馬海亮

摘要：當(dāng)前的快速掘進(jìn)巷道構(gòu)建主要是通過(guò)圓形的界面構(gòu)建的，同時(shí)這種類型的墻壁一般來(lái)說(shuō)沒有受到過(guò)于強(qiáng)烈的爆破震蕩的影響。相對(duì)于其他種類的巷壁來(lái)說(shuō)更加完整以及不斷裂。在這樣的前提之下，我們可以通過(guò)運(yùn)用力學(xué)中的連續(xù)介質(zhì)理論框架來(lái)對(duì)整個(gè)巷壁和支護(hù)體進(jìn)行共同的作用構(gòu)建。正是基于這個(gè)理論，我們可以進(jìn)行發(fā)散思維，運(yùn)用粘彈性理論進(jìn)行有建設(shè)性的構(gòu)架和分析，同時(shí)基于這種框架，對(duì)整個(gè)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了相對(duì)作用下的構(gòu)建和分析。

關(guān)鍵詞：快速掘進(jìn) 巷道巖石 支護(hù) 共同作用 三維應(yīng)力

當(dāng)前的巷道和對(duì)應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行共同作用框架核心就是由于巖石自身的特性進(jìn)行滯彈性變形的構(gòu)建，并在這種構(gòu)建情況的引導(dǎo)下，在對(duì)整個(gè)巷道進(jìn)行開挖以及支護(hù)下，整個(gè)圍巖框架通過(guò)收斂產(chǎn)生了對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的反作用力，并且這種力度會(huì)隨著時(shí)間產(chǎn)生各種變化。作用力與反作用力構(gòu)建在這種相對(duì)狹小封閉的框架中的直接后果就是使得支護(hù)所受到的力度越來(lái)越大。如果我們?cè)谶M(jìn)行施工支護(hù)的時(shí)候不對(duì)這種力度進(jìn)行一個(gè)相對(duì)精確的估計(jì)和測(cè)量，那么這種越來(lái)越大的施力會(huì)使得整個(gè)支護(hù)的結(jié)構(gòu)處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)對(duì)支護(hù)的安全產(chǎn)生相對(duì)的危險(xiǎn)。針對(duì)這種情況，本文著重討論其三維構(gòu)架下的應(yīng)力求解。

1 受力分析模型構(gòu)建和應(yīng)力分析

處于理想情況下的受力模型構(gòu)建下，假設(shè)有一個(gè)長(zhǎng)度為最大值的圓柱體安裝在一個(gè)無(wú)限大的巖石構(gòu)成體中，這個(gè)巖石構(gòu)成體所受到的力構(gòu)建即為三維應(yīng)力，那么我們可以假設(shè)這個(gè)圓筒自身的半徑即為a和b。在這種情況下，圓筒自身就代表著支護(hù)體的構(gòu)成。我們可以假設(shè)這個(gè)支護(hù)體所安裝的時(shí)間并不長(zhǎng)，是在整個(gè)巖體進(jìn)行開挖之后才被裝上去的，其間隔時(shí)間我們可以設(shè)置為T1。這個(gè)時(shí)候我們就可以進(jìn)行大膽的猜想，在T1之后，整體的圍巖以及支護(hù)就開始共同協(xié)作產(chǎn)生了作用。本文試圖利用對(duì)應(yīng)的公式和計(jì)算來(lái)推測(cè)出整個(gè)支護(hù)體內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力分布以及所對(duì)應(yīng)的位移情況。

根據(jù)上述文字中構(gòu)建的模型我們可以假定如下情況。首先，沿著支護(hù)體的軸向沒有應(yīng)力或者是其他的物理量的改變，也就是說(shuō)在虛擬模型上的框架中，變量z和應(yīng)力等其余的物理量不發(fā)生關(guān)系。其次，在我們進(jìn)行巷道的開挖前后，針對(duì)于軸向的應(yīng)變數(shù)值也應(yīng)該保持一個(gè)恒定的常量，這樣就會(huì)使得支護(hù)被嵌入的時(shí)間成為時(shí)間t開始進(jìn)行的位置。然后我們就可以得出下面的這種算式：

εIz=0

εIIz（t）=■[σz-vr（σx+σy）]=const

在上述的算式當(dāng)中，I和II分別可以代表支護(hù)以及巖石，另外Br和vr則可以代表掩飾自身的彈性常數(shù)構(gòu)建，另外σz、σx、σy則是對(duì)應(yīng)位置上所標(biāo)示的原巖應(yīng)力分量。

