巷道圍巖失穩(wěn)類型及失穩(wěn)機理分析

陳國星（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

巷道圍巖失穩(wěn)類型及失穩(wěn)機理分析

陳國星
（山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

煤礦產(chǎn)業(yè)給國民經(jīng)濟發(fā)展提供源源不斷的能源支持，但在井下作業(yè)過程中卻充滿各種危險，其中圍巖失穩(wěn)就是最為常見的一種。這是因為井下巷道開挖后圍巖應(yīng)力會重新分布，進(jìn)而造成失穩(wěn)破壞情況的出現(xiàn)，影響煤礦井下作業(yè)的人員的安全及生產(chǎn)順利進(jìn)行。基于此，本文分析煤礦巷道失穩(wěn)的常見類型以及失穩(wěn)原理，為推進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步貢獻(xiàn)一份力量。

巷道圍巖失穩(wěn)；失穩(wěn)機理；原因分析

0　引言

煤礦巷道開挖過程中會打破原有相對平衡狀態(tài)，也就是將巖層原有的較好穩(wěn)定性打破。而當(dāng)煤礦巷道掘進(jìn)或回采后，就會對巷道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)及圍巖性質(zhì)產(chǎn)生影響，在這一過程中會造成巷道頂?shù)装寮皟蛇厧r體出現(xiàn)形變并向巷道內(nèi)部空間移動，長時間下來圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)會在變形影響下出現(xiàn)變化，因此實際中有必要做好巷道圍巖失穩(wěn)類型及失穩(wěn)機理的分析工作，本文對此進(jìn)行重點闡述。

1　煤礦巷道圍巖失穩(wěn)類型分析

實際中煤礦巷道圍巖失穩(wěn)類型的表現(xiàn)形式有很多種，但根據(jù)其發(fā)生機理及表現(xiàn)形態(tài)大致可以歸為六大類，接下來筆者對每一類失穩(wěn)類型進(jìn)行分析。

（1）潮解膨脹。潮解膨脹破壞指的是巖體遇水后出現(xiàn)軟化崩解或強烈膨脹產(chǎn)生的破壞，這種破壞形式在實際中較為常見，一般出現(xiàn)在含有大量頁巖、粘土巖以及無水石膏等巷道內(nèi)。這些巖石被統(tǒng)稱為膨脹性巖石，這類巖石有一個共同特性，就是含有大量的活性礦物蒙脫石，蒙脫石吸水后自身體積會猛增幾到十幾倍，具有極強的膨脹性；除此之外，蒙脫石還具備較強的流變性，所以造成巷道圍巖開挖后很容易就出現(xiàn)風(fēng)化潮解等情況，所以實際中為預(yù)防這種情況開挖后會及時封閉圍巖。

（2）局部落石。實際生產(chǎn)中產(chǎn)生局部落石破壞，主要原因在于地質(zhì)因素及施工不當(dāng)，比如實際施工中沒有考慮地質(zhì)構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)面與臨空面的不利組合或結(jié)構(gòu)面風(fēng)化潮解的圍巖構(gòu)成中施工，施工過程中使用爆破、開挖等施工形式，進(jìn)而造成圍巖出現(xiàn)松動等情況，通常情況下這種破壞主要集中在巷道頂板及兩幫。

（3）重剪現(xiàn)象。這種情況產(chǎn)生的原理是由圍巖本身應(yīng)力形成的，通常出現(xiàn)在巖性堅硬而存在發(fā)育弱面的巖層中，受到原巖應(yīng)力場等因素的影響。除此之外，重剪破壞還會受到自身重應(yīng)力的影響，特別是圍巖中地質(zhì)構(gòu)成不一致存在軟弱夾層等，這種影響的表現(xiàn)更為嚴(yán)重。

（4）拉斷現(xiàn)象。當(dāng)土體抗拉強度較低、存在破碎巖石或是巖層中含有軟弱結(jié)構(gòu)面，一般情況下拉斷破壞有兩種表現(xiàn)形式：拉裂及折斷，根據(jù)測壓系數(shù)判斷拉斷現(xiàn)象的表現(xiàn)：當(dāng)測壓系數(shù)大于1時，垂直壓力會對圍巖側(cè)壁產(chǎn)生垂直向拉裂；而當(dāng)測壓系數(shù)小于1，則會出現(xiàn)冒頂坍塌，這種破壞形式出現(xiàn)在巷道梯形及矩形斷面。結(jié)合實際案例發(fā)現(xiàn)，折斷破壞極易出現(xiàn)在薄層巖體巷道中。

（5）巖爆現(xiàn)象。巖體開挖過程中圍巖突然被拋出的破壞形式被稱為巖爆，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于巖體內(nèi)部存儲的彈性應(yīng)變能突然被釋放出來，進(jìn)而造成脆性拉裂。實踐表明，巖爆情況最容易出現(xiàn)在埋深較深且完整性良好的脆性巖體。不過實際中在埋深較淺的巷道只要巖體積存足夠多的彈性應(yīng)變能也可能出現(xiàn)巖爆情況，所以一定程度上來說巖爆出現(xiàn)與巖體埋深沒有直接聯(lián)系。

