巷道围岩失稳类型及失稳机理分析

陈国星（山东科技大学，山东 青岛 266590）

巷道围岩失稳类型及失稳机理分析

陈国星
（山东科技大学，山东 青岛 266590）

煤矿产业给国民经济发展提供源源不断的能源支持，但在井下作业过程中却充满各种危险，其中围岩失稳就是最为常见的一种。这是因为井下巷道开挖后围岩应力会重新分布，进而造成失稳破坏情况的出现，影响煤矿井下作业的人员的安全及生产顺利进行。基于此，本文分析煤矿巷道失稳的常见类型以及失稳原理，为推进行业技术进步贡献一份力量。

巷道围岩失稳；失稳机理；原因分析

0　引言

煤矿巷道开挖过程中会打破原有相对平衡状态，也就是将岩层原有的较好稳定性打破。而当煤矿巷道掘进或回采后，就会对巷道围岩的应力状态及围岩性质产生影响，在这一过程中会造成巷道顶底板及两边岩体出现形变并向巷道内部空间移动，长时间下来围岩的稳定状态会在变形影响下出现变化，因此实际中有必要做好巷道围岩失稳类型及失稳机理的分析工作，本文对此进行重点阐述。

1　煤矿巷道围岩失稳类型分析

实际中煤矿巷道围岩失稳类型的表现形式有很多种，但根据其发生机理及表现形态大致可以归为六大类，接下来笔者对每一类失稳类型进行分析。

（1）潮解膨胀。潮解膨胀破坏指的是岩体遇水后出现软化崩解或强烈膨胀产生的破坏，这种破坏形式在实际中较为常见，一般出现在含有大量页岩、粘土岩以及无水石膏等巷道内。这些岩石被统称为膨胀性岩石，这类岩石有一个共同特性，就是含有大量的活性矿物蒙脱石，蒙脱石吸水后自身体积会猛增几到十几倍，具有极强的膨胀性；除此之外，蒙脱石还具备较强的流变性，所以造成巷道围岩开挖后很容易就出现风化潮解等情况，所以实际中为预防这种情况开挖后会及时封闭围岩。

（2）局部落石。实际生产中产生局部落石破坏，主要原因在于地质因素及施工不当，比如实际施工中没有考虑地质构成，在结构面与临空面的不利组合或结构面风化潮解的围岩构成中施工，施工过程中使用爆破、开挖等施工形式，进而造成围岩出现松动等情况，通常情况下这种破坏主要集中在巷道顶板及两帮。

（3）重剪现象。这种情况产生的原理是由围岩本身应力形成的，通常出现在岩性坚硬而存在发育弱面的岩层中，受到原岩应力场等因素的影响。除此之外，重剪破坏还会受到自身重应力的影响，特别是围岩中地质构成不一致存在软弱夹层等，这种影响的表现更为严重。

（4）拉断现象。当土体抗拉强度较低、存在破碎岩石或是岩层中含有软弱结构面，一般情况下拉断破坏有两种表现形式：拉裂及折断，根据测压系数判断拉断现象的表现：当测压系数大于1时，垂直压力会对围岩侧壁产生垂直向拉裂；而当测压系数小于1，则会出现冒顶坍塌，这种破坏形式出现在巷道梯形及矩形断面。结合实际案例发现，折断破坏极易出现在薄层岩体巷道中。

（5）岩爆现象。岩体开挖过程中围岩突然被抛出的破坏形式被称为岩爆，产生这种现象的原因在于岩体内部存储的弹性应变能突然被释放出来，进而造成脆性拉裂。实践表明，岩爆情况最容易出现在埋深较深且完整性良好的脆性岩体。不过实际中在埋深较浅的巷道只要岩体积存足够多的弹性应变能也可能出现岩爆情况，所以一定程度上来说岩爆出现与岩体埋深没有直接联系。

（6）剪切及复合破坏。软弱围岩巷道中最常见的变形破坏模式的剪切破坏，坚硬完整围岩在高应力作用下同样会出现这种破坏。实际中如果当侧压力系数小于1时，围岩的剪切破坏在初期主要表现为巷道冒顶及严重偏帮。这种形势下如果不能及时采取相应措施进行完善，就会造成顶板出现新的剪切破坏。

2　煤矿巷道围岩失稳机理剖析

煤矿巷道围岩失稳类型较多，但实际中这些类型可以通过相似的条件进行分析，笔者对此进行探讨。

（1）分析弹塑性。为了更好的对弹塑性进行分析，接下来以圆形巷道为例对此展开讨论。通过分析发现在轴对称条件下围岩的应力及变形只是r的函数，假设c、φ为塑性区一等厚圆筒的常数，依据塑性区应满足塑性条件和平衡方程，弹性区应满足弹性条件和平衡方程，弹塑性交界处既满足弹性条件又满足塑性条件进行分析。不考虑体力时，在塑性区内取Mohr－Coulomb屈服准则为塑性条件，脚标p表示塑性区的分量，脚标e（下式）表示弹性区的分量。将上式代入平衡方程并积分。若支护阻力为Pi，则支护与围岩界面（r=r0）上的应力边界条件为σpr=Pi，代入可解得积分常数的表达式。显然，塑性区正应力与原岩应力P无关，而随着c、φ及Pi值的增大而增大。应用弹塑交界面上的应力协调条件可求得塑性区半径。若令塑性区半径为R0，则当r=R0时，有σer=σpr=σR0，σeθ=σpθ。其中σR0为弹塑性区交界面上的径向应力。弹塑性交界面上的应力是一个取决于P、c、φ值的函数，而与Pi无关。

（2）分析影响塑性区范围的因素。实际中分析影响塑性区范围的因素，可以将其分成三大类，笔者对其进行深度分析，并给出实际影响程度分析，推进煤矿企业生产效率。1）原岩应力P。原岩应力与塑性区半径成正比，也就是原岩应力增大塑性区半径也会增大，除此之外，巷道埋深决定原岩应力的大小。这具体到实际中，表现为采深增加巷道围岩慢慢转为塑性流动状态，这意味着塑性区范围在逐渐增加，同样会造成维护巷道工作的难度增加；2）内摩擦角及粘聚力。通过分析实际中的围岩塑性区半径R0及内摩擦角与粘聚力之间的关系，可以发现后两者的增加会促使塑性区范围减小。通过这点可以发现，岩体强度的增加可以实现提高巷道整体稳定性的目的；3）支护阻力分析。支护结构提供巷道支护阻力，进而实现提高巷道围岩稳定性的目的，实际中发现支护阻力与围岩塑性区范围成反比关系，也就是支护阻力越小，围岩塑性区范围越大，实现提高巷道围岩稳定性。

3　结束语

通过本文的分析可以发现，巷道围岩的失稳破坏形式表现种类较多，但大体上也可以分成几类，同样影响围岩稳定性的因素也包含众多内容。实际中在进行煤矿巷道围岩失稳类型分析及维护时候，需要搞清楚发生失稳现象的原因，进而根据其产生机理给予相应的完善措施。做好巷道维护管理工作，有助于保护煤矿工作人员的人身安全及提高生产效率。

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