根據(jù)上述結(jié)論我們可以看到，如果我們把巖石以及對(duì)應(yīng)的支護(hù)體統(tǒng)一看作是線性構(gòu)架下的粘彈性體，并根據(jù)單向負(fù)載荷重構(gòu)建下的橫向以及對(duì)應(yīng)縱向的蠕變函數(shù)進(jìn)行自身結(jié)構(gòu)的描繪，那么如果想要對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行解釋和分析就會(huì)變得很容易。在這里我們可以用符號(hào)來(lái)進(jìn)行代替分析。假設(shè)說(shuō)縱向以及對(duì)應(yīng)橫向的蠕變函數(shù)用符號(hào)代替分別為■和-■ （這里假設(shè)B為彈性模量，同時(shí)v為泊松比），那么我們就可以知道整個(gè)粘彈性體的本體關(guān)系構(gòu)建：

εII=d/dt{[a1（t）-a2（t）]*σII（t）+[a2（t）*θ（t）]δII}

2 運(yùn)用案例進(jìn)行巖石地應(yīng)力的三維實(shí)測(cè)和巷道穩(wěn)定性探索

本文所采用的案例是山東的某礦場(chǎng)。本文將重點(diǎn)分析其中的某幾個(gè)地應(yīng)力和巷道的受力分析，來(lái)對(duì)支護(hù)進(jìn)行合理的分析和實(shí)踐。

2.1 如何確定地應(yīng)力的自身大小

假設(shè)目前的地下某一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分量數(shù)值分別為σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz并且這六個(gè)變量我們可以統(tǒng)一構(gòu)建成為一個(gè)變量σXYZ，那么我們可以確定其中的主應(yīng)力大小分別為σ1 σ2 σ3，同時(shí)基于這之間的關(guān)系，大地坐標(biāo)所采用的XYZ關(guān)系可以用這九個(gè)方向進(jìn)行對(duì)應(yīng)的余弦值確定。同時(shí)，如果我們?cè)谶M(jìn)行對(duì)應(yīng)的地應(yīng)力實(shí)測(cè)當(dāng)中，一般說(shuō)來(lái)鉆孔和大地系的坐標(biāo)軸終會(huì)成為以下兩種角度之一的構(gòu)建，即仰角或者是俯角。如果我們使用xyz作為整體的鉆孔坐標(biāo)框架，那么這里的地應(yīng)力構(gòu)建就應(yīng)該被記做如下的形式：σ′xyz =（σx ，σy，σz，τxy，τyz，τxz）

在這個(gè)式子當(dāng)中，括號(hào)中的六個(gè)坐標(biāo)可以分別對(duì)應(yīng)地應(yīng)力所包含的六個(gè)分量，而每個(gè)下角標(biāo)中，單獨(dú)存在一個(gè)字母的分量則表示成為正應(yīng)力的對(duì)照，而兩個(gè)字母則表示為剪應(yīng)力的對(duì)照。為了方便記憶，我們可以規(guī)定這其中的x軸為水平孔徑的方向，同時(shí)z軸也和鉆孔的軸線進(jìn)行重疊。因此根據(jù)上述條件可知，如果在進(jìn)行鉆孔自身的應(yīng)力檢測(cè)當(dāng)中得到了對(duì)應(yīng)σ′xyz的全部數(shù)值，同時(shí)對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行雙重轉(zhuǎn)換，就可以得到σxyz的全部結(jié)果，并由此也可以推論出主要的盈利大小以及對(duì)應(yīng)方向構(gòu)建。在這里，我們可以設(shè)置一個(gè)進(jìn)行中轉(zhuǎn)的過(guò)渡坐標(biāo)系x′y′z′，并且我們也可以把σ′xyz進(jìn)行轉(zhuǎn)換，處理成σ′x′y′z。同時(shí)設(shè)定坐標(biāo)自身進(jìn)行旋轉(zhuǎn)傾角為α。他們之間的關(guān)系公式為：σ′x′y′z=Tασ′xyz

在這個(gè)算式當(dāng)中，Tα是一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣，其自身的階應(yīng)力構(gòu)架為6*6，同時(shí)，在類似構(gòu)架下，x′y′z′所組成的過(guò)渡坐標(biāo)系的地應(yīng)力分量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并使其旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到一個(gè)方位角度β，我們就可以經(jīng)過(guò)這種代換得到一個(gè)最后的結(jié)論：σxyz=Tβσx′y′z。

