巷道围岩受力变形分析

[摘 要]本文从弹塑性理论和材料力学基本原理出发，将首先建立一个较为理想的巷道外接圆圆形力学模型。该模型的建立，一方面为弹塑性理论在巷道围岩受力解析分析中的应用奠定了基础，另一方面也将揭示出矿山巷道底臌长期得不到较好治理的根本原因。

[关键词]巷道;围岩受力;变形分析

中图分类号：TD322 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0017-01

一、巷道外接圆理论的基本原理

矿山巷道依据其不同用途可以设计成不同的形状，可以是拱形、梯形、矩形等。对于这些形状的巷道，其应力分布规律，目前力学上尚无现成的解析解答，也没有办法依据一定的理论方法直接获取这些巷道的围岩应力分布规律。此处为了能够直接利用现成的弹塑性理论来分析围岩的应力分布规律，特用巷道的外接圆将各种形状的岩石巷道还原成一个圆形巷道，具体原理如下。

1、矿山巷道力学模型的建立

本文主要以东海煤矿32号层回采巷道为研究对象，因回采巷道一般服务年限较短，为了提高掘进速度，缩短成巷时间，所以回采巷道一般设计成矩形或梯形断面形状。由于矿山主要巷道均具有较长的长度，因此，在对巷道进行受力分析时，可将巷道的受力问题作为平面应变问题来处理。如图1所示，巷道为矩形巷道，巷道外面的外接圆即为矩形巷道被简化以后的圆形巷道，巷道的受力、变形分析均以圆形巷道为对象。

2、矿山外接圆巷道力学模型建立的原理

首先，将图1中阴影部分的围岩和周围岩体看成是相互叠合在一起、且相互作用的复合体，很明显阴影部分的围岩将受到周围岩体的作用，通常情况下该作用包含有法向和剪切方向的作用，受到岩体作用的阴影部分（如BD部分）实际上可以看成一个两端固定的变截面梁。由于梁两端截面面积非常小，稍微受力，梁端即会发生断裂，因此该梁承载能力很小，这也充分说明了巷道的破碎位置通常发生在巷道各个角部的原因。所以，在进行力学分析、松动圈研究和巷道支护的时候按照圆形巷道进行处理即可。

二、矿山巷道破坏机理的外接圆理论分析

1、巷道变形破坏类型

通常情况下，巷道变形破坏类型可以分为四种类型：（1）顶部破碎冒落;（2）巷道底角与肩部破坏;（3）巷道底板产生底臌;（4）两帮向内移动。

2、破坏机理分析

由于采动影响，破坏了岩体中原岩应力的平衡状态，导致顶板岩体移动变形，致使顶板岩体悬空及其部分重量传递到周围未直接采动的岩体上，从而引起采场周围岩体内的应力重新分布，形成支撑压力区和卸载压力区。在工作面前方煤柱及其顶底板岩体内形成支撑压力区，而在采空区顶底板岩体内形成减压区，其压力小于开采前的正常压力，由于减压的结果，致使顶板岩体向下移动变形，在采空空间上方岩层自下而上形成冒落带、裂隙带与弯曲下沉带。而底板岩体除在垂直方向上受减压影响外，还受水平方向的压缩，产生向上隆起现象（底臌）。

三、巷道顶板的变形与破坏机理分析

巷道开挖时，对于厚层状或块体状岩体内的巷道顶拱，顶板岩体除瞬时完成的弹性变形外，还可由塑性变形及其他原因而继续变形，使顶壁轮廓发生明显改变，但仍可保持稳定状态。开挖后，当那里产生拉应力集中，且其值超过围岩的抗拉强度时，顶拱围岩就将发生张裂破坏，尤其是当那里发育有近垂直的构造裂隙时，即使产生的拉应力很小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝。把顶板变形破坏分为以下几种基本方式，实际巷道变形破坏可以是其中的一种，也可能是其中几种的复合形式。

1、水平载荷作用下的剪切破坏

剪切破坏的原因是作用在顶板上的水平载荷超过了顶板岩层的抗剪强度。

2、垂直载荷作用下的剪切破坏

这种剪切破坏的原因是，垂直载荷在岩梁跨度中部造成拉应力的同时，在两端引起了剪应力，当岩梁的跨度与高度之比较小时，剪应力成为破坏的决定因素。

3、弯曲拉伸破坏

顶板岩梁弯曲下沉过程中，因拉应力达到岩层抗拉强度极限而破坏。顶板发生弯曲拉伸破坏有两种模式：一是完整结构顶板，岩层连续性较好，为两端嵌固梁;二是块裂结构顶板，连续性遭破坏，则为悬臂岩梁。

4、脱落与冒落

一些碎裂结构和松散结构的顶板岩层，连续性遭到严重破坏，不能形成稳定的铰接拱结构。这种顶板中的某些块体即所谓的“关键块”，经暴露便会自行或在外部因素激发下，如放炮震动脱落，继而引发其他块体脱落。随顶板破碎程度的加剧，顶板中的“关键块”数量相应增多，顶板的稳定性变差。断层带附近的破碎顶板经常以这种方式破坏失稳。

结束语

运用深部回采巷道外接圆的理论知识，对深部回采巷道松动圈范围内的围岩做受力分析，能够为巷道支护提供依据。尽管通过“外接圆模型”所得的计算结果是存在一定误差的，但是它的确为巷道支护提供了一个有价值的理论依据。在一般情况下，巷道围岩松动圈的内边界一般都处在外接圆的范围内，所以，运用该模型研究防治巷道变形的问题，得到的结果更倾向于安全性。

参考文献

[1] 姜耀东.巷道底臌机理及控制方法的研究[D].徐州：中国矿业大学，1993.

[2] 候朝炯，马念杰.回采巷道围岩整体下沉及其力学分析[J].煤炭学报，1993，18（2）：6-51.