大斷面巷道圍巖破壞原因分析

張家榮，朱殿瑞

(1．潞安集團蒲縣常興煤業有限公司，山西 長治 041200;2．太原重型機械集團有限公司 軋鋼設備分公司，山西 太原 030024;3．太原理工大學煤機樓0210實驗室，山西 太原 030024)

煤礦的規模及開采強度與現代化礦井的綜合機械化開采技術與時俱進，因井下設備的裝機功率增大，使得設備的體積也不斷增大，這樣設備運輸及安裝所需空間也需增大，最終導致巷道斷面也隨著增大，斷面增大給維護帶來諸多挑戰和難度［1］，因此，有必要對此進行研究［2］。

1 大斷面巷道基本形式

高煤幫、大跨度、交岔點、硐室、開切眼等是大斷面巷道目前的基本形式。大斷面巷道也是相對的，依據采煤方法，巷道斷面各自的順槽的情況見表1。

表1 礦井巷道斷面各自順槽對應尺寸

2 大斷面巷道破壞理論

2．1 巷道圍巖破壞機理

礦井巷道開挖之前，巖層在三維空間均受應力，處于比較穩定的狀態。在開挖后，巖層的原先平衡遭到破壞，引起應力的重新分布，應力由原先的三維受力狀態瞬間轉化為二維受力，其中垂直應力轉向兩幫的煤體，水平應力轉向頂板的巖層。頂板巖層此時受到較大水平應力導致強度較弱的巖石應力達到極限，產生剪切位移或裂隙，致使斷裂的巖石坍塌，即產生“冒頂”。這種情況在裂隙、斷層等脆弱結構面更為突出。

為了保證地下巷道及周圍巖層的穩定，需要及時進行支護，阻止其破壞的程度繼續發展。

2．2 巷道圍巖破壞影響因素

1)巷道斷面尺寸。

利用兩邊固定鉸支、受均布載荷q無限延長的薄板將巷道頂板進行簡化，并進行分析［3］，見圖1。

圖1 頂板簡化模型示意圖

用級數的形式表示撓度曲線如下：

式中：γ—頂板巖層的撓度，m;

e—頂板巖層的寬度，m。

張力M可表示成如下形式：

式中：M—頂板巖層的張力，kN·m－1;

E—頂板巖層的彈性模量，MPa;

d—頂板巖層的厚度，m;

δ—巖層的泊松比值。

經過推導可知撓度γmax可表示為如下形式：

由(3)式可知：巷道的最大撓度γmax與其跨度e4成正比，所以可得出如下結論，增寬巷道，將使得彎曲變形更容易，受彎曲變形的影響，頂板將產生張應力，加速其破壞。

2)巷道斷面形狀。

經過現場走訪、總結得出：大斷面巷道的截面方形較多，這種形狀圍巖的應力計算較復雜，根據理論分析和相關實驗得知，方形的邊比(高∶寬)及側壓系數ω均和矩形斷面巷道圍巖的應力有關［4］。為了說明方形斷面巷道的應力分布狀況，現以高寬比為a∶b=1∶3的巷道進行講解。見圖2。

圖2 矩形巷道水平及垂直軸剖面上的主應力分布圖

圖2 中原巖應力分別為η、τ，在二維空間中，圍巖任意一點的兩個主應力為σ1、σ2，其中：

式中：η、τ— 原巖應力;

F1、F2—應力集中系數(在巷道影響半徑外 F1與F2可認為等于1);

σ1、σ2— 主應力。

根據經驗，應力分布圖形在忽略圍巖重量時將鏡像于坐標兩軸，從圖2兩主應力的半邊圖中可以得出：

a)較大壓應力出現在兩幫，且在周邊處產生峰值，并向深部擴展。

b)較大拉應力出現在頂底板中間，且在頂底邊緣處產生峰值，并向深部擴展逐步轉變為壓應力，巷道的跨度與拉應力成正比。

3 大斷面巷道圍巖破壞狀態

3．1 圍巖破壞狀態

巷道圍巖破壞的特征按其破壞過程、形態及其造成的原因可分為以下幾類［5］：巖爆、拉斷、重剪、局部掉石、潮解風化等類型。

大斷面的巷道不僅具有跨度和高度相對較大，截面多為方形的特點，甚至有時還受開采振動的影響。因此，圍巖的破壞范圍較大，在上述幾種破壞類型的影響下，將使得巷道斷面出現下列一些破壞狀況。