在這個(gè)算式當(dāng)中，Tβ和Tα一樣，也是一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣，其自身的階應(yīng)力構(gòu)架同樣為6*6。因此，其主要的分量也是由x′y′z′的整體坐標(biāo)系通過(guò)對(duì)原有角度進(jìn)行β度數(shù)的旋轉(zhuǎn)之后，通過(guò)上述的九個(gè)方向自身的余弦值進(jìn)行組合而最終構(gòu)成的。因此我們可知，無(wú)論目標(biāo)對(duì)象是處于什么樣的坐標(biāo)系下，我們都可以根據(jù)當(dāng)前所獲得的盈利分量進(jìn)行對(duì)主應(yīng)力（σx，σy，σz）的大小數(shù)值確定，并且我們所能確定的數(shù)值具有唯一性和獨(dú)特性。

2.2 計(jì)算該礦場(chǎng)的應(yīng)力以及位移

基本資料構(gòu)建：長(zhǎng)度單位：米，時(shí)間單位：月

計(jì)算巖石以及對(duì)應(yīng)支護(hù)的蠕變函數(shù)構(gòu)建：

C1（t）=0.81×10-5+0.29×10-5[1-exp（-0.12×10-12t）][kg/cm2]-1

C2（t）=-0.15×10-5-0.94×10-6[1-exp（-0.12×10-12t）][kg/cm2]-1

A1（t）=0.36×10-5+0.22×10-5[1-exp（-0.12×10-11t）] [kg/cm2]/P

A2（t）=-0.7×10-5-0.45×10-6[1-exp（-0.12×10-11t）] [kg/cm2]/P

同時(shí)公共邊的交界問題是通過(guò)焊接解決的。下圖是當(dāng)r=10.2m，θ=30°時(shí)的主應(yīng)力和最大的剪應(yīng)力隨著時(shí)間的不斷變化產(chǎn)生的曲線。右側(cè)的圖片則是r=10.1m，θ=30°時(shí)的曲線。

■

圖1 圖2

本文上述所運(yùn)用的思路僅僅局限在線性粘彈性框架下。公式比較復(fù)雜，但是可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。這種思路運(yùn)用廣泛，還可以在石油測(cè)量和鉆探方面進(jìn)行實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐俊勇，吳忠，王有凱，曾偉麟，田鳳岐，王思鵬.高應(yīng)力區(qū)不良巖層中巷道支護(hù)技術(shù)的研究[J].東北煤炭技術(shù)，1994（04）.

[2]吳滿路，張春山，廖椿庭，馬寅生，區(qū)明益.青藏高原腹地現(xiàn)今地應(yīng)力測(cè)量與應(yīng)力狀態(tài)研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2005（02）.

[3]張延新，蔡美峰，王克忠.平頂山一礦地應(yīng)力分布特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（23）.

[4]李光煜，白世偉.巖體應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)研究[J].巖土力學(xué)，1979（01）.

[5]李光煜，朱祚鐸，江鳴明.大瑤山隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué)，1988（04）.

[6]白世偉，丁銳.空心包體應(yīng)力測(cè)量的幾個(gè)問題[J].巖土力學(xué)，1992（01）.endprint

摘要：當(dāng)前的快速掘進(jìn)巷道構(gòu)建主要是通過(guò)圓形的界面構(gòu)建的，同時(shí)這種類型的墻壁一般來(lái)說(shuō)沒有受到過(guò)于強(qiáng)烈的爆破震蕩的影響。相對(duì)于其他種類的巷壁來(lái)說(shuō)更加完整以及不斷裂。在這樣的前提之下，我們可以通過(guò)運(yùn)用力學(xué)中的連續(xù)介質(zhì)理論框架來(lái)對(duì)整個(gè)巷壁和支護(hù)體進(jìn)行共同的作用構(gòu)建。正是基于這個(gè)理論，我們可以進(jìn)行發(fā)散思維，運(yùn)用粘彈性理論進(jìn)行有建設(shè)性的構(gòu)架和分析，同時(shí)基于這種框架，對(duì)整個(gè)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了相對(duì)作用下的構(gòu)建和分析。

