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1、1地应力对巷道围岩稳定性影响分析王雪芹(内蒙古科技大学 矿业工程学院 内蒙古包头 014010)摘 要：通过对巷道布置与地应力关系的分析，论述了地应力对巷道围岩稳定性的影响以及巷道开挖引起的围岩应力和围岩结构变化，对巷道变形破坏机理进行了分析。关键词：地应力；巷道；围岩；稳定性The Influence of Crustal Stress on the stability of Surrounding Rock RoadwayWang xue-qin(Faculty of Mining Engineering Inner Mongolia University of Science and T
2、echnology Baotou Inner Mongolia 014010 China)Abstract: Through the analysis of the relationship between roadway layout and crustal stress, discussed the influence of crustal stress on the stability of surrounding rock and the stress and changes in rock structure induced by rock tunnel excavation .Th
3、en analyzes the on the mechanism of the deformation of the roadway.Key words: crustal stress; roadway; surrounding rock；stability1 引言地应力是影响巷道围岩稳定性的重要因素。随着煤矿开采强度与广度的不断增加,开采深度越来越大,地质条件也越来越复杂,地应力对巷道围岩变形与破坏的影响更加突出。煤矿中的一些灾害,如顶板冒落、冲击矿压、煤与瓦斯突出及透水等事故,均与地应力有直接或间接的关系 1。本文通过对地应力的成因、影响因素和特征分析，进一步分析地应力对巷道布置与围岩稳定
4、性的影响，对于采矿工程设计,煤矿安全、高效生产具有重要意义。2 地应力的成因、影响因素及特征2.1 地应力的成因及影响因素地应力的成因是十分复杂的，它的形成主要与地球的各种动力2运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的地应力场，其中构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分 2。地应力的影响因素众多，主要包括：地形地貌、岩体结构特征、岩体力学性质、地下水等因素，特别是地形和断层对地应力的影响最大。在断层和结构面附近地应力分布将会受到明显的扰动，断层端
5、部、拐角处及交汇处将出现应力集中的现象。2.2 地应力场的特征地应力场是一个以水平应力为主的三向不等压应力场，三个主应力的大小多数情况下存在明显差异，且水平应力一般大于垂直应力。地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它在小范围内变化明显，而在大范围内相对稳定。一定深度范围内，随着深度的增加，垂直应力和水平应力均呈线性增长，且平均水平应力与垂直应力的比值随深度的增加而减小。水平应力具有明显的各向异性，且普遍大于垂直应力，在绝大多数情况下，水平应力之一为最大主应力。2.3 高地应力现象高地应力是一个相对概念，是相对于围岩强度而言的，只有当围岩内部的最大地应力 与围岩强度 的比值maxbR3m
