巷道围岩应力及变形规律

巷道围岩应力及变形规律一、受采动影响巷道的围岩应力（一）原岩体内掘进巷道引起的围岩应力双向等压原岩应力场内圆形巷道围岩应力分布如图6-1所示。如果围岩应力大于岩体强度，巷道围岩会产生塑性变形，从巷道周边向围岩深处扩展到一定范围，出现塑性变形区，为弹塑性介质。巷道围岩应力分布如图6-2所示。图6-1圆形巷道围岩弹性变形应力分布图6-2圆形巷道围岩塑性变形区及应力分布p—原始应力；σt—切向应力；σr—径向应力；pI—支护阻力；r—巷道半径；R—塑性区半径；A—破裂区；B—塑性区；C—弹性区；D—原始应力区在各向等压条件下，圆形巷道塑性区半径R和周边位移u的计算式为：（6-1）（6-2）式中P─原岩应力；PI─支护阻力；r0──圆形巷道半径；Φ─围岩的内摩擦角；C─围岩的粘聚力；G─剪切弹性模数。①巷道的周边位移随巷道所在位置原岩应力的增大，呈指教函数关系迅速增长；指数的大小取决于φ的变化，φ值越小，指数越大，u值增长愈迅速。②巷道的塑性区半径R和周边位移u随内摩擦角φ和粘聚力C的减小，即围岩强度降低，显著增大。（二）回采工作面周围支承压力分布采空区四周形成支承压力带（图6-3）。工作面前方形成超前支承压力，它随着工作面推进而向前移动，称为移动性支承压力或临时支承压力。工作面沿倾斜和仰斜方向及开切眼一侧煤体上形成的支承压力，在工作面采过一段时间后，不再发生明显变化，称为固定性支承压力或残余支承压力。回采工作面推过一定距离后，采空区上覆岩层活动将趋于稳定，采空区内某些地带冒落矸石被逐渐压实，使上部未冒落岩层在不同程度上重新得到支承。因此，在距工作面一定距离的采空区内，也可能出现较小的支承压力，称为采空区支承压力。图6-3采空区应力重新分布概貌1—工作面前方超前支承压力；2、3—工作面倾斜、图6-4煤层凸出角处叠加支承压力仰斜方向残余支承压力；4—工作面后方采空区支承压力支承压力的显现特征通过支承压力分布范围、分布形式和应力峰值表示。应力增高系数K是支承压力峰值与原岩垂直应力的比值；支承压力分布参数有：煤体边缘的破裂区宽度，塑性区宽度（支承压力峰值距离）x0，支承压力的影响距离x1。目前，上述参数主要由现场实测取得。工作面超前支承压力峰值位置距煤壁一般为4～8m，相当2～3.5倍回采高度。影响范围为40～60m，少数可达60～80m，应力增高系数为2.5～3。工作面倾斜方向固定性支承压力影响范围一般为15～30m，少数可达35～40m，支承压力峰值位置距煤壁一般为15～20m，应力增高系数为2～3。采空区支承压力应力增高系数通常小于1，个别情况下达到1.3。相邻的采空区所形成的支承压力会在某些地点发生相互叠加，称为叠合支承压力。上区段采空区形成的残余支承压力与下区段工作面超前支承压力叠加，在煤层向采空区凸出的拐角，形成很高的叠合支承压力，应力增高系数可达5～7，有时甚至更高(图6-4)。（三）采动引起的底板岩层应力分布图6-5a为一侧采空煤体，作用于煤体上的支承压力近似三角形分布，应力增高系数为3。图6-5b、图6-5c均为两侧采空煤柱，煤柱宽度分别为B和2B，B一般等于工作面超前支承压力影响范围。作用于煤柱上的支承压力分别呈钟形和马鞍形分布，应力增高系数分别为5和3.5。abc图6-5三种典型的煤柱载荷作用下底板岩层的应力分布a—一侧采空煤体；b—两侧采空煤柱（宽度为B），呈均布载荷；c—两侧采空煤柱（宽度为2B），呈马鞍形载荷。①一侧采空煤体及两侧采空、宽度较大的煤柱，作用于煤层上的支承压力的影响深度约为1.5～2B；两侧采空、宽度较小的煤柱，作用于煤柱上的支承压力的影响深度约为3～4B。②两侧采空、宽度较小的煤柱，底板岩层内同一水平面上σZ以煤柱中心线处最大。一侧采空煤体，底板岩层内同一水平面上σZ最大值在煤体下方，距采空区边缘数米处。两侧已采、宽度较大的煤柱下，底板岩层内同一水平面上σZ以煤柱中心线处较小，靠近煤柱边缘出现峰值。③无论在何种形式煤层载荷作用下，底板岩层内应力分布都呈扩展状态，数值等于自重应力值的等值线与煤柱边缘垂线的夹角为影响角ψ，ψ一般为300～400。二、构造应力对巷道稳定性的影响构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引起的应力。构造应力包括地质构造发生过程中，在地下岩体内所产生的应力；以及已结束的地质构造运动残留于岩体内部的应力。从工程角度看，古构造应力、新构造应力和在岩石生成过程中形成的结构内应力都属于构造应力。构造应力的基本特点是以水平应力为主，具有明显的方向性和区域性。水平应力是由岩层自重引起的水平应力，岩层之间的磨擦力和粘聚力以及水平构造应力组成。构造应力具有明显的方向性，巷道轴向与构造应力方向之间夹角不同，巷道围岩水平应力集中程度有很大差异。在构造应力影响较强烈的区域，要重视巷道布置方向，依靠正确调整巷道方向与构造应力方向间的关系，削减构造应力对巷道围岩稳定性的影响。图6-6巷道轴向平行、垂直构造应力条件下，周边应围岩应力分布a—巷道轴向平行构造应力；b—巷道轴向垂直构造应力计算结果表明，巷道轴向与构造应力方向平行时，构造应力对巷道的稳定性影响最小；巷道轴向与构造应力方向垂直时，影响最大。构造应力对巷道稳定程度的影响，主要随α角正弦的平方值变化；如果α角小于250～300时，构造应力对巷道稳定性的影响无明显变化。巷道轴向平行、垂直构造应力方向条件下，周边切向、径向应力分布见图6-6。四、受采动影响巷道的围岩变形巷道围岩变形规律采准巷道从开掘到报废，经历采动造成的围岩应力重新分布过程，围岩变形会持续增长和变化。以受到相邻区段回采影响的工作面回风巷为例，围岩变形要经历五个阶段：（1）巷道掘进影响阶段（2）掘进影响稳定阶段（3）采动影响阶段（4）采动影响稳定阶段（5）二次采动影响阶段每个影响阶段内巷道顶底板移近速度和移近量所占比值的一般规律见表6-1。表6-1采区平巷不同矿压显现带内顶底板移近规律矿压显现带各带内顶底板移近速度/mm／d各带移近量所占比值Ⅰ掘进影响带Ⅱ无采掘影响带剧烈区每天由几毫米至几十毫米，稳定期一般＜1多数情况为0.2～0.5，有时至1左右。Ⅲ采动影响带前影响区Ⅲ1后影响区Ⅲ2Ⅳ采动影响稳定带Ⅴ二次采动影响带由每天几毫米至十几毫米