第3期 任奋华等：破碎岩体巷道非对称破坏与变形规律定量预计与评价 ·223 计算时特别模拟了巷道的推进速度，根据开挖一定 旦采用合理的支护与加固模式后随着应力和变形的 长度所需要的时间来确定计算步数，鉴于破碎岩体 增加，屈服应力不断提高（应变硬化或强化）· 是一种松散介质，它对顶板支撑的力学作用只能近 如果锚杆加固系统能够足够支护力将松脱顶板 似地用弹性支撑体表述， 或危岩悬吊在稳定岩层中，就能减少和限制巷道顶 2.3支护模式的确定 板的下沉和离层或防止不稳定危岩的冒落、 如图2所示，当岩石材料达到峰值强度出现初 基于以上分析，确定合理的支护模式（材料性 始屈服后，演化至一定程度后出现应变软化现象，一 质、空间结构布局（尤其是高跨比值）以及强度参数 等)是保证岩体稳定的关键.根据Terzaghi提出的 峰值 应变硬化 岩石分类表中所给出的各类岩石的载荷高度（作用 在支护顶点的高度)值，岩层状态属于裂隙较多且块 应变软化 度小，局部区域完全破碎，侧压大，其载荷高度飞按 照下式计算： h=1.10X(B+H) (1) 式中，B为开挖断面宽度，m;H为开挖断面中高， m. 根据现场支护状况调查综合分析后对其支护模 图2概化的岩体应变硬化和软化曲线 式进行调整（表1），锚杆（索）力学参数见表2. Fig.2 Generalized strain hardening and softening curves of rock 表1锚杆与错素支护结构布局及相关参数 Table 1 Layout of supporting structure and corresponding parameters of the cable and bolt 断面形状及结构参数 锚杆一锚索支护参数 位置 断面形状宽度，B/m中高，H/m 锚杆长度/m顶帮锚杆间排距 错索长度/m 间距 110202上运卷 梯形 5.5 3.0 2.2 0.90m×0.90m 8.3 2.2m×2.0m 110202下运巷 梯形 3.7 3.6 2.2 0.85m×0.85m 8.3 在锚杆间隔2m装一锚索 表2锚杆与锚素物理力学参数 Table 2 Physical and mechanical parameters of the cable and bolt 支护材料直径/mm 泊松比，μ长度，L/m弹性模量，E/GPa屈服载荷，o/GPa锚固剂泊松比，！锚固剂弹性模量，E/GPa 锚杆 20.00 0.25 2.2 1.80 0.30 错素 15.24 0.25 8.3 1.85 0.30 2.4计算参数的选择 6 在软弱岩层中开挖的巷道，围岩破碎带内不稳 Mohr-Coulomb 定岩块在自重作用下也可能发生冒落，冒落趋势依 赖于岩石物理力学性质和地质特征，根据大量岩石 力学实验证实，岩石破坏后强度有所降低并产生劣 化1一].图3描述了与岩石材料有关的典型的应力 应变曲线18].破碎岩体物理力学性态有别于典型 Hoek-Brown 的弹塑性介质，因此采用Hoek Brown强度准则： 1,=3十m0.3十s (2) 式中，o,为岩石峰值强度时的最大主应力；3为最 图3与岩石材料有关典型的应力应变曲线 小主应力；m和s为材料常数，取决于岩石性质和 Fig.3 Typical stressstrain curve corresponding with rock material 原始破裂状况；。为为岩石单轴抗压强度.另外，当 数，由于地层主要为软弱岩层介质和煤，其平均容 拉应力达到岩石的抗拉强度时岩石材料破坏， 重为25kNm-3,计算区域埋深为180m,则其平均 表3给出了实验测试的岩石与煤的物理力学参 自重应力(oH)为4.5MPa,计算中采用Mohr一计算时特别模拟了巷道的推进速度‚根据开挖一定 长度所需要的时间来确定计算步数．