2.3围岩收敛线确定

　　本设计中取两倍荒径为工作面的空间影响范围，并引用了应力释放系数的概念，即：

　　K=+0.29

　　K——应力释放系数；η——量测点的“临空系数”；

　　η=；L——量测点距工作面的距离；

　　对塑性区半径RP及围岩位移量U的计算式修正如下：

　　按岩体无水或完整、潮湿或有裂隙、浸水或破碎3种情况可绘制出塑性状态下围岩收敛线（图3）。

　　2.4围岩收敛曲线计算结果分析

　　图4～6为对应于图3中3种情况下由不同支护抗力Pi所确定的围岩位移Ui与开挖临空系数η的关系。

　　分析图3～6，可得出以下规律。

　　（1）支护抗力Pi与位移发展趋势。

　　情况Ⅰ中Pi≤1.0MPa，情况Ⅱ中Pi≤1.5MPa，情况Ⅲ中Pi≤3.0MPa时，位移发展趋势为随开挖临空系数的增大而加速发展。说明支护抗力偏小，不能保证围岩与支护结构的稳定。

　　情况Ⅰ中Pi=1.5MPa，情况Ⅱ中Pi=2.0MPa，情况Ⅲ中Pi=3.5MPa时，位移发展趋势为随开挖临空系数的增大而接近匀速发展，说明支护抗力Pi达到围岩与支护结构趋于基本稳定的临界值。

　　情况Ⅰ中Pi≥2.0MPa，情况Ⅱ中Pi≥2.5MPa，情况Ⅲ中Pi≥4.0MPa时，位移发展趋势为随开挖临空系数η的增大，Ui的发展趋势为减速发展，说明支护抗力Pi已达到可以使围岩与支护结构趋于基本稳定的抗力值。

　　（2）支护抗力Pi与最大位移值Umax。

　　应力释放系数Ki=1时的Ui值是开挖影响范围内位移达到的最大值，记作Umax。由图4所示，对应于不同的Pi值，Ui值按围岩收敛线的规律发生变化，差别很大，而对应于使围岩与支护结构达到基本稳定的临界Pi值得Ui值，则是支护设计需要考虑的最大位移值。

　　情况Ⅰ：中Pi=1.5MPa，Umax=221mm；情况Ⅱ：Pi=2.0MPa，Umax=344mm；情况Ⅲ：Pi=3.5MPa，Umax=403mm。

　　（3）松动压力Pa与支护抗力Pi。

　　随着支护抗力Pi的减小，围岩位移增长较快，当其小于临界值时，围岩位移呈加速发展趋势，这时围岩逐渐松动，松动压力Pa相应呈加速发展趋势，从图3中可以看出松动压力的出现靠近支护抗力的临界值，其增长速度较支护抗力衰减速度快，所以一旦出现松动压力，围岩的稳定性很难得到控制。

　　图3中可以找到围岩松动时的松动压力Pa（即最小支护抗力Pmin）及其对应的位移值。

　　情况Ⅰ：中Pa=Pmin=1.11MPa，Ui=271mm；情况Ⅱ：Pa=Pmin=1.97MPa，Ui=350mm；情况Ⅲ：Pa=Pmin=3.16MPa，Ui=481mm。

　　2.5支护结构的选择

　　通过对围岩收敛线计算结果的分析可知，合理的支护设计应满足两个基本条件：一是能保证围岩与支护结构的基本稳定，二是能适应围岩与支护结构的最大位移。

　　情况Ⅰ，即岩体处于无水或完整状态，支护结构采用喷射混凝土，强度等级为C20。当支护抗力Pi=1.0MPa，喷射厚度为155mm，要适应围岩的最大位移291mm，需分3～4次喷射，由于支护刚度过小，难以保证围岩稳定性。当支护抗力Pi=1.5～2.0MPa时，喷射混凝土厚度则需235～320mm，如此厚度的喷射混凝土施工困难，同时要适应221～179mm的围岩变形。

　　情况Ⅱ，当满足支护抗力临界值Pi=2.0MPa时，喷射混凝土的厚度为320mm，此时相对应的围岩最大位移为344mm，其施工难度比情况Ⅰ更大，为确保工程可靠度，需增加钢筋网或支架。

　　情况Ⅲ，使围岩和支护结构趋于稳定的支护抗力临界值为3.5MPa，显然单靠喷射混凝土支护，其刚度远远不够。鉴于该地段地层构造复杂，岩层多变，参考以往支护设计经验，其支护宜采用锚喷与U型钢支架联合支护方式，技能满足支护刚度的要求，同时具有适应403mm围岩变形的能力。

　　2.6支护控制线的确定

　　根据石门所穿岩层的具体情况，确定支护结构设计依据情况Ⅲ，即岩体处于浸水或破碎的状况。选择锚喷与U型钢支架联合支护方式。根据围岩与支护结构相互作用关系，联合支护抗力只考虑喷射混凝土和U型钢支架提供的支护能力，锚杆的作用是改善围岩力学性质。

　　先喷射厚度0.05m的混凝土，防止围岩风化，接着架设29U钢支架，以获得一定的支护刚度，控制围岩变形。组合支护控制线方程为：

　　U=U+0.0005143P

　　式中U——架设U型钢支架前围岩的初位移。

　　一般来说，为适应围岩最大位移量要求，减少作用在支护结构上的围岩压力，适当推迟设置支护时间是有利的，然而，该地段围岩条件差，裸露时间延长，易风化，自身强度会衰弱，松动区范围相应扩大。

　　设计要求支护尽量紧跟工作面，鉴于1个施工作业循环为1.5m，可查得喷射混凝土前的围岩初位移约为135mm。图7中曲线1为喷射混凝土控制线，曲线2为喷射混凝土与U型钢支架联合支护的控制线。U型钢支架设置时间滞后1个施工作业循环，查得对应的围岩初位移U0g=209。因围岩位移量较大，为与之相匹配，设计采用可缩性U型钢支架，径向允许收缩量为200mm，同时为使支架受载均匀，在支架背板后留充填层150mm，考虑其压缩量为1/3，则实际允许收缩量为250mm，允许最大位移U0g=0.209+0.0005143×3.5+0.2+0.05≈0.461m，想此值大于0.403m，小于0.483m。

　　3.结语

　　按收敛控制法的原理既能定性描述围岩-支护的互相作用，又能定量计算最小支护抗力和最大围岩位移值，支护设计目的明确，针对性强，经济合理；将监测结果与设计值相对照，并及时反馈信息，既能修正设计、指导施工，又可避免围岩误入松动区造成巷道失稳而返修。[科]

　　【参考文献】

　　[1]孙均，侯学渊.地下结构.北京：科学出版社.

　　[2]重庆建筑工程学院.岩石地下建筑结构.北京：中国建筑出版社.

　　[3]杨天祥.结构力学.北京：人民教育出版社.

　　[4]张荣立，何国纬，李铎.采矿工程设计手册[M].北京：煤炭工业出版社.

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