大断面巷道围岩破坏原因分析

张家荣，朱殿瑞

(1．潞安集团蒲县常兴煤业有限公司，山西 长治 041200;2．太原重型机械集团有限公司 轧钢设备分公司，山西 太原 030024;3．太原理工大学煤机楼0210实验室，山西 太原 030024)

煤矿的规模及开采强度与现代化矿井的综合机械化开采技术与时俱进，因井下设备的装机功率增大，使得设备的体积也不断增大，这样设备运输及安装所需空间也需增大，最终导致巷道断面也随着增大，断面增大给维护带来诸多挑战和难度［1］，因此，有必要对此进行研究［2］。

1 大断面巷道基本形式

高煤帮、大跨度、交岔点、硐室、开切眼等是大断面巷道目前的基本形式。大断面巷道也是相对的，依据采煤方法，巷道断面各自的顺槽的情况见表1。

表1 矿井巷道断面各自顺槽对应尺寸

2 大断面巷道破坏理论

2．1 巷道围岩破坏机理

矿井巷道开挖之前，岩层在三维空间均受应力，处于比较稳定的状态。在开挖后，岩层的原先平衡遭到破坏，引起应力的重新分布，应力由原先的三维受力状态瞬间转化为二维受力，其中垂直应力转向两帮的煤体，水平应力转向顶板的岩层。顶板岩层此时受到较大水平应力导致强度较弱的岩石应力达到极限，产生剪切位移或裂隙，致使断裂的岩石坍塌，即产生“冒顶”。这种情况在裂隙、断层等脆弱结构面更为突出。

为了保证地下巷道及周围岩层的稳定，需要及时进行支护，阻止其破坏的程度继续发展。

2．2 巷道围岩破坏影响因素

1)巷道断面尺寸。

利用两边固定铰支、受均布载荷q无限延长的薄板将巷道顶板进行简化，并进行分析［3］，见图1。

图1 顶板简化模型示意图

用级数的形式表示挠度曲线如下：

式中：γ—顶板岩层的挠度，m;

e—顶板岩层的宽度，m。

张力M可表示成如下形式：

式中：M—顶板岩层的张力，kN·m－1;

E—顶板岩层的弹性模量，MPa;

d—顶板岩层的厚度，m;

δ—岩层的泊松比值。

经过推导可知挠度γmax可表示为如下形式：

由(3)式可知：巷道的最大挠度γmax与其跨度e4成正比，所以可得出如下结论，增宽巷道，将使得弯曲变形更容易，受弯曲变形的影响，顶板将产生张应力，加速其破坏。

2)巷道断面形状。

经过现场走访、总结得出：大断面巷道的截面方形较多，这种形状围岩的应力计算较复杂，根据理论分析和相关实验得知，方形的边比(高∶宽)及侧压系数ω均和矩形断面巷道围岩的应力有关［4］。为了说明方形断面巷道的应力分布状况，现以高宽比为a∶b=1∶3的巷道进行讲解。见图2。

图2 矩形巷道水平及垂直轴剖面上的主应力分布图

图2 中原岩应力分别为η、τ，在二维空间中，围岩任意一点的两个主应力为σ1、σ2，其中：

式中：η、τ— 原岩应力;

F1、F2—应力集中系数(在巷道影响半径外 F1与F2可认为等于1);

σ1、σ2— 主应力。

根据经验，应力分布图形在忽略围岩重量时将镜像于坐标两轴，从图2两主应力的半边图中可以得出：

a)较大压应力出现在两帮，且在周边处产生峰值，并向深部扩展。

b)较大拉应力出现在顶底板中间，且在顶底边缘处产生峰值，并向深部扩展逐步转变为压应力，巷道的跨度与拉应力成正比。

3 大断面巷道围岩破坏状态

3．1 围岩破坏状态

巷道围岩破坏的特征按其破坏过程、形态及其造成的原因可分为以下几类［5］：岩爆、拉断、重剪、局部掉石、潮解风化等类型。

大断面的巷道不仅具有跨度和高度相对较大，截面多为方形的特点，甚至有时还受开采振动的影响。因此，围岩的破坏范围较大，在上述几种破坏类型的影响下，将使得巷道断面出现下列一些破坏状况。

