深部跨采大巷围岩稳定性分析

摘 要：本文分析了影响跨采巷道稳定性的因素：围岩应力、围岩强度、支护作用、应力差的影响，对跨采巷道的稳定性进行了评价分析，研究方法对类似条件下巷道围岩稳定性可提供参考。

关键词：围岩稳定性；跨采；大巷

中图分类号：TD263 文献标识码：A

1 影响跨采巷道稳定性因素分析

对跨采巷道来说，巷道自身稳定状况，定义为“受本次跨采之前巷道围岩——-支护系统承受外部附加压力的能力”。允许承受的外部附加压力越大，说明巷道自身稳定状况越好。巷道自身稳定状况，与巷道围岩结构与性质、巷道埋藏深度与构造应力、巷道断面与支护等因素有关。

1.1 围岩应力

这里巷道围岩是指巷道开挖后岩体应力出现重新分布的那部分岩体，显然，应力的重新分布不仅与原岩应力有关，而且与巷道形状、围岩特性及支护特性有关。围岩应力重新分布一般不是一次性完成的，而是贯穿于巷道服务期的全过程。因此，围岩的范围及围岩内各点的应力状态也都是处于不断的变化过程之中的。这种变化在深井软岩巷道及受采动影响的巷道中更为显著。围岩应力就是指上述范围内岩体中各点的应力，可见，围岩应力不是一个简单的确定值，而是一种大小和方向均处于动态变化的应力状态。

随着围压的增加，岩石的峰值强度和残余强度相应的增加，峰值强度与残余强度之间的差距将逐渐缩小。在低围压的作用下，岩石呈现脆性，表现出明显的塑性应变软化特性；在高围压的作用下，岩石从脆性转为延性，表现出塑性强化特性。大量的岩石三轴试验表明，不同的岩石从脆性转化为岩性的临界围压值也不相同，如表1所示。

据研究，煤系地层岩石的临界围岩一般都在30MPa以上，而深井动压巷道支护所能提供的围岩比较小，仅为0.05～0.50MPa，很难使巷道围岩表现出塑性强化特性，因而，深井动压巷道围岩屈服破坏后，应变软化是主要变形特性。在低围压下，深井动压巷道围岩屈服破坏后还表现出明显的剪胀性，并受围压的控制。研究表明，围压对岩石的剪胀性影响分为两个阶段：当围压小于4.0～5.0MPa时，围压的变化对岩石的剪胀性影响较大，围压微小增加，可以使岩石的体积变形有明显的减小；当围压大于5.0MPa时，围压的变化对岩石的体积变形影响较小，见图1。因此，在深井动压巷道中增加巷道围压有利于围岩稳定。

1.2 围岩强度

显然，围岩强度也不是一个简单确定的值， 即使完全均质的岩体由于围岩各处应力状态不同，其强度也不尽相同。尤其当围岩局部出现非弹性变形与破坏时，该局部岩体强度将严重降低，并引起围岩应力的剧烈变化。另外，岩体中存在着大量的节理和裂隙，形成了岩体的物理非连续性。虽然在裂隙间的各部分中岩体还保持着其原始特性，但裂隙间的抗拉强度却接近于零，仅仅依靠其间的附着力和相互咬合力抵抗着各岩块沿裂隙边缘相互脱离。而且，越靠近巷道边缘，岩体节理和裂隙越发育，附着力和咬合力越弱，岩体强度越低。而只有离巷道一定距离的岩层才具有几何连续性，节理和裂隙对岩体强度的影响越小，可近似用实验室测得的岩石强度来代替。

围岩具有自承能力，最大限度地利用这种能力，是现代支护理论的主要观点之一。这意味着围岩由被动的支护对象，转化为在支护中起关键的积极作用的自支撑结构。认识和理解围岩具有自支撑和自稳定能力，对科学合理地进行巷道围岩控制具有重要意义。

1.3 支护作用

围岩压力是支架与围岩相互作用过程中因围岩变形受（支护）阻而作用在支架上的压力，它不仅与原岩应力、围岩性质等因素有关，而且与支护刚度、支护时间、支护阻力等支护因素有关。对锚杆支护而言，安装锚杆后在加固的岩拱内增加了对拱内岩块的限制力，使之处于三轴应力状态，形成自承能力很高的加固拱或加固梁。地压载荷主要由被加固的岩体来承担，而锚杆只需负担很小的压力。

1.4 应力差的影响

在深部开挖巷道后，引起高的应力差，造成浅部围岩回弹和应力重新调整，使巷道浅部围岩中原本闭合的结构面张开滑移，并产生新的裂隙，使围岩强度降低。高的应力差不仅改变浅部围岩应力状态和强度，而且也改变了浅部围岩的水文地质条件，水沿张开裂隙渗流，进一步降低了浅部围岩强度，使巷道浅部围岩比较破碎。在受到采动影响后，由于浅部围岩比较破碎，巷道支护所能提供的围压较小。因此，应力差进一步增大，引起巷道深部围岩屈服破坏，剪胀变形，造成大的变形。

综上所述，最大限度地利用围岩的自承能力，是现代支护理论的一个主要观点。所有井下支护系统的设计原理都是企图通过支护，来充分利用和保持岩体的固有强度，帮助岩体自持的。

2 跨采巷道稳定性评价

根据上述分析，在不考虑构造应力、未受采动影响时巷道稳定性可用下式（2-1）计算出的安全富裕系数K0来评价，并将K0定义为巷道承受采动附加压力的能力。K0越大，意味着巷道稳定性越好，经受采动时变形量相对越小，反之亦然。

根据K0值大小，可以对巷道的自身稳定性进行以下分类：I类：当K0≥1.5时，巷道自身稳定状况良好；II类：当1.5>K0>1.2 时，巷道自身稳定状况中等；III类：当K0≤1.2时，巷道自身稳定状况较差。

某工作面位于西五采区与西九采区之间，处于-650大巷的正上方，工作面底板与-650大巷顶板之间法线距离很小。-650皮带巷布置在底板砂质泥岩中，距底板14m左右，其中砂质泥岩呈深灰色，块状，含砂量较多，水平层理发育。-650轨道巷布置在底板细砂岩中，距底板12m左右，在f439断层处附近，最小距离仅为11米左右。

结语

经计算分析得到，-650轨道大巷的富裕系数为1.16，皮带大巷的富裕系数为1.26，为巷道稳定性控制提供可靠参考数据。

参考文献

[1]何满潮，谢和平，彭苏萍等. 深部开采岩体力学研究[J].岩石力学与工程学报，2006，24（16）：2803-2813.

[2]袁亮.深井巷道围岩控制理论及淮南矿区工程实践[M].北京：煤炭工业出版社，2006.

[3]康红普，王金华，林健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29（4）：649-664.

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