關(guān)鍵詞：快速掘進(jìn) 巷道巖石 支護(hù) 共同作用 三維應(yīng)力

當(dāng)前的巷道和對(duì)應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行共同作用框架核心就是由于巖石自身的特性進(jìn)行滯彈性變形的構(gòu)建，并在這種構(gòu)建情況的引導(dǎo)下，在對(duì)整個(gè)巷道進(jìn)行開挖以及支護(hù)下，整個(gè)圍巖框架通過(guò)收斂產(chǎn)生了對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的反作用力，并且這種力度會(huì)隨著時(shí)間產(chǎn)生各種變化。作用力與反作用力構(gòu)建在這種相對(duì)狹小封閉的框架中的直接后果就是使得支護(hù)所受到的力度越來(lái)越大。如果我們?cè)谶M(jìn)行施工支護(hù)的時(shí)候不對(duì)這種力度進(jìn)行一個(gè)相對(duì)精確的估計(jì)和測(cè)量，那么這種越來(lái)越大的施力會(huì)使得整個(gè)支護(hù)的結(jié)構(gòu)處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)對(duì)支護(hù)的安全產(chǎn)生相對(duì)的危險(xiǎn)。針對(duì)這種情況，本文著重討論其三維構(gòu)架下的應(yīng)力求解。

1 受力分析模型構(gòu)建和應(yīng)力分析

處于理想情況下的受力模型構(gòu)建下，假設(shè)有一個(gè)長(zhǎng)度為最大值的圓柱體安裝在一個(gè)無(wú)限大的巖石構(gòu)成體中，這個(gè)巖石構(gòu)成體所受到的力構(gòu)建即為三維應(yīng)力，那么我們可以假設(shè)這個(gè)圓筒自身的半徑即為a和b。在這種情況下，圓筒自身就代表著支護(hù)體的構(gòu)成。我們可以假設(shè)這個(gè)支護(hù)體所安裝的時(shí)間并不長(zhǎng)，是在整個(gè)巖體進(jìn)行開挖之后才被裝上去的，其間隔時(shí)間我們可以設(shè)置為T1。這個(gè)時(shí)候我們就可以進(jìn)行大膽的猜想，在T1之后，整體的圍巖以及支護(hù)就開始共同協(xié)作產(chǎn)生了作用。本文試圖利用對(duì)應(yīng)的公式和計(jì)算來(lái)推測(cè)出整個(gè)支護(hù)體內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力分布以及所對(duì)應(yīng)的位移情況。

根據(jù)上述文字中構(gòu)建的模型我們可以假定如下情況。首先，沿著支護(hù)體的軸向沒有應(yīng)力或者是其他的物理量的改變，也就是說(shuō)在虛擬模型上的框架中，變量z和應(yīng)力等其余的物理量不發(fā)生關(guān)系。其次，在我們進(jìn)行巷道的開挖前后，針對(duì)于軸向的應(yīng)變數(shù)值也應(yīng)該保持一個(gè)恒定的常量，這樣就會(huì)使得支護(hù)被嵌入的時(shí)間成為時(shí)間t開始進(jìn)行的位置。然后我們就可以得出下面的這種算式：

εIz=0

εIIz（t）=■[σz-vr（σx+σy）]=const

在上述的算式當(dāng)中，I和II分別可以代表支護(hù)以及巖石，另外Br和vr則可以代表掩飾自身的彈性常數(shù)構(gòu)建，另外σz、σx、σy則是對(duì)應(yīng)位置上所標(biāo)示的原巖應(yīng)力分量。

根據(jù)上述結(jié)論我們可以看到，如果我們把巖石以及對(duì)應(yīng)的支護(hù)體統(tǒng)一看作是線性構(gòu)架下的粘彈性體，并根據(jù)單向負(fù)載荷重構(gòu)建下的橫向以及對(duì)應(yīng)縱向的蠕變函數(shù)進(jìn)行自身結(jié)構(gòu)的描繪，那么如果想要對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行解釋和分析就會(huì)變得很容易。在這里我們可以用符號(hào)來(lái)進(jìn)行代替分析。假設(shè)說(shuō)縱向以及對(duì)應(yīng)橫向的蠕變函數(shù)用符號(hào)代替分別為■和-■ （這里假設(shè)B為彈性模量，同時(shí)v為泊松比），那么我們就可以知道整個(gè)粘彈性體的本體關(guān)系構(gòu)建：