鉴于破碎岩体 是一种松散介质‚它对顶板支撑的力学作用只能近 似地用弹性支撑体表述． 2∙3 支护模式的确定 如图2所示‚当岩石材料达到峰值强度出现初 始屈服后‚演化至一定程度后出现应变软化现象‚一 图2 概化的岩体应变硬化和软化曲线 Fig．2 Generalized strain hardening and softening curves of rock 旦采用合理的支护与加固模式后随着应力和变形的 增加‚屈服应力不断提高（应变硬化或强化）． 如果锚杆加固系统能够足够支护力将松脱顶板 或危岩悬吊在稳定岩层中‚就能减少和限制巷道顶 板的下沉和离层或防止不稳定危岩的冒落． 基于以上分析‚确定合理的支护模式（材料性 质、空间结构布局（尤其是高跨比值）以及强度参数 等）是保证岩体稳定的关键．根据 Terzaghi 提出的 岩石分类表中所给出的各类岩石的载荷高度（作用 在支护顶点的高度）值‚岩层状态属于裂隙较多且块 度小‚局部区域完全破碎‚侧压大‚其载荷高度 h 按 照下式计算： h＝1∙10×（B＋ H） （1） 式中‚B 为开挖断面宽度‚m；H 为开挖断面中高‚ m． 根据现场支护状况调查综合分析后对其支护模 式进行调整（表1）‚锚杆（索）力学参数见表2． 表1 锚杆与锚索支护结构布局及相关参数 Table1 Layout of supporting structure and corresponding parameters of the cable and bolt 位置 断面形状及结构参数 锚杆—锚索支护参数 断面形状 宽度‚B／m 中高‚H／m 锚杆长度／m 顶帮锚杆间排距 锚索长度／m 间距 110202上运巷 梯形 5∙5 3∙0 2∙2 0∙90m×0∙90m 8∙3 2∙2m×2∙0m 110202下运巷 梯形 3∙7 3∙6 2∙2 0∙85m×0∙85m 8∙3 在锚杆间隔2m 装一锚索 表2 锚杆与锚索物理力学参数 Table2 Physical and mechanical parameters of the cable and bolt 支护材料 直径／mm 泊松比‚μ 长度‚L／m 弹性模量‚E／GPa 屈服载荷‚σ1／GPa 锚固剂泊松比‚μ 锚固剂弹性模量‚E／GPa 锚杆 20∙00 0∙25 2∙2 2 1∙80 0∙30 3 锚索 15∙24 0∙25 8∙3 2 1∙85 0∙30 3 2∙4 计算参数的选择 在软弱岩层中开挖的巷道‚围岩破碎带内不稳 定岩块在自重作用下也可能发生冒落‚冒落趋势依 赖于岩石物理力学性质和地质特征．根据大量岩石 力学实验证实‚岩石破坏后强度有所降低并产生劣 化［16—17］．图3描述了与岩石材料有关的典型的应力 —应变曲线［18］．破碎岩体物理力学性态有别于典型 的弹塑性介质‚因此采用 Hoek—Brown 强度准则： σ1s＝σ3＋ mσcσ3＋sσ2 c （2） 式中‚σ1s为岩石峰值强度时的最大主应力；σ3 为最 小主应力；m 和 s 为材料常数‚取决于岩石性质和 原始破裂状况；σc 为为岩石单轴抗压强度．另外‚当 拉应力达到岩石的抗拉强度时岩石材料破坏． 表3给出了实验测试的岩石与煤的物理力学参 图3 与岩石材料有关典型的应力—应变曲线 Fig．3 Typical stress-strain curve corresponding with rock material 数．由于地层主要为软弱岩层介质和煤‚其平均容 重为25kN·m —3‚计算区域埋深为180m‚则其平均 自重应力（σH） 为 4∙5MPa．计算中采用 Mohr— 第3期 任奋华等： 破碎岩体巷道非对称破坏与变形规律定量预计与评价 ·223·