巷道圍巖失穩類型及失穩機理分析

陳國星（山東科技大學，山東 青島 266590）

巷道圍巖失穩類型及失穩機理分析

陳國星
（山東科技大學，山東 青島 266590）

煤礦產業給國民經濟發展提供源源不斷的能源支持，但在井下作業過程中卻充滿各種危險，其中圍巖失穩就是最為常見的一種。這是因為井下巷道開挖后圍巖應力會重新分布，進而造成失穩破壞情況的出現，影響煤礦井下作業的人員的安全及生產順利進行。基于此，本文分析煤礦巷道失穩的常見類型以及失穩原理，為推進行業技術進步貢獻一份力量。

巷道圍巖失穩；失穩機理；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，也就是將巖層原有的較好穩定性打破。而當煤礦巷道掘進或回采后，就會對巷道圍巖的應力狀態及圍巖性質產生影響，在這一過程中會造成巷道頂底板及兩邊巖體出現形變并向巷道內部空間移動，長時間下來圍巖的穩定狀態會在變形影響下出現變化，因此實際中有必要做好巷道圍巖失穩類型及失穩機理的分析工作，本文對此進行重點闡述。

1　煤礦巷道圍巖失穩類型分析

實際中煤礦巷道圍巖失穩類型的表現形式有很多種，但根據其發生機理及表現形態大致可以歸為六大類，接下來筆者對每一類失穩類型進行分析。

（1）潮解膨脹。潮解膨脹破壞指的是巖體遇水后出現軟化崩解或強烈膨脹產生的破壞，這種破壞形式在實際中較為常見，一般出現在含有大量頁巖、粘土巖以及無水石膏等巷道內。這些巖石被統稱為膨脹性巖石，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風化潮解等情況，所以實際中為預防這種情況開挖后會及時封閉圍巖。

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

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

（4）拉斷現象。當土體抗拉強度較低、存在破碎巖石或是巖層中含有軟弱結構面，一般情況下拉斷破壞有兩種表現形式：拉裂及折斷，根據測壓系數判斷拉斷現象的表現：當測壓系數大于1時，垂直壓力會對圍巖側壁產生垂直向拉裂；而當測壓系數小于1，則會出現冒頂坍塌，這種破壞形式出現在巷道梯形及矩形斷面。結合實際案例發現，折斷破壞極易出現在薄層巖體巷道中。

（5）巖爆現象。巖體開挖過程中圍巖突然被拋出的破壞形式被稱為巖爆，產生這種現象的原因在于巖體內部存儲的彈性應變能突然被釋放出來，進而造成脆性拉裂。實踐表明，巖爆情況最容易出現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變能也可能出現巖爆情況，所以一定程度上來說巖爆出現與巖體埋深沒有直接聯系。

（6）剪切及復合破壞。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力作用下同樣會出現這種破壞。實際中如果當側壓力系數小于1時，圍巖的剪切破壞在初期主要表現為巷道冒頂及嚴重偏幫。這種形勢下如果不能及時采取相應措施進行完善，就會造成頂板出現新的剪切破壞。

2　煤礦巷道圍巖失穩機理剖析

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

（1）分析彈塑性。為了更好的對彈塑性進行分析，接下來以圓形巷道為例對此展開討論。通過分析發現在軸對稱條件下圍巖的應力及變形只是r的函數，假設c、φ為塑性區一等厚圓筒的常數，依據塑性區應滿足塑性條件和平衡方程，彈性區應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行分析。不考慮體力時，在塑性區內取Mohr－Coulomb屈服準則為塑性條件，腳標p表示塑性區的分量，腳標e（下式）表示彈性區的分量。將上式代入平衡方程并積分。若支護阻力為Pi，則支護與圍巖界面（r=r0）上的應力邊界條件為σpr=Pi，代入可解得積分常數的表達式。顯然，塑性區正應力與原巖應力P無關，而隨著c、φ及Pi值的增大而增大。應用彈塑交界面上的應力協調條件可求得塑性區半徑。若令塑性區半徑為R0，則當r=R0時，有σer=σpr=σR0，σeθ=σpθ。其中σR0為彈塑性區交界面上的徑向應力。彈塑性交界面上的應力是一個取決于P、c、φ值的函數，而與Pi無關。

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

3　結束語

通過本文的分析可以發現，巷道圍巖的失穩破壞形式表現種類較多，但大體上也可以分成幾類，同樣影響圍巖穩定性的因素也包含眾多內容。實際中在進行煤礦巷道圍巖失穩類型分析及維護時候，需要搞清楚發生失穩現象的原因，進而根據其產生機理給予相應的完善措施。做好巷道維護管理工作，有助于保護煤礦工作人員的人身安全及提高生產效率。

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