εII=d/dt{[a1（t）-a2（t）]*σII（t）+[a2（t）*θ（t）]δII}

2 運(yùn)用案例進(jìn)行巖石地應(yīng)力的三維實(shí)測(cè)和巷道穩(wěn)定性探索

本文所采用的案例是山東的某礦場(chǎng)。本文將重點(diǎn)分析其中的某幾個(gè)地應(yīng)力和巷道的受力分析，來(lái)對(duì)支護(hù)進(jìn)行合理的分析和實(shí)踐。

2.1 如何確定地應(yīng)力的自身大小

假設(shè)目前的地下某一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分量數(shù)值分別為σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz并且這六個(gè)變量我們可以統(tǒng)一構(gòu)建成為一個(gè)變量σXYZ，那么我們可以確定其中的主應(yīng)力大小分別為σ1 σ2 σ3，同時(shí)基于這之間的關(guān)系，大地坐標(biāo)所采用的XYZ關(guān)系可以用這九個(gè)方向進(jìn)行對(duì)應(yīng)的余弦值確定。同時(shí)，如果我們?cè)谶M(jìn)行對(duì)應(yīng)的地應(yīng)力實(shí)測(cè)當(dāng)中，一般說(shuō)來(lái)鉆孔和大地系的坐標(biāo)軸終會(huì)成為以下兩種角度之一的構(gòu)建，即仰角或者是俯角。如果我們使用xyz作為整體的鉆孔坐標(biāo)框架，那么這里的地應(yīng)力構(gòu)建就應(yīng)該被記做如下的形式：σ′xyz =（σx ，σy，σz，τxy，τyz，τxz）

在這個(gè)式子當(dāng)中，括號(hào)中的六個(gè)坐標(biāo)可以分別對(duì)應(yīng)地應(yīng)力所包含的六個(gè)分量，而每個(gè)下角標(biāo)中，單獨(dú)存在一個(gè)字母的分量則表示成為正應(yīng)力的對(duì)照，而兩個(gè)字母則表示為剪應(yīng)力的對(duì)照。為了方便記憶，我們可以規(guī)定這其中的x軸為水平孔徑的方向，同時(shí)z軸也和鉆孔的軸線進(jìn)行重疊。因此根據(jù)上述條件可知，如果在進(jìn)行鉆孔自身的應(yīng)力檢測(cè)當(dāng)中得到了對(duì)應(yīng)σ′xyz的全部數(shù)值，同時(shí)對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行雙重轉(zhuǎn)換，就可以得到σxyz的全部結(jié)果，并由此也可以推論出主要的盈利大小以及對(duì)應(yīng)方向構(gòu)建。在這里，我們可以設(shè)置一個(gè)進(jìn)行中轉(zhuǎn)的過(guò)渡坐標(biāo)系x′y′z′，并且我們也可以把σ′xyz進(jìn)行轉(zhuǎn)換，處理成σ′x′y′z。同時(shí)設(shè)定坐標(biāo)自身進(jìn)行旋轉(zhuǎn)傾角為α。他們之間的關(guān)系公式為：σ′x′y′z=Tασ′xyz

在這個(gè)算式當(dāng)中，Tα是一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣，其自身的階應(yīng)力構(gòu)架為6*6，同時(shí)，在類似構(gòu)架下，x′y′z′所組成的過(guò)渡坐標(biāo)系的地應(yīng)力分量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并使其旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到一個(gè)方位角度β，我們就可以經(jīng)過(guò)這種代換得到一個(gè)最后的結(jié)論：σxyz=Tβσx′y′z。

在這個(gè)算式當(dāng)中，Tβ和Tα一樣，也是一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣，其自身的階應(yīng)力構(gòu)架同樣為6*6。因此，其主要的分量也是由x′y′z′的整體坐標(biāo)系通過(guò)對(duì)原有角度進(jìn)行β度數(shù)的旋轉(zhuǎn)之后，通過(guò)上述的九個(gè)方向自身的余弦值進(jìn)行組合而最終構(gòu)成的。因此我們可知，無(wú)論目標(biāo)對(duì)象是處于什么樣的坐標(biāo)系下，我們都可以根據(jù)當(dāng)前所獲得的盈利分量進(jìn)行對(duì)主應(yīng)力（σx，σy，σz）的大小數(shù)值確定，并且我們所能確定的數(shù)值具有唯一性和獨(dú)特性。