6、axbR围 岩 强 度 比达到某一水平时，才称为高地应力或极高地应力。高地应力现象主要包括：岩心饼化现象、钻孔缩径现象、岩爆、岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象等。3 巷道布置与地应力关系的理论分析大量地应力测量结果表明,岩层中的水平应力在很多情况下大于垂直应力,而且水平应力具有明显的方向性,最大水平主应力明显高于最小水平主应力,这种趋势在浅部矿井尤为明显 3-6。因此,水平应力的作用逐步得到人们的认识和重视。当巷道轴线与最大水平主应力平行,巷道受水平应力的影响最小,有利于顶、底板稳定;当巷道轴线与最大水平主应力垂直,巷道受水平应力的影响最大,顶、底板稳定性最差;当两者呈一定夹角时,巷道一
7、侧会出现水平应力集中,顶、底板的变形与破坏会偏向巷道的某一帮。根据最大水平主应力 、H最小水平主应力 及垂直主应力 三者数值的大小,把原岩应力场分hv为 3 种不同的形式,即 型, ; 型, ; 型,HhHvHvhv。从地应力的角度考虑巷道布置时,必须考虑巷道轴线方向Hvh与最大水平主应力之间的夹角,最优的夹角应使作用在巷道围岩边界上的法向应力比值 ( 为作用在巷道两侧的水平法向应力)。/1nvn最优夹角随原岩应力场型式的不同而不同。3.1 型应力场H型应力场中,最大主应力 ,中间主应力 ,最小主应1H2h力 。在这种应力场中要使 是不可能的,只能是接近 1,3v/nv4故只能使 ,即最优夹角
8、等于零。因此在 型应力场中,平行于hnH最大主应力方向的轴线是最佳巷道轴线方向。3.2 型应力场Hv型应力场中, , , ,在这种原岩应力场中,v1H2v3h可以满足 。根据任意斜面上的法向应力与主应力的关系,可确nv定出最优的最大水平主应力与巷道轴线的夹角 为0（1）012arcos2Hhv由式(1)可看出,在 型应力场中,最佳巷道轴线与 之间夹角Hv H的变化范围为 0 90。假定 =10MPa,根据式(1)计算出不同水0v平应力条件下的最佳夹角 见表 1。可见,当 一定时,随着 增加, 0h H逐渐减小,即最优方向逐渐接近 方向;当 一定时,随着 减小, 0HHh增大,最优方向逐渐偏离
9、方向。H表 1不同应力状态下巷道布置最佳夹角( =10MPa)v/MPaH12 15 18 20 25 20 20 20/MPa 7 7 7 7 7 9 5 3/(o)050.8 37.8 31.5 30.0 24.1 17.6 35.3 39.93.3 型应力场v型应力场中, , , ,在这种地应力场条件下无v1v=2H3=h法使 ,只能接近 ,故只能取 ,即 =90,也即在 型应nHn0v力场中,最佳的巷道轴线布置方向就是与最大水平应力相互垂直的方向。54 地应力对巷道围岩稳定性的影响岩体工程的稳定性，是工程岩体应力场与工程岩体特性及其力学响应这一对矛盾的对立统一体相互抗争的具体表现。就地
10、下工程而言，失稳主要是因开挖引起的重分布应力超过围岩强度或过度变形所致，而这两方面的因素均与初始应力场的特征密切相关。影响巷道及其围岩稳定性的因素主要表现在巷道空间位置与节理产状的不同匹配关系、巷道的断面形状及其几何尺寸和所采用的巷道支护结构形式、应力分布及构造应力等方面。4.1 巷道空间位置与节理产状的不同匹配对巷道稳定性的影响巷道空间位置对巷道稳定性的影响主要体现在巷道的设计轴线方向与岩体中原有构造、节理裂隙的空间展布状态的不同匹配上，不同的匹配关系对巷道及其围岩的稳定程度产生这不同的影响。随裂隙间距变化，裂隙间距与巷道跨度相当时围岩的稳定性最差;节理裂隙面倾角越大，发生岩块垮落现象可能性
11、也越大，巷道稳定性也就越差:对于节理裂隙组的走向与巷道轴线方位的不同匹配，表现出当节理裂隙走向交角为 45O时，对巷道的稳定最为不利，当巷道轴线方向与节理的走向交角大于 450时，岩块垮落或冒落的可能性随交角的增大而变小，交角达到垂直时，最有利于巷道稳定;当巷道轴线方向与节理的走向交角小于 450时，随交角减小， ，岩块垮落或冒落的可能性也越大，巷道稳定性也越差。4.2 支护结构对巷道稳定性的影响6为适应不同围岩条件下巷道支护的需要和满足工程稳定性的要求，该矿的巷道支护结构经历了由木框架到网喷支护结构的发展过程，从支护结构的实际应用效果看，不同结构的稳定性之间存在着较大的差异，同时，在支护结构
