巷道表面变形随内摩擦角变化　

不同原岩应力条件下围岩表面变形随粘结　

力、内摩擦角变化回归方程如表３，４。　

表３不同原岩应力条件下圆形巷道表面　

变形随粘结力变化回归方程　

原岩应力　回归方程　

１４ｍｐａ　

“一３４．１６ｅ一　

１６ｍｐａ　

Ｍ一４７．３６ｅ一　

１８ｍｐａ　

“一６３．６６ｅ一　

３结　论　

围岩表面变形随埋深增加而增大，岩性较差　

时，表现更为显著；深部开采巷道围岩表面变形和　

岩性紧密相关，软弱围岩表现为极显著变形；通过　

注浆法改变围岩性质，提高岩石粘结力和内摩擦　

角是减小软弱围岩表面变形，保持深部开采软弱　

围岩稳定最有效手段。　

参考文献　

１　徐志英．岩石力学［Ｍ］．北京．中国水利水电出版　

社，２００８．　

２唐义明．潘三矿软岩巷道联合支护技术［Ｊ］＇矿山压力　

与顶板管理，２００３（１）：８－－９．　

３吴德义．新集三矿一５５０ｍ水平运输巷围岩稳定性早　

期判别［Ｊ］．建井技术，２００７（８）：２５—２８．　

４吴德义，程桦．软岩允许变形合理值现场估算［Ｊ］．岩　

土工程学报，２００８（７）：１Ｏ２９—１０３２．