2.2 計(jì)算該礦場(chǎng)的應(yīng)力以及位移

基本資料構(gòu)建：長(zhǎng)度單位：米，時(shí)間單位：月

計(jì)算巖石以及對(duì)應(yīng)支護(hù)的蠕變函數(shù)構(gòu)建：

C1（t）=0.81×10-5+0.29×10-5[1-exp（-0.12×10-12t）][kg/cm2]-1

C2（t）=-0.15×10-5-0.94×10-6[1-exp（-0.12×10-12t）][kg/cm2]-1

A1（t）=0.36×10-5+0.22×10-5[1-exp（-0.12×10-11t）] [kg/cm2]/P

A2（t）=-0.7×10-5-0.45×10-6[1-exp（-0.12×10-11t）] [kg/cm2]/P

同時(shí)公共邊的交界問題是通過(guò)焊接解決的。下圖是當(dāng)r=10.2m，θ=30°時(shí)的主應(yīng)力和最大的剪應(yīng)力隨著時(shí)間的不斷變化產(chǎn)生的曲線。右側(cè)的圖片則是r=10.1m，θ=30°時(shí)的曲線。

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圖1 圖2

本文上述所運(yùn)用的思路僅僅局限在線性粘彈性框架下。公式比較復(fù)雜，但是可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。這種思路運(yùn)用廣泛，還可以在石油測(cè)量和鉆探方面進(jìn)行實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]龐俊勇，吳忠，王有凱，曾偉麟，田鳳岐，王思鵬.高應(yīng)力區(qū)不良巖層中巷道支護(hù)技術(shù)的研究[J].東北煤炭技術(shù)，1994（04）.

[2]吳滿路，張春山，廖椿庭，馬寅生，區(qū)明益.青藏高原腹地現(xiàn)今地應(yīng)力測(cè)量與應(yīng)力狀態(tài)研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2005（02）.

[3]張延新，蔡美峰，王克忠.平頂山一礦地應(yīng)力分布特征研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004（23）.

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[6]白世偉，丁銳.空心包體應(yīng)力測(cè)量的幾個(gè)問題[J].巖土力學(xué)，1992（01）.endprint

摘要：當(dāng)前的快速掘進(jìn)巷道構(gòu)建主要是通過(guò)圓形的界面構(gòu)建的，同時(shí)這種類型的墻壁一般來(lái)說(shuō)沒有受到過(guò)于強(qiáng)烈的爆破震蕩的影響。相對(duì)于其他種類的巷壁來(lái)說(shuō)更加完整以及不斷裂。在這樣的前提之下，我們可以通過(guò)運(yùn)用力學(xué)中的連續(xù)介質(zhì)理論框架來(lái)對(duì)整個(gè)巷壁和支護(hù)體進(jìn)行共同的作用構(gòu)建。正是基于這個(gè)理論，我們可以進(jìn)行發(fā)散思維，運(yùn)用粘彈性理論進(jìn)行有建設(shè)性的構(gòu)架和分析，同時(shí)基于這種框架，對(duì)整個(gè)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了相對(duì)作用下的構(gòu)建和分析。

關(guān)鍵詞：快速掘進(jìn) 巷道巖石 支護(hù) 共同作用 三維應(yīng)力

當(dāng)前的巷道和對(duì)應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行共同作用框架核心就是由于巖石自身的特性進(jìn)行滯彈性變形的構(gòu)建，并在這種構(gòu)建情況的引導(dǎo)下，在對(duì)整個(gè)巷道進(jìn)行開挖以及支護(hù)下，整個(gè)圍巖框架通過(guò)收斂產(chǎn)生了對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的反作用力，并且這種力度會(huì)隨著時(shí)間產(chǎn)生各種變化。作用力與反作用力構(gòu)建在這種相對(duì)狹小封閉的框架中的直接后果就是使得支護(hù)所受到的力度越來(lái)越大。如果我們?cè)谶M(jìn)行施工支護(hù)的時(shí)候不對(duì)這種力度進(jìn)行一個(gè)相對(duì)精確的估計(jì)和測(cè)量，那么這種越來(lái)越大的施力會(huì)使得整個(gè)支護(hù)的結(jié)構(gòu)處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)對(duì)支護(hù)的安全產(chǎn)生相對(duì)的危險(xiǎn)。針對(duì)這種情況，本文著重討論其三維構(gòu)架下的應(yīng)力求解。

