巷道围岩塑性区形成的力学机制与形态特征

申建忠

（潞安集团司马煤业有限公司，山西 长治 047105）

对巷道围岩塑性区域的形成和特征进行分析，可以得出巷道围岩变形机理，从而对冒顶事故进行有效合理的控制和预防。以司马煤矿1208工作面为研究背景，根据塑性区域理论，对巷道的塑性区域进行了力学分析，研究了塑性区域的力学特性和影响因素，有助于实现围岩的稳定控制。

1208工作面地面无重要建筑物，盖山厚度591～767 m，平均679 m。工作面井下位于中六采区北配巷西北部，工作面东北部为1210工作面，与本工作面相距30m，西南部为未采区。3#煤层四邻均未采，2#煤与3#煤层间距约16.79m。工作面设计走向长1640～1664 m，可采走向长1535 m，采长225 m，煤层平均厚度2.89 m，可采储量115.1万t。

1 围岩塑性区域形成机理

1208工作运输巷、运料巷初步确定采用圆形巷道，因此1208工作面圆形巷道的围岩塑性区域分布问题是两巷是否顺利掘进的重点，目前以Kirsch研究的平面应变公式分析圆形巷道应力和塑性区域较为广泛。但其公式建立背景为双向等压力作用，实际工程并不能完全符合应用条件，双向并不完全等压力，对于非均匀应力作用的巷道围岩的应力和塑性区域分布情况有必要进行分析。在1208工作面掘进前假设巷道围岩挖掘前后都是弹性，求解后根据塑性条件判断塑性破坏区，近似确定塑性区域对于围岩破坏机理具有较大参考作用，为1208工作面两巷顺利掘进提供理论基础。

1.1 双向不等压应力影响的巷道力学分析

目前对巷道应力精准求解较困难，因此对1208工作面两巷进行简化，围岩应力视为分布均匀，巷道挖掘视为平面应变，岩层各向视为同性。双向不等压力作用下的圆形巷道力学分析如图1所示。

图1 不等压力作用的1208工作面圆形巷道力学分析

可以依据弹性力学相应计算理论，由以下公式对双向不等压力作用的巷道某点计算其应力。

式中：

σr-某点周向应力，MPa；

σθ-某点径向应力，MPa；

τr-某点剪应力，MPa；

γH-某点垂直载荷，MPa；

λ-侧压系数；

R-巷道半径；

r、θ-某点极坐标值。

1.2 围岩强度标准

在巷道掘进过程中巷道围岩破坏受其极限应力作用较大，本研究采用库伦莫尔强度准则对其进行分析，如图2所示。

图2 库伦莫尔准则

通过直线莫尔包络线描述围岩平衡，当巷道围岩处于弹性极限与塑性临界状态时，根据库伦莫尔强度准则可得出平衡方程为：

式中：

σ1、σ3-极限应力值；

φ-内摩擦角度，（°）。

2 围岩塑性区域影响要素

根据以上计算公式可发现巷道围岩塑性区域的影响要素包括巷道埋深、巷道角度、巷道内摩擦角。

2.1 巷道埋深

通过公式代入巷道有关参数，研究1208工作面巷道掘进深度变化对其塑性区域的影响，结果如图3所示。

由图3可以看出，几种不同岩层巷道，埋深较低时都有无塑性区的埋深范围，存在临界塑性深度，巷道埋深超过临界深度后，随深度增加，各岩层塑性区域都在扩充，且扩充速度是煤＞泥岩＞页岩＞砂岩，反映了围岩硬度低会增加塑性区域的扩散速率。

图3 各种围岩巷道埋深对于围岩塑性区域影响曲线

2.2 巷道角度

根据上述公式得出不同角度巷道围岩的塑性区域深度也不同，在0°到45°巷道角度内均存在0塑性区、存在临界埋深，但总体随埋深增加塑性区域增大，在1208工作面巷道掘进纵深50 m之前的临界状态之后，随着巷道角度的增加塑性区域扩充速度减小；纵深50 m之后随巷道角度增加而扩充速度增大。

2.3 内摩擦角

分别取不同内摩擦角进行比较，得出围岩塑性区域变化滚率，既不同巷道围岩内摩擦角的临界埋深也不同，随着内摩擦角增大，临界埋深也增大，巷道围岩塑性区域扩张随着内摩擦角的增大而增长速率降低。通过对1208工作面非均匀应力场巷道围岩塑性区理论分析，分析了1208工作面两巷冒顶机理，为制定针对性的巷道冒顶控制方法和与之相适应的支护技术提供理论依据，并以此研究结果制定了顶板永久支护、巷帮永久支护方案。

（1）顶板永久支护方案

锚杆规格：MSGLW335/20×2400左旋无纵筋螺纹钢锚杆，所有锚杆配套使用1010尼龙阻尼圈及球形垫。

锚杆托盘：150×150×10 mm拱形高强度托盘，拱高不得小于36mm。

锚固方式：采用端锚锚固形式，每孔2支锚固剂，1支MS(CKb+Z)2360锚固剂，1支MSZ2360锚固剂。

钢筋托梁：采用16#圆钢焊接而成，规格为：SB-φ16-5000-60mm。

锚杆布置：每排6根锚杆，间距950mm，排距900mm，靠近巷帮的顶板锚杆距离巷帮225mm，打设角度与垂线成10°角（朝向巷外），中部锚杆与顶板垂直。

（2）巷帮永久支护方案

锚杆规格：MSGLW335/20×2000左旋无纵筋螺纹钢锚杆，所有锚杆配套使用1010尼龙阻尼圈及球形垫。

锚固方式：采用端锚锚固形式，每孔1支MSZ2360锚固剂。

钢筋托梁：采用14#圆钢焊接而成，规格为：SB-φ14-2900-60 mm。

锚杆托盘：150×150×10 mm拱形高强度托盘，拱高不得小于36 mm。

锚杆布置：每排4根锚杆，间距900 mm，排距900 mm，两帮最上部一根锚杆距顶板250 mm，与水平线呈10°仰角，其余3根锚杆水平布置。

3 结论

本文以司马煤矿1208工作面为研究背景，根据塑性区域理论，对巷道的塑性区域进行了力学分析，研究了塑性区域的力学特性和影响因素，得出了不同影响因素对于塑性区域的影响规律，为巷道围岩塑性区域的形成机理研究及支护方案确定提供了参考依据。