基于HoekBrown准则的围岩松动圈计算及现场测试.pdf
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基于HoekBrown准则的围岩松动圈计算及现场测试.pdf
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2011年第2期煤炭工程基于HoekBrown准则的围岩松动圈计算及现场测试李伟利”,王磊12,常聚才12(1安徽理T大学能源与安全学院,安徽淮南23200l;2安徽理工大学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)摘要:
为了研究巷道开挖后巷道周边应力分布特征及松动圈半径的大小,根据霍克布朗准则探讨了松动圈形成的力学机理,提出了松动圈半径的计算公式,并介绍了松动圈测试原理、测试方法及结果。
结果表明理论分析与现场实测是一致的,对井下支护设计具有一定的借鉴意义。
关键词:
围岩;巷道;松动圈;HockBrown准则中图分类号:
TD31文献标识码:
A文章编号:
16710959(2011)02-0097-03CalculationandsitemeasurementofsurroundingrockreleasedcirclebaseOilHockBtowncriterionLIWeilil-WANGLei一,CHANGJucail2(iSchool0fEnergyandS面ety,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,I-luaimn232001,China;2ProvincialandMinim-yofEducationJointEstablishedKeyLabofMineSafetyandHigIIEfficientMining。
Huainan232001。
China)Abstract:
Inordertostudythestressdistributionfeaturesofthesurroundingrocksalongthemineroadwayaftertheroadwayexcavatedandtheradiussizeofthereleasedcircle,accordingtotheHockBrownstrengthcriterion,thepaperdiscussedthemechanicsmechanismofthereleasedcircleformationandprovidedthecalculationformulaofthereleasedcircleradiusnepaperintroducedthemeasuringprinciplethe伽uringmethodandresultofthereleasedcircleTheresultsshowedthattheoreticalanalysisandthesiteactualmeasurementwouldbethe8,越lleandcouldprovidethereferencestothesupportdesignoftheundergroundmineKeywords:
surroundingrock;gateway;releasedcircle;HoekBrownstrengthcriterion巷道开挖后应力将重新分布,在周围产生松动圈,目前关于围岩松动圈的形成范围,国内外众多学者提出了很多研究方法,但是多数处于现场测试的层面上,也有一些学者从莫尔一库伦准则提出了一些理论取得了一些成果。
文章基于HockBrown准则从力学上研究其机理,并且通过声波测试证明其理论的正确性。
l围岩松动圈理论计算11力学模型的建立设巷道为圆形巷道,垂直应力为P0、水平应力为AP0,A为侧压系数,具体计算模型如图l所示。
12巷道周边弹性应力计算巷道开挖在弹性状态时,在距离巷道中心为r处应力分别为径向应力为盯,切向应力为,剪切应力为矿帕其弹性Po图1松动圈理论计算模型解为基尔希解:
町=i1(1+A)Po(1一手)+(A一1)收稿日期:
20100802作者简介:
李伟利(1985一),男,安徽淮北人,2009年毕业于安徽理工大学能源与安全学院采矿工程专业,研究方向为矿山压力与岩层控制。
万方数据煤炭工程2011年第2期一4ar2+3_ar4v
(1)c。
82p一47+37)c。
82p=(1+a)P0(1702)一(A1)p(13冬)cos20=虿1(1一A)Po(1+2等)一3704)siIl2一当A=1时为各向等压状态其解为:
一肌(一号)吖=po(+;)or坩=013巷道周边塑性状态应力计算HoekBrown破坏准则是在岩石力学和1二程领域得到广泛应用的强度理论,它是在总结大量试验数据的基础上获得的经验准则。
它是能够反映岩石断裂、层理、完整性的一种非线性的强度准则,具体的准则公式见式
(2)。
巷道开挖后一开始处于弹性状态,但是岩体的应力一旦达到了极限应力时,岩体将进入塑性区,塑性区内的应力分布,由图1中的单元体的平衡得公式
(1)。
垒卫一孥:
o(平衡方程)
(1)塑性满足HockBrown准则,则有:
=町+石石蕊
(2)联合式
(1)、式
(2)得:
堑竖!
曼王一挚:
o移项两边同时积分得:
lnr+C:
L而瓦蕊(3)+=Lm盯盯。
r+_s矿(3)rto-corr式中,盯。
为单轴抗压强度,m;s为两个无量纲系数,m与岩性有关,而s则反映岩石的完整性;C为积分常数。
将边界条件r=a,以=0代入式(3)求得:
c:
堑一l再将C代回式(3)得:
一等(n寺+等)2一。
(4)联合式
(2)、式(4)得:
铲孚(-n+等)214松动圈半径计算随着岩体到达极限应力状态,塑性区产生之后不断演化就会形成一个松动圈,松动圈半径为心,则RD弹塑性交98界面上弹性应力与塑性应力应相等,根据这一理论可求松动圈半径。
所以在|R0处,即弹塑性区交界面处,弹性区内两应力之和与塑性区内应力之和应相等。
or口+Or=2Po(6)等(In譬+等)2+等(In鲁+等)2一。
(7)由式(6)、式(7)相等得:
孚(In譬+等)2+孚(In譬+等)2一。
一2R=o解一元二次方程可得:
eo=0e”育(8)其中,茹:
竺型尘挚!