1 受力分析模型構(gòu)建和應(yīng)力分析

處于理想情況下的受力模型構(gòu)建下，假設(shè)有一個(gè)長(zhǎng)度為最大值的圓柱體安裝在一個(gè)無(wú)限大的巖石構(gòu)成體中，這個(gè)巖石構(gòu)成體所受到的力構(gòu)建即為三維應(yīng)力，那么我們可以假設(shè)這個(gè)圓筒自身的半徑即為a和b。在這種情況下，圓筒自身就代表著支護(hù)體的構(gòu)成。我們可以假設(shè)這個(gè)支護(hù)體所安裝的時(shí)間并不長(zhǎng)，是在整個(gè)巖體進(jìn)行開挖之后才被裝上去的，其間隔時(shí)間我們可以設(shè)置為T1。這個(gè)時(shí)候我們就可以進(jìn)行大膽的猜想，在T1之后，整體的圍巖以及支護(hù)就開始共同協(xié)作產(chǎn)生了作用。本文試圖利用對(duì)應(yīng)的公式和計(jì)算來(lái)推測(cè)出整個(gè)支護(hù)體內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力分布以及所對(duì)應(yīng)的位移情況。

根據(jù)上述文字中構(gòu)建的模型我們可以假定如下情況。首先，沿著支護(hù)體的軸向沒有應(yīng)力或者是其他的物理量的改變，也就是說(shuō)在虛擬模型上的框架中，變量z和應(yīng)力等其余的物理量不發(fā)生關(guān)系。其次，在我們進(jìn)行巷道的開挖前后，針對(duì)于軸向的應(yīng)變數(shù)值也應(yīng)該保持一個(gè)恒定的常量，這樣就會(huì)使得支護(hù)被嵌入的時(shí)間成為時(shí)間t開始進(jìn)行的位置。然后我們就可以得出下面的這種算式：

εIz=0

εIIz（t）=■[σz-vr（σx+σy）]=const

在上述的算式當(dāng)中，I和II分別可以代表支護(hù)以及巖石，另外Br和vr則可以代表掩飾自身的彈性常數(shù)構(gòu)建，另外σz、σx、σy則是對(duì)應(yīng)位置上所標(biāo)示的原巖應(yīng)力分量。

根據(jù)上述結(jié)論我們可以看到，如果我們把巖石以及對(duì)應(yīng)的支護(hù)體統(tǒng)一看作是線性構(gòu)架下的粘彈性體，并根據(jù)單向負(fù)載荷重構(gòu)建下的橫向以及對(duì)應(yīng)縱向的蠕變函數(shù)進(jìn)行自身結(jié)構(gòu)的描繪，那么如果想要對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行解釋和分析就會(huì)變得很容易。在這里我們可以用符號(hào)來(lái)進(jìn)行代替分析。假設(shè)說(shuō)縱向以及對(duì)應(yīng)橫向的蠕變函數(shù)用符號(hào)代替分別為■和-■ （這里假設(shè)B為彈性模量，同時(shí)v為泊松比），那么我們就可以知道整個(gè)粘彈性體的本體關(guān)系構(gòu)建：

εII=d/dt{[a1（t）-a2（t）]*σII（t）+[a2（t）*θ（t）]δII}

2 運(yùn)用案例進(jìn)行巖石地應(yīng)力的三維實(shí)測(cè)和巷道穩(wěn)定性探索

本文所采用的案例是山東的某礦場(chǎng)。本文將重點(diǎn)分析其中的某幾個(gè)地應(yīng)力和巷道的受力分析，來(lái)對(duì)支護(hù)進(jìn)行合理的分析和實(shí)踐。

2.1 如何確定地應(yīng)力的自身大小

假設(shè)目前的地下某一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)的分量數(shù)值分別為σx、σy、σz、τxy、τyz、τxz并且這六個(gè)變量我們可以統(tǒng)一構(gòu)建成為一個(gè)變量σXYZ，那么我們可以確定其中的主應(yīng)力大小分別為σ1 σ2 σ3，同時(shí)基于這之間的關(guān)系，大地坐標(biāo)所采用的XYZ關(guān)系可以用這九個(gè)方向進(jìn)行對(duì)應(yīng)的余弦值確定。同時(shí)，如果我們?cè)谶M(jìn)行對(duì)應(yīng)的地應(yīng)力實(shí)測(cè)當(dāng)中，一般說(shuō)來(lái)鉆孔和大地系的坐標(biāo)軸終會(huì)成為以下兩種角度之一的構(gòu)建，即仰角或者是俯角。如果我們使用xyz作為整體的鉆孔坐標(biāo)框架，那么這里的地應(yīng)力構(gòu)建就應(yīng)該被記做如下的形式：σ′xyz =（σx ，σy，σz，τxy，τyz，τxz）