1)加大巷道圍巖破壞的突發性。在一些特殊地段，如淋水交叉點、小斷層、頂板裂紋發育處及地質破碎帶，因其跨度與高度大，使得冒頂突發性變強，冒頂范圍變大。

2)加大巷道圍巖的破壞程度。對于頂板離層采用鉆孔技術，可以窺視到范圍在4～5 m，局部可接近6m，遠超出了錨桿錨固范圍，所以必須采用加長強力錨索支護。

3)加大巷道底谷的損壞。在巷道支護時，因地下復雜的地應力場構造，再加上工人們對底板的維護遠遠小于對頂板及煤幫的支護，這些原因致使巷道更容易產生底鼓。

3．2 圍巖穩定性破壞原因

造成巷道圍巖的破壞是由諸多因素引起的，有客觀的因素，也存在人為因素，綜合考慮可歸結為下述幾點：

1)生產技術和地質條件的影響。

a)工作面回采時引起的應力變化影響。

外界條件一定時，采空區邊緣與巷道的距離是影響圍巖穩定性的一個重要原因，通常用留設的護巷煤柱粗細來衡量。

b)圍巖地應力的影響。

構造應力和自重應力組成圍巖地應力，它的存在引起圍巖變形甚至失穩破壞。其中，構造應力較復雜可忽略，而由自重引起的地應力與巖體所處的深度成正比，所以采煤深度可以作為巷道圍巖的穩定性的一個判據。根據經驗，在自重地應力的作用下，采深越大，巷道的支護越困難。

c)巖體特性的影響。

巖體的特性決定著圍巖的穩定性，其力學性能與巖石的構造及組成有很大關系。我國主要集中開采新生界第三紀褐煤和中生界上侏羅紀的褐煤［1］，這兩種煤層容易風化，怕水及震動。此外，還有一個重要影響因素就是巷道圍巖巖體的完整程度。

d)斷層構造的影響。

巷道在開掘時穿過斷層比較困難，因其壓力大，難以維護。在經過卸壓后，短時期內，巷道較穩定，但巷道將在支護體遭破壞后立即變形。在沿斷層掘進時，巷道變形較嚴重。因此，在過斷層構造帶時，要加強這一構造帶的支護，而且要依據不同地質條件選取不同的支護方式。

e)上覆巖層壓力的影響。

在井下進行施工時，上覆巖壓力是必須考慮的一個因素，其壓力與礦井開采深度成正比。通常巷道圍巖的靜壓力是均勻分布的，由此可得，支護強度較薄弱處首先出現巷道的破壞，如噴巖較薄處、矩形巷道的頂底角處。

2)施工與支護設計的影響。

在巷道的支護中，造成巷道圍巖變形破壞的主觀因素如下：

a)施工質量的影響。

(1)施工過程出現的錯誤，在對松軟煤層和易風化的巷道進行施工時，工作人員習慣于先對巷道進行支護，然后對巷道表面進行噴漿。這樣容易使巷道表面發生風化，從而造成起皮剝落;同時還會使巷道外層的圍巖破碎剝落，從而形成局部冒頂。這種破壞由外向里層層深入，造成了錨桿與巖體的共同移動，最終會使其失去錨固作用。

(2)掘進過程中的錯誤操作，比如當巷道成型不好或者凸凹不平時，為了縮短施工所需要的周期，不按規范要求操作，從而使其實際支護力遠不及設計值，這樣便使得巷道凸凹處首先破壞。

(3)不按標準施工，偷工減料，主要表現如下：

以次充好，比如為加快速度，在使用藥卷加工樹脂錨固時，攪拌時間不充足并且攪拌不均勻，使得錨固力達不到規定的強度，而導致錨桿和錨索失效，這樣支護體便達不到設計所要求的承載載荷及變形量，導致巷道早早的破壞。

錨桿間距過大，再加上其預緊力達不到設計要求，造成巷道支護能力不達標。

b)爆破震動的影響。

爆破過程中產生的沖擊波會對支護體產生震動沖擊，當巷道支護體的承載力處于臨界值時，經多次震動沖擊后較為脆弱的支護體就會迅速破壞。

在客觀因素無法改變的前提下，可以通過嚴格施工管理、科學施工設計來避免重復返修，保持巷道支護的穩定性，從而延長巷道的使用壽命。

c)支護設計不合理的影響。

(1)不重視底板支護，如果底板沒有支護，則壓力將沿著底板釋放而產生底鼓，嚴重時會使兩邊底角向內收斂，從而使其破壞失修。

(2)巷道支護形式單一，不根據巷道用途、巷道服務時間、圍巖地質條件來合理選擇支護形式。

(3)支護構件設計不合理，比如當錨桿螺母與桿體不配套時，會造成托盤沿桿體脫落而使支護體失效。

4 結語

通過對大斷面巷道圍巖進行分析，得出大斷面巷道圍巖破壞的機理及影響圍巖穩定性的原因，對以后的巷道維護有一定的積極作用。

［1］ 張占濤，鞠文君．大斷面煤層巷道圍巖變形特征與支護參數研究［D］．北京：煤炭科學研究總院，2009．

［2］ 朱殿瑞，廉自生，賀志凱．掩護式液壓支架姿態分析［J］．礦山機械，2012，40(3)：16－19．

［3］ 康紅普，王金華．煤巷錨桿支護理論與成套技術［M］．北京：煤炭工業出版社．2007：11．

［4］ 譚學術．復合巖體力學理論及其應用［M］．北京：煤炭工業出版社．1994：6．

［5］ 張向農．劉橋一礦煤巷錨桿支護技術優化研究［D］．安徽：安徽理工大學，2006。