12、开始投入使用到发生各种形式的时限上，也有着较大的差异。产生这种情况的原因不仅支护结构的应用环境密切相关，而且与支护结构本身适应和抵抗围岩变形的能有关。4.3 应力分布状态对巷道及其围岩稳定性的影响地下工程开挖过程中，岩体中的应力分布状态随着开挖工作面的向前推进不断发生变化，这种变化又随着工作面的不断前移和时间的推移最终趋于平衡稳定。原岩应力(未扰动)区位于工作面约12 倍巷道直径距离的前方，该区内，岩体处于三轴压应力状态，由于岩体处于约束状态可以考虑其微观破裂现象在应力过度区(巷道工作面前后两侧各约 12 倍巷道直径距离的范围内)，出了岩体的变形，因而，岩体中微裂隙开始产生。研究表明:开挖空间
13、周围岩体岩应力状态的变化主要取决于以下因素:(1) 巷道边界的岩体被开挖后，被开挖岩体所承担的应力转移到巷道围岩中，在开挖边界上产生了应力集中，而且，应力集中值能够达到 3 倍以上的原垂直应力值;(2) 开挖空间形成后，其边界周围岩体允许发生侧向膨胀，因而巷道围岩不存在三维压应力，故巷道稳定性的分析可采用平面应变模型。同时，这也是体中微观裂纹开始产生的原因;74.4 构造应力对巷道及其围岩稳定性的影响由引起的巷道变形的一个重要待点，就是由于巷道方向和应力作用方向间夹角不同，围岩内的应力集中程度有很大差异。当巷道方向与构造应力向量正时，围岩的应力将达到高度集中，巷道破坏区的深度也将随构造应力的作
14、用条变化而不同。当构造应力大大超过重力，而其方向又各不相同时，就须依靠正调整巷道方向与构造应力向量的关系来改善巷道维护。当岩体中的水平构造应力超过垂直应力时，巷道支架载荷和巷道破坏的特是支架的侧压大于顶压。支架的破坏形式以谴墙内挤、柱腿折断和拱顶呈尖桃形为主。并伴随强烈底鼓。选择适应水平应力为主的应力场的巷道断面形状和支护是控制围岩变形的有效措施。(l)巷道顶板岩层的失稳冒落:由于构造应力主要为水平方向的应力，如果巷道与构造应力方向相垂直，则巷道顶板将受到很大的剪应力( )作用。若围岩中的应力大于块体的强度.则使巷道的顶板岩层分层剥落。根据最大水平应力理论，巷道顶底板的稳定性主要是受水平应力的
15、影响，且有 3 个特点:与最大水平应力方向平行的巷道受水平应力影响最小，顶底板稳定性最好;与最大水平应力方向呈锐角相交的巷道，其顶底板变形偏向巷道某一帮;与最大水平应力方向垂直的巷道受水平应力影响最大，顶底板稳定性最差。（2)巷道底板岩层的破坏鼓起:在垂直于水平构造应力的巷道内，底鼓都较剧烈，在软岩和厚层软煤中尤为明显。底板岩层在水平构8造应力作用下，与煤田形成褶曲相类似，向巷道空间鼓起，随着水平应力逐渐释放才会趋向缓和。如为松软岩层则呈粘一塑性状态，底板岩层会持续不断地发生流变。理论和实测表明，在垂真应力大于水平应力的情况下，直接底板不容易破坏。发生在水平应力大于垂直应力的情况下，直接底板很
16、容易破坏而导致底鼓，特别是在直接底板松软的情况下更为如此。很高的水平应力是引起巷道底板岩层破坏和强烈底鼓的重要原因之一。（3)巷道两帮岩层的内挤和破裂:在强烈的水平构造应力作用下，巷道两帮呈现很大的拉应力而破裂、鼓出和塌落，而且两帮岩体的破坏区深度要比顶板岩层大。煤帮挤入巷道的速度同底鼓、顶板与煤帮的离层几乎是同步的。两帮挤入的剧烈程度取决于岩层层理的分层厚度及其抗剪强度。（4)矿压显现特征:具有水平构造应力作用的矿区，即使在开采深度不大、巷道围岩比较坚硬的条件下，由于强烈的水平应力而发生脆性破坏。脆性破坏往往都发生在顶板或顶板与两帮的交接处。原岩应力场是工程岩体应力场的直接来源，决定着工程岩体应力场的分布征。上述分析表明，围岩应力和应力集中均与初始应力有关。初始应力场不仅决定了原位岩体的力学特征和力学属性，而且原岩应力越高，开挖引起的应变能和应力释放越大，工程岩体因之而受到