在這個(gè)式子當(dāng)中，括號(hào)中的六個(gè)坐標(biāo)可以分別對(duì)應(yīng)地應(yīng)力所包含的六個(gè)分量，而每個(gè)下角標(biāo)中，單獨(dú)存在一個(gè)字母的分量則表示成為正應(yīng)力的對(duì)照，而兩個(gè)字母則表示為剪應(yīng)力的對(duì)照。為了方便記憶，我們可以規(guī)定這其中的x軸為水平孔徑的方向，同時(shí)z軸也和鉆孔的軸線進(jìn)行重疊。因此根據(jù)上述條件可知，如果在進(jìn)行鉆孔自身的應(yīng)力檢測(cè)當(dāng)中得到了對(duì)應(yīng)σ′xyz的全部數(shù)值，同時(shí)對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行雙重轉(zhuǎn)換，就可以得到σxyz的全部結(jié)果，并由此也可以推論出主要的盈利大小以及對(duì)應(yīng)方向構(gòu)建。在這里，我們可以設(shè)置一個(gè)進(jìn)行中轉(zhuǎn)的過(guò)渡坐標(biāo)系x′y′z′，并且我們也可以把σ′xyz進(jìn)行轉(zhuǎn)換，處理成σ′x′y′z。同時(shí)設(shè)定坐標(biāo)自身進(jìn)行旋轉(zhuǎn)傾角為α。他們之間的關(guān)系公式為：σ′x′y′z=Tασ′xyz

在這個(gè)算式當(dāng)中，Tα是一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣，其自身的階應(yīng)力構(gòu)架為6*6，同時(shí)，在類似構(gòu)架下，x′y′z′所組成的過(guò)渡坐標(biāo)系的地應(yīng)力分量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并使其旋轉(zhuǎn)角度達(dá)到一個(gè)方位角度β，我們就可以經(jīng)過(guò)這種代換得到一個(gè)最后的結(jié)論：σxyz=Tβσx′y′z。

在這個(gè)算式當(dāng)中，Tβ和Tα一樣，也是一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣，其自身的階應(yīng)力構(gòu)架同樣為6*6。因此，其主要的分量也是由x′y′z′的整體坐標(biāo)系通過(guò)對(duì)原有角度進(jìn)行β度數(shù)的旋轉(zhuǎn)之后，通過(guò)上述的九個(gè)方向自身的余弦值進(jìn)行組合而最終構(gòu)成的。因此我們可知，無(wú)論目標(biāo)對(duì)象是處于什么樣的坐標(biāo)系下，我們都可以根據(jù)當(dāng)前所獲得的盈利分量進(jìn)行對(duì)主應(yīng)力（σx，σy，σz）的大小數(shù)值確定，并且我們所能確定的數(shù)值具有唯一性和獨(dú)特性。

2.2 計(jì)算該礦場(chǎng)的應(yīng)力以及位移

基本資料構(gòu)建：長(zhǎng)度單位：米，時(shí)間單位：月

計(jì)算巖石以及對(duì)應(yīng)支護(hù)的蠕變函數(shù)構(gòu)建：

C1（t）=0.81×10-5+0.29×10-5[1-exp（-0.12×10-12t）][kg/cm2]-1

C2（t）=-0.15×10-5-0.94×10-6[1-exp（-0.12×10-12t）][kg/cm2]-1

A1（t）=0.36×10-5+0.22×10-5[1-exp（-0.12×10-11t）] [kg/cm2]/P

A2（t）=-0.7×10-5-0.45×10-6[1-exp（-0.12×10-11t）] [kg/cm2]/P

同時(shí)公共邊的交界問題是通過(guò)焊接解決的。下圖是當(dāng)r=10.2m，θ=30°時(shí)的主應(yīng)力和最大的剪應(yīng)力隨著時(shí)間的不斷變化產(chǎn)生的曲線。右側(cè)的圖片則是r=10.1m，θ=30°時(shí)的曲線。

■

圖1 圖2

本文上述所運(yùn)用的思路僅僅局限在線性粘彈性框架下。公式比較復(fù)雜，但是可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。這種思路運(yùn)用廣泛，還可以在石油測(cè)量和鉆探方面進(jìn)行實(shí)踐。

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