井巷圍巖壓力的影響因素及圍巖變形位移分析

◎崔明臣

礦壓地下巖體在沒受采掘影響前即為原巖體。由于巖體自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的作用，在其內(nèi)部形成的應(yīng)力即為原巖應(yīng)力，并且形成平衡狀態(tài)，巖體不會出現(xiàn)變形和位移，也不會出現(xiàn)破壞。采掘生產(chǎn)破壞了原巖應(yīng)力的平衡，造成巖體內(nèi)部的應(yīng)力重新形成，直到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)的形成，出現(xiàn)了巷道圍巖二次應(yīng)力。如果二次應(yīng)力大于巖體強(qiáng)度極限，就會造成巖體變形松動，出現(xiàn)巷道頂板的下沉、片幫冒頂、底板鼓起等地壓現(xiàn)象。作用于圍巖和支架上的力即為地壓。

1、支承壓力的分布規(guī)律對巷道穩(wěn)定性的影響

因其巖石強(qiáng)度包括地質(zhì)和技術(shù)條件的不同，在巖體內(nèi)開掘巷道后，巖體內(nèi)的應(yīng)力必然重新分布，它的變形、破壞和移動的形式也各有不同。由于受巖石強(qiáng)度條件的影響，特別是支架的支撐作用阻礙了破碎巖塊的冒落和破碎區(qū)的向外作用，使巖體深部抵抗破壞的能力增強(qiáng)，并且，破碎的巖塊間的摩擦力出現(xiàn)一定的抵抗力量。

2、井巷圍巖壓力及其幾個(gè)影響因素

井巷地壓主要包括變形地壓和松動地壓。而變形地壓又分為彈性變形壓力和塑性變形壓力。彈性變形壓力是在I、Ⅱ類穩(wěn)定的堅(jiān)硬砂巖或灰?guī)r中掘巷道時(shí)，巷道兩側(cè)形成的支承壓力，不能產(chǎn)生巷道失穩(wěn)。即使受采動影響，因其巖石強(qiáng)度較高，巷道圍巖還處于彈性變形階段，維護(hù)容易。對支護(hù)形式的選擇、支架參數(shù)的確定、支護(hù)施工的管理的要求不嚴(yán)，所以，彈性變形壓力不是支護(hù)的對象。

原巖應(yīng)力是導(dǎo)致圍巖壓力的根本原因，而它并非直接原因，支承壓力才是導(dǎo)致巷道變形的直接原因。因此，減小應(yīng)力集中和防止采動影響是控制變形壓力的直接關(guān)鍵性措施。

松動地壓與變形地壓不同，它是松動巖體的重量直接作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載。斷面形狀的巷道，都顯現(xiàn)頂壓大而側(cè)壓小，底部不顯現(xiàn)。出現(xiàn)松動地壓的原因有地質(zhì)和施工兩種因素，地壓在各種地層中都會發(fā)生。在圍巖為不穩(wěn)定的煤、泥質(zhì)砂巖或斷層破碎帶時(shí)，就是及時(shí)支護(hù)，也不可能阻止圍巖移動和破壞，難以保證巷道穩(wěn)定性。若再受到采動影響，巷道圍巖會急劇變形、移動和失穩(wěn)，采用常規(guī)支護(hù)措施不能奏效。圍巖松動壓力根據(jù)成因劃分為巷道的頂壓、側(cè)壓和底壓等類型。

巷道開掘后，暴露的頂板巖石，如同雙支粱一樣支承上部巖石的壓力。在頂板破碎巖石冒落到一定范圍而形成自然平衡拱時(shí)，就會停止冒落。此時(shí)頂板又處于新的平衡狀態(tài)，巷道上部的壓力，通過拱頂傳到巷道兩幫巖石上。頂板下沉變形和頂板冒落的巖石作用在支承物上的壓力即為頂壓。

按以上圍巖松動壓力產(chǎn)生的原因，側(cè)壓和底壓是由頂壓造成的，而頂壓與巷道的掘進(jìn)及支護(hù)關(guān)系密切。所以，對頂壓造成的圍巖變形移動現(xiàn)象，必須特別關(guān)注。

3、影響圍巖壓力因素與圍巖變形位移的分析

巷道圍巖壓力受多種因素影響，它隨著巖體的地質(zhì)條件、圍巖變形位移特征、原巖應(yīng)力狀態(tài)、巷道性質(zhì)及支護(hù)結(jié)構(gòu)、工程環(huán)境及施工工藝的不同而變化。這些因素可概括為地質(zhì)因素和掘進(jìn)技術(shù)因素，圍巖壓力的典型因素。

圍巖變形位移特征，由圍巖變形造成的圍巖壓力，按其變形的大小來判別壓力的大小，變形最大的方向，就是來壓方向。巷道圍巖巖體包括三部分；頂、底、兩幫。這三部分的巖性相差較大，而且穩(wěn)定狀況也各不相同，有所區(qū)別。任何一條巷道的變形和破壞都是先從穩(wěn)定性程度較差的部分開始并擴(kuò)展，影響其他部分，最終造成巷道的整體性破壞。

圍巖壓力是由圍巖變形和破碎造成的，它的大小決定于圍巖破裂帶的大小。由于巷道四周破裂帶大小不同，各方向的圍巖壓力也不同。掌握圍巖位移與時(shí)間的關(guān)系，圍巖的位移速度、位移量以及圍巖位移趨于穩(wěn)定的時(shí)間，對認(rèn)識圍巖壓力的產(chǎn)生，變化具有重要意義。

1.巷道掘進(jìn)后，圍巖首先產(chǎn)生彈性變形。經(jīng)過一段時(shí)間后，圍巖風(fēng)化，力學(xué)性質(zhì)降低，致使圍巖不穩(wěn)定，則在巷道周邊最先進(jìn)入塑性變形，在形成塑性變形區(qū)的時(shí)，圍巖向巷道空間位移。圍巖壓力從圍巖出現(xiàn)變形時(shí)開始產(chǎn)生，并隨圍巖變形位移量的發(fā)展顯著增大。

2.掘進(jìn)時(shí)間延長，圍巖變形速度會趨于緩和，在掘進(jìn)導(dǎo)致的圍巖應(yīng)力重新分布并趨于穩(wěn)定后，因其巖層的流變性質(zhì)，圍巖變形還會隨時(shí)間而緩慢增長，但其變形速度比巷道初掘期間小得多。圍巖壓力也會緩慢增長并趨于穩(wěn)定；而圍巖壓力主要是由圍巖變形和位移造成的。

3.在巷道周邊巖石為較軟巖層時(shí)．圍巖變形從位移擴(kuò)大到松軟破裂帶直至巖石冒落，圍巖壓力顯著增大。

4.圍巖從開始冒落到完成，圍巖壓力從高峰值降低并趨于穩(wěn)定。此階段的圍巖壓力是由圍巖破碎造成的。

總之，巷道圍巖壓力隨圍巖變形移動及其破碎過程，會經(jīng)過掘巷期間的從產(chǎn)生到增大→逐漸增長→走向穩(wěn)定→巖石破碎冒落時(shí)的顯著增大→逐步降低→走向穩(wěn)定幾個(gè)時(shí)期。認(rèn)識這種巷道圍巖從掘進(jìn)巷道到圍巖破壞時(shí)的壓力變化的變動過程，對科學(xué)選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)類型，及時(shí)發(fā)揮支護(hù)的作用，避免圍巖的不利影響，具有非常重要作用的。