1)加大巷道围岩破坏的突发性。在一些特殊地段，如淋水交叉点、小断层、顶板裂纹发育处及地质破碎带，因其跨度与高度大，使得冒顶突发性变强，冒顶范围变大。

2)加大巷道围岩的破坏程度。对于顶板离层采用钻孔技术，可以窥视到范围在4～5 m，局部可接近6m，远超出了锚杆锚固范围，所以必须采用加长强力锚索支护。

3)加大巷道底谷的损坏。在巷道支护时，因地下复杂的地应力场构造，再加上工人们对底板的维护远远小于对顶板及煤帮的支护，这些原因致使巷道更容易产生底鼓。

3．2 围岩稳定性破坏原因

造成巷道围岩的破坏是由诸多因素引起的，有客观的因素，也存在人为因素，综合考虑可归结为下述几点：

1)生产技术和地质条件的影响。

a)工作面回采时引起的应力变化影响。

外界条件一定时，采空区边缘与巷道的距离是影响围岩稳定性的一个重要原因，通常用留设的护巷煤柱粗细来衡量。

b)围岩地应力的影响。

构造应力和自重应力组成围岩地应力，它的存在引起围岩变形甚至失稳破坏。其中，构造应力较复杂可忽略，而由自重引起的地应力与岩体所处的深度成正比，所以采煤深度可以作为巷道围岩的稳定性的一个判据。根据经验，在自重地应力的作用下，采深越大，巷道的支护越困难。

c)岩体特性的影响。

岩体的特性决定着围岩的稳定性，其力学性能与岩石的构造及组成有很大关系。我国主要集中开采新生界第三纪褐煤和中生界上侏罗纪的褐煤［1］，这两种煤层容易风化，怕水及震动。此外，还有一个重要影响因素就是巷道围岩岩体的完整程度。

d)断层构造的影响。

巷道在开掘时穿过断层比较困难，因其压力大，难以维护。在经过卸压后，短时期内，巷道较稳定，但巷道将在支护体遭破坏后立即变形。在沿断层掘进时，巷道变形较严重。因此，在过断层构造带时，要加强这一构造带的支护，而且要依据不同地质条件选取不同的支护方式。

e)上覆岩层压力的影响。

在井下进行施工时，上覆岩压力是必须考虑的一个因素，其压力与矿井开采深度成正比。通常巷道围岩的静压力是均匀分布的，由此可得，支护强度较薄弱处首先出现巷道的破坏，如喷岩较薄处、矩形巷道的顶底角处。

2)施工与支护设计的影响。

在巷道的支护中，造成巷道围岩变形破坏的主观因素如下：

a)施工质量的影响。

(1)施工过程出现的错误，在对松软煤层和易风化的巷道进行施工时，工作人员习惯于先对巷道进行支护，然后对巷道表面进行喷浆。这样容易使巷道表面发生风化，从而造成起皮剥落;同时还会使巷道外层的围岩破碎剥落，从而形成局部冒顶。这种破坏由外向里层层深入，造成了锚杆与岩体的共同移动，最终会使其失去锚固作用。

(2)掘进过程中的错误操作，比如当巷道成型不好或者凸凹不平时，为了缩短施工所需要的周期，不按规范要求操作，从而使其实际支护力远不及设计值，这样便使得巷道凸凹处首先破坏。

(3)不按标准施工，偷工减料，主要表现如下：

以次充好，比如为加快速度，在使用药卷加工树脂锚固时，搅拌时间不充足并且搅拌不均匀，使得锚固力达不到规定的强度，而导致锚杆和锚索失效，这样支护体便达不到设计所要求的承载载荷及变形量，导致巷道早早的破坏。

锚杆间距过大，再加上其预紧力达不到设计要求，造成巷道支护能力不达标。

b)爆破震动的影响。

爆破过程中产生的冲击波会对支护体产生震动冲击，当巷道支护体的承载力处于临界值时，经多次震动冲击后较为脆弱的支护体就会迅速破坏。

在客观因素无法改变的前提下，可以通过严格施工管理、科学施工设计来避免重复返修，保持巷道支护的稳定性，从而延长巷道的使用寿命。

c)支护设计不合理的影响。

(1)不重视底板支护，如果底板没有支护，则压力将沿着底板释放而产生底鼓，严重时会使两边底角向内收敛，从而使其破坏失修。

(2)巷道支护形式单一，不根据巷道用途、巷道服务时间、围岩地质条件来合理选择支护形式。

(3)支护构件设计不合理，比如当锚杆螺母与杆体不配套时，会造成托盘沿杆体脱落而使支护体失效。

4 结语

通过对大断面巷道围岩进行分析，得出大断面巷道围岩破坏的机理及影响围岩稳定性的原因，对以后的巷道维护有一定的积极作用。

［1］ 张占涛，鞠文君．大断面煤层巷道围岩变形特征与支护参数研究［D］．北京：煤炭科学研究总院，2009．

［2］ 朱殿瑞，廉自生，贺志凯．掩护式液压支架姿态分析［J］．矿山机械，2012，40(3)：16－19．

［3］ 康红普，王金华．煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］．北京：煤炭工业出版社．2007：11．

［4］ 谭学术．复合岩体力学理论及其应用［M］．北京：煤炭工业出版社．1994：6．

［5］ 张向农．刘桥一矿煤巷锚杆支护技术优化研究［D］．安徽：安徽理工大学，2006。