巷道圍巖塑性區形成的力學機制與形態特征

申建忠

（潞安集團司馬煤業有限公司，山西 長治 047105）

對巷道圍巖塑性區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，根據塑性區域理論，對巷道的塑性區域進行了力學分析，研究了塑性區域的力學特性和影響因素，有助于實現圍巖的穩定控制。

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。3#煤層四鄰均未采，2#煤與3#煤層間距約16.79m。工作面設計走向長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研究的平面應變公式分析圓形巷道應力和塑性區域較為廣泛。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用條件，雙向并不完全等壓力，對于非均勻應力作用的巷道圍巖的應力和塑性區域分布情況有必要進行分析。在1208工作面掘進前假設巷道圍巖挖掘前后都是彈性，求解后根據塑性條件判斷塑性破壞區，近似確定塑性區域對于圍巖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。

1.1 雙向不等壓應力影響的巷道力學分析

目前對巷道應力精準求解較困難，因此對1208工作面兩巷進行簡化，圍巖應力視為分布均勻，巷道挖掘視為平面應變，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

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

式中：

σr-某點周向應力，MPa；

σθ-某點徑向應力，MPa；

τr-某點剪應力，MPa；

γH-某點垂直載荷，MPa；

λ-側壓系數；

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時，根據庫倫莫爾強度準則可得出平衡方程為：

式中：

σ1、σ3-極限應力值；

φ-內摩擦角度，（°）。

2 圍巖塑性區域影響要素

根據以上計算公式可發現巷道圍巖塑性區域的影響要素包括巷道埋深、巷道角度、巷道內摩擦角。

2.1 巷道埋深

通過公式代入巷道有關參數，研究1208工作面巷道掘進深度變化對其塑性區域的影響，結果如圖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域的擴散速率。

圖3 各種圍巖巷道埋深對于圍巖塑性區域影響曲線

2.2 巷道角度

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

2.3 內摩擦角

分別取不同內摩擦角進行比較，得出圍巖塑性區域變化滾率，既不同巷道圍巖內摩擦角的臨界埋深也不同，隨著內摩擦角增大，臨界埋深也增大，巷道圍巖塑性區域擴張隨著內摩擦角的增大而增長速率降低。通過對1208工作面非均勻應力場巷道圍巖塑性區理論分析，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的支護技術提供理論依據，并以此研究結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 結論

本文以司馬煤礦1208工作面為研究背景，根據塑性區域理論，對巷道的塑性區域進行了力學分析，研究了塑性區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域的影響規律，為巷道圍巖塑性區域的形成機理研究及支護方案確定提供了參考依據。