巷道圍巖塑性區(qū)形成的力學機制與形態(tài)特征

申建忠

（潞安集團司馬煤業(yè)有限公司，山西 長治 047105）

對巷道圍巖塑性區(qū)域的形成和特征進行分析，可以得出巷道圍巖變形機理，從而對冒頂事故進行有效合理的控制和預防。以司馬煤礦1208工作面為研究背景，根據(jù)塑性區(qū)域理論，對巷道的塑性區(qū)域進行了力學分析，研究了塑性區(qū)域的力學特性和影響因素，有助于實現(xiàn)圍巖的穩(wěn)定控制。

1208工作面地面無重要建筑物，蓋山厚度591～767 m，平均679 m。工作面井下位于中六采區(qū)北配巷西北部，工作面東北部為1210工作面，與本工作面相距30m，西南部為未采區(qū)。3#煤層四鄰均未采，2#煤與3#煤層間距約16.79m。工作面設(shè)計走向長1640～1664 m，可采走向長1535 m，采長225 m，煤層平均厚度2.89 m，可采儲量115.1萬t。

1 圍巖塑性區(qū)域形成機理

1208工作運輸巷、運料巷初步確定采用圓形巷道，因此1208工作面圓形巷道的圍巖塑性區(qū)域分布問題是兩巷是否順利掘進的重點，目前以Kirsch研究的平面應(yīng)變公式分析圓形巷道應(yīng)力和塑性區(qū)域較為廣泛。但其公式建立背景為雙向等壓力作用，實際工程并不能完全符合應(yīng)用條件，雙向并不完全等壓力，對于非均勻應(yīng)力作用的巷道圍巖的應(yīng)力和塑性區(qū)域分布情況有必要進行分析。在1208工作面掘進前假設(shè)巷道圍巖挖掘前后都是彈性，求解后根據(jù)塑性條件判斷塑性破壞區(qū)，近似確定塑性區(qū)域?qū)τ趪鷰r破壞機理具有較大參考作用，為1208工作面兩巷順利掘進提供理論基礎(chǔ)。

1.1 雙向不等壓應(yīng)力影響的巷道力學分析

目前對巷道應(yīng)力精準求解較困難，因此對1208工作面兩巷進行簡化，圍巖應(yīng)力視為分布均勻，巷道挖掘視為平面應(yīng)變，巖層各向視為同性。雙向不等壓力作用下的圓形巷道力學分析如圖1所示。

圖1 不等壓力作用的1208工作面圓形巷道力學分析

可以依據(jù)彈性力學相應(yīng)計算理論，由以下公式對雙向不等壓力作用的巷道某點計算其應(yīng)力。

式中：

σr-某點周向應(yīng)力，MPa；

σθ-某點徑向應(yīng)力，MPa；

τr-某點剪應(yīng)力，MPa；

γH-某點垂直載荷，MPa；

λ-側(cè)壓系數(shù)；

R-巷道半徑；

r、θ-某點極坐標值。

1.2 圍巖強度標準

在巷道掘進過程中巷道圍巖破壞受其極限應(yīng)力作用較大，本研究采用庫倫莫爾強度準則對其進行分析，如圖2所示。

圖2 庫倫莫爾準則

通過直線莫爾包絡(luò)線描述圍巖平衡，當巷道圍巖處于彈性極限與塑性臨界狀態(tài)時，根據(jù)庫倫莫爾強度準則可得出平衡方程為：

式中：

σ1、σ3-極限應(yīng)力值；

φ-內(nèi)摩擦角度，（°）。

2 圍巖塑性區(qū)域影響要素

根據(jù)以上計算公式可發(fā)現(xiàn)巷道圍巖塑性區(qū)域的影響要素包括巷道埋深、巷道角度、巷道內(nèi)摩擦角。

2.1 巷道埋深

通過公式代入巷道有關(guān)參數(shù)，研究1208工作面巷道掘進深度變化對其塑性區(qū)域的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，幾種不同巖層巷道，埋深較低時都有無塑性區(qū)的埋深范圍，存在臨界塑性深度，巷道埋深超過臨界深度后，隨深度增加，各巖層塑性區(qū)域都在擴充，且擴充速度是煤＞泥巖＞頁巖＞砂巖，反映了圍巖硬度低會增加塑性區(qū)域的擴散速率。

圖3 各種圍巖巷道埋深對于圍巖塑性區(qū)域影響曲線

2.2 巷道角度

根據(jù)上述公式得出不同角度巷道圍巖的塑性區(qū)域深度也不同，在0°到45°巷道角度內(nèi)均存在0塑性區(qū)、存在臨界埋深，但總體隨埋深增加塑性區(qū)域增大，在1208工作面巷道掘進縱深50 m之前的臨界狀態(tài)之后，隨著巷道角度的增加塑性區(qū)域擴充速度減??；縱深50 m之后隨巷道角度增加而擴充速度增大。

2.3 內(nèi)摩擦角

分別取不同內(nèi)摩擦角進行比較，得出圍巖塑性區(qū)域變化滾率，既不同巷道圍巖內(nèi)摩擦角的臨界埋深也不同，隨著內(nèi)摩擦角增大，臨界埋深也增大，巷道圍巖塑性區(qū)域擴張隨著內(nèi)摩擦角的增大而增長速率降低。通過對1208工作面非均勻應(yīng)力場巷道圍巖塑性區(qū)理論分析，分析了1208工作面兩巷冒頂機理，為制定針對性的巷道冒頂控制方法和與之相適應(yīng)的支護技術(shù)提供理論依據(jù)，并以此研究結(jié)果制定了頂板永久支護、巷幫永久支護方案。

（1）頂板永久支護方案

錨桿規(guī)格：MSGLW335/20×2400左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，所有錨桿配套使用1010尼龍阻尼圈及球形墊。

錨桿托盤：150×150×10 mm拱形高強度托盤，拱高不得小于36mm。

錨固方式：采用端錨錨固形式，每孔2支錨固劑，1支MS(CKb+Z)2360錨固劑，1支MSZ2360錨固劑。

鋼筋托梁：采用16#圓鋼焊接而成，規(guī)格為：SB-φ16-5000-60mm。

錨桿布置：每排6根錨桿，間距950mm，排距900mm，靠近巷幫的頂板錨桿距離巷幫225mm，打設(shè)角度與垂線成10°角（朝向巷外），中部錨桿與頂板垂直。

（2）巷幫永久支護方案

錨桿規(guī)格：MSGLW335/20×2000左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，所有錨桿配套使用1010尼龍阻尼圈及球形墊。

錨固方式：采用端錨錨固形式，每孔1支MSZ2360錨固劑。

鋼筋托梁：采用14#圓鋼焊接而成，規(guī)格為：SB-φ14-2900-60 mm。

錨桿托盤：150×150×10 mm拱形高強度托盤，拱高不得小于36 mm。

錨桿布置：每排4根錨桿，間距900 mm，排距900 mm，兩幫最上部一根錨桿距頂板250 mm，與水平線呈10°仰角，其余3根錨桿水平布置。

3 結(jié)論

本文以司馬煤礦1208工作面為研究背景，根據(jù)塑性區(qū)域理論，對巷道的塑性區(qū)域進行了力學分析，研究了塑性區(qū)域的力學特性和影響因素，得出了不同影響因素對于塑性區(qū)域的影響規(guī)律，為巷道圍巖塑性區(qū)域的形成機理研究及支護方案確定提供了參考依據(jù)。