扩切眼施工中矿层巷道破碎区的碎胀变形分析

朱献伟，郭帅峰

（河南平宝煤业有限公司，河南 许昌 461000）

在开采设备系统的扩切眼施工中，由于应力作用常致切眼围岩发生变形。而导致变形的重要因素便是切眼围岩的自身承载力大小，如果在水平应力相同的条件下，围岩力学的性能减小、松动圈范围变大，则其巷道变形也就越显著[1]。这主要由矿体编制程度、构造特征等因素所决定。矿体强度与其变质强度关系呈明显正相关性。变质程度高，其强度也大，反之，强度也就小。同时，矿层理构造影响强度，垂直矿层理其抗压强度强于平行于矿体层理强度，二者间比值越大，矿体也越软。由此可见，矿层开采中巷道变形的重要因素是改变了矿体的体积应变，这种体积应变的膨胀性致使其发生变形，从而影响矿层开采的顺利性和安全性。为此，本文对矿体岩石碎胀及膨胀变形规律进行分析，以为有效控制巷道破碎区和塑性取范围，进而降低巷道变形程度。

1 矿层破碎围岩的变形分析

如果围岩强度小于围岩应力，则围岩将会发生破碎，产生破碎区，而单位体积内的围岩膨胀、破裂所形成的岩石体积增加量就是碎胀应变。这种变形是岩石强度至其峰值后变形的反映。

岩石受到破坏后，因其自身发育裂隙，残余强度显著低于峰值强度，导致岩石体积大幅增加。有文献[2]显示，在地应力作用下，低强度岩石被破坏后的块体滑移搓动及张开度均较小，且单位体积的应变也减少。而高应力作用下的高强度岩石受到破坏后，其岩块体的滑移错动量及展开度都较大，单位体积的应变也较大。

1.1 巷道变形决定因素

开挖巷道后，其两帮破碎松软的矿体会迅速变形，变形程度随着围岩位移量而逐渐加重，即由弹性变形至塑性变形，而后形成破碎区碎胀变形。当然，在巷道未支护前，弹性变形已经发生，只是变形量较小，而破碎区碎胀及塑性区膨胀变形则决定着巷道变形程度的加深。矿体破碎区范围及其裂隙扩张发育程度决定着巷道的碎胀能力，如果巷道围岩应力大于软弱矿体强度，则巷道碎胀变形的主要影响因素由以下几点：①矿体强度低：矿体强度低于原岩的应力，则巷道中的围岩就会软弱、松散，胶结程度低，矿体破碎且抗压强度低于10MPa。因其自身强度不高，在较小或中等水平应力作用下，矿体就会发生破碎和严重的碎胀变形，产生破碎区；②巷道围岩的应力高：原岩应力的大小决定者巷道变形碎胀的程度，如果围岩强度若，且地应力也不高，那么巷道未必就产生绝对性大的碎胀变形。

1.2 巷道围岩变形的规律

通常情况下，回采中巷道围岩的变形较大，两帮会剧烈变形，且巷道的底鼓量也就越大。巷道的变形收敛是变形时间、破碎区范围、力学性质、支护强度和类型等因素共同作用的结果。

2 矿层巷道形成破碎区的原因和过程

2.1 矿层巷道破碎区的成因分析

开挖矿层巷道前，其周围岩体应力处于三向平衡状态，进而能够保持稳定。尽管松软矿体自身强度不高，在三向应力共同作用下其强度则较高，具有较强的抗剪切及挤压的能力。当巷道开挖后，围岩的三向应力平衡被打破，且被重新分布。首先是增加了切向应力，并形成了应力集中；其次是减小了径向应力，巷道周边的应力减小为零；最后是由原来的三向应力状态转变为近似的二向，破碎围岩强度显著下降，若集中应力值低于下降后矿体强度，则矿体将处于塑性、弹性状态，巷道围岩可以通过自身强度来保持稳定，此时无需支护。

若集中应力值等于矿体下降后强度，则矿体就会破裂，形成碎胀变形。同时，矿体破裂也由巷道周边向其深部蔓延扩展，直至重新平衡围岩应力，破碎区形成见图1。

图1 巷道破碎区形成图

由图1可知，地表下H处有个小单元，开挖空间前，该单元处在三向应力平衡稳定的状态，当在其左侧开挖空间后，H1水平应力接触，此单元变为二向应力。此时，该单元发生两个变化，一是从三向应力变为二向应力，降低了单元强度；二是应力转移后，被开挖空间的周边发生了应力集中，增加了单元上的受力，使其发生受力变形。若单元受力大于单元强度，单元1就被破坏，降低了其承载力，致使应力转向深部。而与其相邻的单元2与单元1的状况类似，但二者所不同时单元2的H2应力并不为零，只是数值较小，也就是说单元2的强度要略高于单元1的强度。若此时单元2的应用作用仍低于其强度，那么单元2也被破坏，其应力也会继续转移到深部。破坏应力发生转移，也会降低其应力的集中程度，继而增加水平应力，而到单元n后，单元所受应力低于单元强度，此时单元不会被破坏，仅发生弹塑性变形。这样，单元2到n-1单元间的岩石一直处在破坏的状态，但从单元n开始向外的岩石则处于原岩完后或弹塑性变形的状态。

由上述分析可知，巷道形成破碎区的过程是无法避免的，其是一个动态化的过程，如果围岩应力作用同等，破碎区的范围增大，其稳定时需要的时间也会增加。在破碎区形成过程中，围岩应力是其形成的外部因素，而岩石力学的性质则是其形成的内部因素。在围岩应力作用下，巷道围岩产生破碎区，加上喊道自身力学性质不强，如果围岩应力作用同等，其破碎区的范围就较大，破坏性更加显著，碎胀变形也就越大。继续增加围岩应力，巷道周边的应力大于其强度的极限值时，巷道围岩便会发生裂隙，因此，裂隙位置也在不均匀地分布在巷道周边。若巷道周边应力增加且达到一定程度，则裂纹会向四周不断扩展，范围不断增加，巷道的破坏性也越大，进而产生破碎区。

总之，从上述分析可知，巷道破碎区的形成主要受到矿体自身强度、应力、力学性能等因素的影响，在应力作用下，矿体体积应变发生膨胀变化，进而使巷道发生变形。巷道变形碎胀破坏程度同其破碎范围、应力作用及力学性质的不均匀等因素相关，破碎范围扩大其破坏程度也就越大。