竺尘堕L,r,oo2计算实例淮南矿业集团12123回采工作面的运输巷为试验巷道,巷道长1610m,该巷道东临12113工作面,巷道的埋深为一575m左右,位于煤厚平均35m,煤层结构简单赋存稳定的煤层中。
直接顶为粉细砂岩,厚度为64m;直接底为泥岩,厚度为361m,灰色,块状为主,岩石性软,滑面较发育,多植化碎片。
根据现场的巷道岩性的具体情况,取盯。
=18MPa、P0=IOMPa、m=628、s=00209代入式(8)计算得:
岛一1476m。
3现场实测31测试原理弹性模量与介质的强度之间存在相关性。
超声波在岩土介质和结构物中的传播参数(声时值、声速、波幅、衰减系数等)与岩土介质和结构物的物理力学指标(动态弹模、密度、强度等)之间的相关关系就是超声波检测的理论依据。
围岩应力越大,岩体越致密,裂隙越少,声波在岩体中的传播速度就越快,反之亦然。
岩体结构相同但岩性不同,声波在其中传播速度就不同。
在相同岩性的岩体中,声波速度及振幅的衰减与结构面的性质、发育程度有密切关系。
围岩未受爆破影响,完整性好,其纵波速度高,围岩受爆破影响大,节理裂隙多或较破碎,其纵波速度低,这也是利用波速一孔深曲线划分松动圈的地球物理前提。
单孔声波法,利用专用一发双收换能器在钻孔中测量岩土孔壁滑行波的波速来判断周岩的破碎程度。
用清水作耦合剂,沿孔深方向每02m布置一个测点,对整孔进行测试如图2所示。
测试参数为纵波传播时间,并根据两接收换能器之间的距离,求得波速值匕屹=(t2一tI)缸。
心堑mr一口h芋万方数据2011年第2期煤炭工程式中s两接收换能器之间的距离,m;I:
、。
分别到达接收换能器1和2的时间,8。
将各测点所得的波速值绘制成孔深(Z)与波速(吒)关系曲线,根据曲线中的波速变化划分松动圈范围。
根据弹塑性介质中波动理论,应力波波速:
v一量(!
=些)P(1+p)(1一跏)式中E一弹性模量,GPa;p-叫的密度,gm3;,l煤的泊松比。
圈2单孔声波测试示意图32测点布置在监测巷道布置5组测站。
第l孔距工作面25m,l。
一5。
孔的总距离为40m,相I临各孔间距为10m。
所有煤壁钻孔均距巷道底板15m。
尽量沿一条水平线布置。
钻孔直径为4550mm。
煤壁孔深为43m。
钻孔布置如图3所示。
I一4mnI曩一一504#3#2#。
10一25m0煤壁钻孔辱10m圈3探测钻孔布置图33测试结果测试采用单孔声波探测,在试验巷道按照图3布置5个测站,测试结果如图4和图5所示。
由于声波在不同介质中传播速度的差异性,通过检测出钻孔中出现异常波速的位置就可以确定破碎范围。
由图4孔深与波速的关系曲线,可以看出在0152m范围内出现波速降低,调出该处的声时图(见图5)可以看出,波形基本平滑,没有较大的起伏,可以判断松动范围大概是。
一152m可知心=152m,这与理论计算的风一1476m是基本一致的。
4结论1)巷道的松动圈半径与围岩的单轴抗压强度叽、岩,3500姜袭3000越垂2500睽20001500幽燃亓|f,|L|广户一L一、_,000510152025303540:
fLi莉m图4孔深与波速关系曲线、叭一八。
L一,、JVWW一一卜I,100150200250300时间tlls图5152m处声时图石的岩性m、岩石的完整性s、巷道的埋藏深度等有关。
2)由声波测试的结果来看,与采用HoekBrown准则理论研究的结果是基本相同的,因此证明理论计算是基本符合现场实际的。
具有一定的推广意义。
3)由松动圈半径的公式可以看出,其大小与岩性有关,因此现场在布置巷道时应尽量布置在岩性较好m较小的地方。
4)巷道松动圈的计算结果为巷道的锚杆支护设计提供了理论依据。
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(2):
6369(责任编辑郭继圣)991j1n眨口Hp万方数据
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