（6）剪切及復(fù)合破壞。軟弱圍巖巷道中最常見的變形破壞模式的剪切破壞，堅硬完整圍巖在高應(yīng)力作用下同樣會出現(xiàn)這種破壞。實際中如果當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)小于1時，圍巖的剪切破壞在初期主要表現(xiàn)為巷道冒頂及嚴(yán)重偏幫。這種形勢下如果不能及時采取相應(yīng)措施進(jìn)行完善，就會造成頂板出現(xiàn)新的剪切破壞。

2　煤礦巷道圍巖失穩(wěn)機理剖析

煤礦巷道圍巖失穩(wěn)類型較多，但實際中這些類型可以通過相似的條件進(jìn)行分析，筆者對此進(jìn)行探討。

（1）分析彈塑性。為了更好的對彈塑性進(jìn)行分析，接下來以圓形巷道為例對此展開討論。通過分析發(fā)現(xiàn)在軸對稱條件下圍巖的應(yīng)力及變形只是r的函數(shù)，假設(shè)c、φ為塑性區(qū)一等厚圓筒的常數(shù)，依據(jù)塑性區(qū)應(yīng)滿足塑性條件和平衡方程，彈性區(qū)應(yīng)滿足彈性條件和平衡方程，彈塑性交界處既滿足彈性條件又滿足塑性條件進(jìn)行分析。不考慮體力時，在塑性區(qū)內(nèi)取Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則為塑性條件，腳標(biāo)p表示塑性區(qū)的分量，腳標(biāo)e（下式）表示彈性區(qū)的分量。將上式代入平衡方程并積分。若支護(hù)阻力為Pi，則支護(hù)與圍巖界面（r=r0）上的應(yīng)力邊界條件為σpr=Pi，代入可解得積分常數(shù)的表達(dá)式。顯然，塑性區(qū)正應(yīng)力與原巖應(yīng)力P無關(guān)，而隨著c、φ及Pi值的增大而增大。應(yīng)用彈塑交界面上的應(yīng)力協(xié)調(diào)條件可求得塑性區(qū)半徑。若令塑性區(qū)半徑為R0，則當(dāng)r=R0時，有σer=σpr=σR0，σeθ=σpθ。其中σR0為彈塑性區(qū)交界面上的徑向應(yīng)力。彈塑性交界面上的應(yīng)力是一個取決于P、c、φ值的函數(shù)，而與Pi無關(guān)。

（2）分析影響塑性區(qū)范圍的因素。實際中分析影響塑性區(qū)范圍的因素，可以將其分成三大類，筆者對其進(jìn)行深度分析，并給出實際影響程度分析，推進(jìn)煤礦企業(yè)生產(chǎn)效率。1）原巖應(yīng)力P。原巖應(yīng)力與塑性區(qū)半徑成正比，也就是原巖應(yīng)力增大塑性區(qū)半徑也會增大，除此之外，巷道埋深決定原巖應(yīng)力的大小。這具體到實際中，表現(xiàn)為采深增加巷道圍巖慢慢轉(zhuǎn)為塑性流動狀態(tài)，這意味著塑性區(qū)范圍在逐漸增加，同樣會造成維護(hù)巷道工作的難度增加；2）內(nèi)摩擦角及粘聚力。通過分析實際中的圍巖塑性區(qū)半徑R0及內(nèi)摩擦角與粘聚力之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)后兩者的增加會促使塑性區(qū)范圍減小。通過這點可以發(fā)現(xiàn)，巖體強度的增加可以實現(xiàn)提高巷道整體穩(wěn)定性的目的；3）支護(hù)阻力分析。支護(hù)結(jié)構(gòu)提供巷道支護(hù)阻力，進(jìn)而實現(xiàn)提高巷道圍巖穩(wěn)定性的目的，實際中發(fā)現(xiàn)支護(hù)阻力與圍巖塑性區(qū)范圍成反比關(guān)系，也就是支護(hù)阻力越小，圍巖塑性區(qū)范圍越大，實現(xiàn)提高巷道圍巖穩(wěn)定性。

3　結(jié)束語

通過本文的分析可以發(fā)現(xiàn)，巷道圍巖的失穩(wěn)破壞形式表現(xiàn)種類較多，但大體上也可以分成幾類，同樣影響圍巖穩(wěn)定性的因素也包含眾多內(nèi)容。實際中在進(jìn)行煤礦巷道圍巖失穩(wěn)類型分析及維護(hù)時候，需要搞清楚發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象的原因，進(jìn)而根據(jù)其產(chǎn)生機理給予相應(yīng)的完善措施。做好巷道維護(hù)管理工作，有助于保護(hù)煤礦工作人員的人身安全及提高生產(chǎn)效率。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.091