擴切眼施工中礦層巷道破碎區的碎脹變形分析

朱獻偉，郭帥峰

（河南平寶煤業有限公司，河南 許昌 461000）

在開采設備系統的擴切眼施工中，由于應力作用常致切眼圍巖發生變形。而導致變形的重要因素便是切眼圍巖的自身承載力大小，如果在水平應力相同的條件下，圍巖力學的性能減小、松動圈范圍變大，則其巷道變形也就越顯著[1]。這主要由礦體編制程度、構造特征等因素所決定。礦體強度與其變質強度關系呈明顯正相關性。變質程度高，其強度也大，反之，強度也就小。同時，礦層理構造影響強度，垂直礦層理其抗壓強度強于平行于礦體層理強度，二者間比值越大，礦體也越軟。由此可見，礦層開采中巷道變形的重要因素是改變了礦體的體積應變，這種體積應變的膨脹性致使其發生變形，從而影響礦層開采的順利性和安全性。為此，本文對礦體巖石碎脹及膨脹變形規律進行分析，以為有效控制巷道破碎區和塑性取范圍，進而降低巷道變形程度。

1 礦層破碎圍巖的變形分析

如果圍巖強度小于圍巖應力，則圍巖將會發生破碎，產生破碎區，而單位體積內的圍巖膨脹、破裂所形成的巖石體積增加量就是碎脹應變。這種變形是巖石強度至其峰值后變形的反映。

巖石受到破壞后，因其自身發育裂隙，殘余強度顯著低于峰值強度，導致巖石體積大幅增加。有文獻[2]顯示，在地應力作用下，低強度巖石被破壞后的塊體滑移搓動及張開度均較小，且單位體積的應變也減少。而高應力作用下的高強度巖石受到破壞后，其巖塊體的滑移錯動量及展開度都較大，單位體積的應變也較大。

1.1 巷道變形決定因素

開挖巷道后，其兩幫破碎松軟的礦體會迅速變形，變形程度隨著圍巖位移量而逐漸加重，即由彈性變形至塑性變形，而后形成破碎區碎脹變形。當然，在巷道未支護前，彈性變形已經發生，只是變形量較小，而破碎區碎脹及塑性區膨脹變形則決定著巷道變形程度的加深。礦體破碎區范圍及其裂隙擴張發育程度決定著巷道的碎脹能力，如果巷道圍巖應力大于軟弱礦體強度，則巷道碎脹變形的主要影響因素由以下幾點：①礦體強度低：礦體強度低于原巖的應力，則巷道中的圍巖就會軟弱、松散，膠結程度低，礦體破碎且抗壓強度低于10MPa。因其自身強度不高，在較小或中等水平應力作用下，礦體就會發生破碎和嚴重的碎脹變形，產生破碎區；②巷道圍巖的應力高：原巖應力的大小決定者巷道變形碎脹的程度，如果圍巖強度若，且地應力也不高，那么巷道未必就產生絕對性大的碎脹變形。

1.2 巷道圍巖變形的規律

通常情況下，回采中巷道圍巖的變形較大，兩幫會劇烈變形，且巷道的底鼓量也就越大。巷道的變形收斂是變形時間、破碎區范圍、力學性質、支護強度和類型等因素共同作用的結果。

2 礦層巷道形成破碎區的原因和過程

2.1 礦層巷道破碎區的成因分析

開挖礦層巷道前，其周圍巖體應力處于三向平衡狀態，進而能夠保持穩定。盡管松軟礦體自身強度不高，在三向應力共同作用下其強度則較高，具有較強的抗剪切及擠壓的能力。當巷道開挖后，圍巖的三向應力平衡被打破，且被重新分布。首先是增加了切向應力，并形成了應力集中；其次是減小了徑向應力，巷道周邊的應力減小為零；最后是由原來的三向應力狀態轉變為近似的二向，破碎圍巖強度顯著下降，若集中應力值低于下降后礦體強度，則礦體將處于塑性、彈性狀態，巷道圍巖可以通過自身強度來保持穩定，此時無需支護。

若集中應力值等于礦體下降后強度，則礦體就會破裂，形成碎脹變形。同時，礦體破裂也由巷道周邊向其深部蔓延擴展，直至重新平衡圍巖應力，破碎區形成見圖1。

圖1 巷道破碎區形成圖

由圖1可知，地表下H處有個小單元，開挖空間前，該單元處在三向應力平衡穩定的狀態，當在其左側開挖空間后，H1水平應力接觸，此單元變為二向應力。此時，該單元發生兩個變化，一是從三向應力變為二向應力，降低了單元強度；二是應力轉移后，被開挖空間的周邊發生了應力集中，增加了單元上的受力，使其發生受力變形。若單元受力大于單元強度，單元1就被破壞，降低了其承載力，致使應力轉向深部。而與其相鄰的單元2與單元1的狀況類似，但二者所不同時單元2的H2應力并不為零，只是數值較小，也就是說單元2的強度要略高于單元1的強度。若此時單元2的應用作用仍低于其強度，那么單元2也被破壞，其應力也會繼續轉移到深部。破壞應力發生轉移，也會降低其應力的集中程度，繼而增加水平應力，而到單元n后，單元所受應力低于單元強度，此時單元不會被破壞，僅發生彈塑性變形。這樣，單元2到n-1單元間的巖石一直處在破壞的狀態，但從單元n開始向外的巖石則處于原巖完后或彈塑性變形的狀態。

由上述分析可知，巷道形成破碎區的過程是無法避免的，其是一個動態化的過程，如果圍巖應力作用同等，破碎區的范圍增大，其穩定時需要的時間也會增加。在破碎區形成過程中，圍巖應力是其形成的外部因素，而巖石力學的性質則是其形成的內部因素。在圍巖應力作用下，巷道圍巖產生破碎區，加上喊道自身力學性質不強，如果圍巖應力作用同等，其破碎區的范圍就較大，破壞性更加顯著，碎脹變形也就越大。繼續增加圍巖應力，巷道周邊的應力大于其強度的極限值時，巷道圍巖便會發生裂隙，因此，裂隙位置也在不均勻地分布在巷道周邊。若巷道周邊應力增加且達到一定程度，則裂紋會向四周不斷擴展，范圍不斷增加，巷道的破壞性也越大，進而產生破碎區。

總之，從上述分析可知，巷道破碎區的形成主要受到礦體自身強度、應力、力學性能等因素的影響，在應力作用下，礦體體積應變發生膨脹變化，進而使巷道發生變形。巷道變形碎脹破壞程度同其破碎范圍、應力作用及力學性質的不均勻等因素相關，破碎范圍擴大其破壞程度也就越大。