朱獻(xiàn)偉，郭帥峰

（河南平寶煤業(yè)有限公司，河南 許昌 461000）

在開采設(shè)備系統(tǒng)的擴(kuò)切眼施工中，由于應(yīng)力作用常致切眼圍巖發(fā)生變形。而導(dǎo)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(yīng)力相同的條件下，圍巖力學(xué)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(gòu)造特征等因素所決定。礦體強(qiáng)度與其變質(zhì)強(qiáng)度關(guān)系呈明顯正相關(guān)性。變質(zhì)程度高，其強(qiáng)度也大，反之，強(qiáng)度也就小。同時(shí)，礦層理構(gòu)造影響強(qiáng)度，垂直礦層理其抗壓強(qiáng)度強(qiáng)于平行于礦體層理強(qiáng)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(yīng)變，這種體積應(yīng)變的膨脹性致使其發(fā)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(guī)律進(jìn)行分析，以為有效控制巷道破碎區(qū)和塑性取范圍，進(jìn)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(qiáng)度小于圍巖應(yīng)力，則圍巖將會發(fā)生破碎，產(chǎn)生破碎區(qū)，而單位體積內(nèi)的圍巖膨脹、破裂所形成的巖石體積增加量就是碎脹應(yīng)變。這種變形是巖石強(qiáng)度至其峰值后變形的反映。

巖石受到破壞后，因其自身發(fā)育裂隙，殘余強(qiáng)度顯著低于峰值強(qiáng)度，導(dǎo)致巖石體積大幅增加。有文獻(xiàn)[2]顯示，在地應(yīng)力作用下，低強(qiáng)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(yīng)變也減少。而高應(yīng)力作用下的高強(qiáng)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(yīng)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(qū)碎脹變形。當(dāng)然，在巷道未支護(hù)前，彈性變形已經(jīng)發(fā)生，只是變形量較小，而破碎區(qū)碎脹及塑性區(qū)膨脹變形則決定著巷道變形程度的加深。礦體破碎區(qū)范圍及其裂隙擴(kuò)張發(fā)育程度決定著巷道的碎脹能力，如果巷道圍巖應(yīng)力大于軟弱礦體強(qiáng)度，則巷道碎脹變形的主要影響因素由以下幾點(diǎn)：①礦體強(qiáng)度低：礦體強(qiáng)度低于原巖的應(yīng)力，則巷道中的圍巖就會軟弱、松散，膠結(jié)程度低，礦體破碎且抗壓強(qiáng)度低于10MPa。因其自身強(qiáng)度不高，在較小或中等水平應(yīng)力作用下，礦體就會發(fā)生破碎和嚴(yán)重的碎脹變形，產(chǎn)生破碎區(qū)；②巷道圍巖的應(yīng)力高：原巖應(yīng)力的大小決定者巷道變形碎脹的程度，如果圍巖強(qiáng)度若，且地應(yīng)力也不高，那么巷道未必就產(chǎn)生絕對性大的碎脹變形。

1.2 巷道圍巖變形的規(guī)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(shí)間、破碎區(qū)范圍、力學(xué)性質(zhì)、支護(hù)強(qiáng)度和類型等因素共同作用的結(jié)果。

2 礦層巷道形成破碎區(qū)的原因和過程

2.1 礦層巷道破碎區(qū)的成因分析

開挖礦層巷道前，其周圍巖體應(yīng)力處于三向平衡狀態(tài)，進(jìn)而能夠保持穩(wěn)定。盡管松軟礦體自身強(qiáng)度不高，在三向應(yīng)力共同作用下其強(qiáng)度則較高，具有較強(qiáng)的抗剪切及擠壓的能力。當(dāng)巷道開挖后，圍巖的三向應(yīng)力平衡被打破，且被重新分布。首先是增加了切向應(yīng)力，并形成了應(yīng)力集中；其次是減小了徑向應(yīng)力，巷道周邊的應(yīng)力減小為零；最后是由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻频亩?，破碎圍巖強(qiáng)度顯著下降，若集中應(yīng)力值低于下降后礦體強(qiáng)度，則礦體將處于塑性、彈性狀態(tài)，巷道圍巖可以通過自身強(qiáng)度來保持穩(wěn)定，此時(shí)無需支護(hù)。

若集中應(yīng)力值等于礦體下降后強(qiáng)度，則礦體就會破裂，形成碎脹變形。同時(shí)，礦體破裂也由巷道周邊向其深部蔓延擴(kuò)展，直至重新平衡圍巖應(yīng)力，破碎區(qū)形成見圖1。

圖1 巷道破碎區(qū)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(yīng)力平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)在其左側(cè)開挖空間后，H1水平應(yīng)力接觸，此單元變?yōu)槎驊?yīng)力。此時(shí)，該單元發(fā)生兩個變化，一是從三向應(yīng)力變?yōu)槎驊?yīng)力，降低了單元強(qiáng)度；二是應(yīng)力轉(zhuǎn)移后，被開挖空間的周邊發(fā)生了應(yīng)力集中，增加了單元上的受力，使其發(fā)生受力變形。若單元受力大于單元強(qiáng)度，單元1就被破壞，降低了其承載力，致使應(yīng)力轉(zhuǎn)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(shí)單元2的H2應(yīng)力并不為零，只是數(shù)值較小，也就是說單元2的強(qiáng)度要略高于單元1的強(qiáng)度。若此時(shí)單元2的應(yīng)用作用仍低于其強(qiáng)度，那么單元2也被破壞，其應(yīng)力也會繼續(xù)轉(zhuǎn)移到深部。破壞應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，也會降低其應(yīng)力的集中程度，繼而增加水平應(yīng)力，而到單元n后，單元所受應(yīng)力低于單元強(qiáng)度，此時(shí)單元不會被破壞，僅發(fā)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(tài)，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(tài)。

由上述分析可知，巷道形成破碎區(qū)的過程是無法避免的，其是一個動態(tài)化的過程，如果圍巖應(yīng)力作用同等，破碎區(qū)的范圍增大，其穩(wěn)定時(shí)需要的時(shí)間也會增加。在破碎區(qū)形成過程中，圍巖應(yīng)力是其形成的外部因素，而巖石力學(xué)的性質(zhì)則是其形成的內(nèi)部因素。在圍巖應(yīng)力作用下，巷道圍巖產(chǎn)生破碎區(qū)，加上喊道自身力學(xué)性質(zhì)不強(qiáng)，如果圍巖應(yīng)力作用同等，其破碎區(qū)的范圍就較大，破壞性更加顯著，碎脹變形也就越大。繼續(xù)增加圍巖應(yīng)力，巷道周邊的應(yīng)力大于其強(qiáng)度的極限值時(shí)，巷道圍巖便會發(fā)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(yīng)力增加且達(dá)到一定程度，則裂紋會向四周不斷擴(kuò)展，范圍不斷增加，巷道的破壞性也越大，進(jìn)而產(chǎn)生破碎區(qū)。

總之，從上述分析可知，巷道破碎區(qū)的形成主要受到礦體自身強(qiáng)度、應(yīng)力、力學(xué)性能等因素的影響，在應(yīng)力作用下，礦體體積應(yīng)變發(fā)生膨脹變化，進(jìn)而使巷道發(fā)生變形。巷道變形碎脹破壞程度同其破碎范圍、應(yīng)力作用及力學(xué)性質(zhì)的不均勻等因素相關(guān)，破碎范圍擴(kuò)大其破壞程度也就越大。