地应力对巷道围岩稳定性影响分析

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 Roadway
Wang xue-qin
(Faculty of Mining Engineering Inner Mongolia University of Science and Technology
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 .Then analyzes the on the mechanism of the deformation of the roadway.
Key words: crustal stress; roadway; surrounding rock；stability
1 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max σ与围岩强度b R 的比值
max b
R σ=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 σ、最小水平主应力h
σ及垂直主应力v σ三者数值的大小,把原岩应力场分为3种不同的形式,即H σ型,H h v >>σσσ;Hv σ型, H v h >>σσσ;v σ型,H
v h >>σσσ。

从地应力的角度考虑巷道布置时,必须考虑巷道轴线方向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/1n v σσ= (n σ为作用在巷道两侧的水平法向应力)。

最优夹角随原岩应力场型式的不同而不同。

3.1 H
σ型应力场 H σ型应力场中,最大主应力1H σσ=,中间主应力2h
σσ=,最小主应力3
v σσ=。

在这种应力场中要使/1n v σσ=是不可能的,只能是接近1,故只能使h n σσ=,即最优夹角等于零。

因此在H
σ型应力场中,平行于最
大主应力方向的轴线是最佳巷道轴线方向。

3.2 Hv
σ型应力场 Hv σ型应力场中, 1H σσ=,2v σσ=,3h
σσ=,在这种原岩应力场中,可以满足n v σσ=。

根据任意斜面上的法向应力与主应力的关系,可确定出最优的最大水平主应力与巷道轴线的夹角0α为
01
2arccos 2H h
H h
v σσσασσ+-=- （1） 由式(1)可看出,在Hv σ型应力场中,最佳巷道轴线与H
σ之间夹角的变化范围为0<0α<90°。

假定v σ=10MPa,根据式(1)计算出不同水平应力条件下的最佳夹角0α见表1。

可见,当h σ一定时,随着H σ增加, 0α逐渐减小,即最优方向逐渐接近H σ方向;当H σ一定时,随着h σ减小, 0α增大,最优方向逐渐偏离H
σ方向。

表1 不同应力状态下巷道布置最佳夹角(v σ=10MPa)
H σ/MPa 12
15 18 20 25 20 20 20 H σ/MPa 7
7 7 7 7 9 5 3 0α/(o )
50.8 37.8 31.5 30.0 24.1 17.6 35.3 39.9
3.3 v σ型应力场
v σ型应力场中,1v =σσ, 2=H σσ,3=h
σσ,在这种地应力场条件下无法使n v σσ=,只能接近v σ,故只能取H
n σσ=,即0α=90°,也即在v σ型应力场中,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。

4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
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1～2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1～2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;
4.4 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影响，且有3个特点:①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;②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;③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的卸荷损伤越大。

5 巷道围岩失稳及破坏机理分析
5.1巷道开挖引起的围岩应力及围岩结构变化
未经采动的岩体，在巷道开掘以前通常处于弹性变形状态，岩体的原始垂直应力P为上部覆盖岩层的重量YH(岩体的容重与埋藏深度的乘积)。

在岩体内开掘巷道后，会发生应力重新分布，即巷道围岩
内出现应力集中。

如果围岩应力小于岩体强度，这时岩体物性状态不变，围岩仍处于弹性状态。

如果围岩局部区域的应力超过岩体强度，则岩体物性状态就要改变，巷道周边围岩就会产生塑性变形，并从周边向岩体深处扩展到某一范围，在巷道围岩内出现塑性变形区，同时引起应力向围岩深部转移。

巷道塑性变形区和弹性变形区内的应力分布如图1所示。

A-破碎区;B-塑性区;C-弹性区;D-原始应力区;P-原始应力;
θ
σ-切向应力；rσ-产径向应力;P1-支护阻;α-圆形巷道半径;
R-塑性区半径;R
l -破碎区半径;R
2
-塑性区半径
图1 圆形巷道围岩的弹塑性变形区及应力分布
在塑性区内圈A，围岩强度明显削弱，能够负担的压力显著降低，且低于原始应力H
γ，围岩发生破裂和位移，称破裂区，为卸载和应力降低区。

塑性区外圈B的应力高于原始应力，它与弹性区内应力增高部分均为承载区，也称应力增高区。

这样巷道围岩就依次形成了破
碎区、塑性变形区、弹性变形区和原始应力区。

5.2巷道围岩变形分析
未受采动影响的巷道的变形主要是由以下五种主要变形共同作
用的结果:
（1）弹性变形。

巷道开挖时，会产生一个瞬时的“卸载”效应，这种效应直接导致了地应力以能量的形式随着开挖的进行而很快释放，围岩发生瞬时回弹变形，包括瞬时弹性恢复和粘一弹塑性恢复。

与此同时，另一部分应力则向围岩深部转移，发生应力重分布和局部区域应力集中，并不断调整以期达到与当前环境相适应的新平衡状态。

（2）由于开挖引起巷道围岩径向应力消失而产生的偏差应力作用下的损伤扩容，包括瞬时扩容和与时间有关的扩容。

岩石扩容是指岩石破坏峰值前微裂隙产生、发展所产生的微裂隙体积膨胀，但其变形仍局限在岩石降值极限变形量之内。

（3）开挖巷道引起的碎胀变形。

所谓的剪胀变形，是指围岩屈服破坏后峰后岩体沿破裂区的滑移、错动变形，又称为碎胀变形，巷道开挖后，在巷道周围形成一个松散而又破碎的围岩破碎区，在这个区域内的围岩由于应力超过岩石屈服极限，岩石遭到破坏，峰后的岩体在应力发生变化时，会沿着破裂面产生滑移和错动，导致岩石的膨胀。

（4）塑性区的塑性变形和流变变形。

巷道围岩的变形，在除了弹性变形外，岩石的变形不是瞬间完成的，而往往是具有一定的时间
性。

巷道开挖所引起的围岩应力集中，如果超过岩石的弹性强度极限，岩石将进入塑性和粘性混合状态，随着时间的推移和围岩应力的作用，这个区域将产生明显的塑性和流变变形。

（5）膨胀变形。

巷道开挖后，暴露在空气或水中的围岩，在吸收水份后，产生体积膨胀。

这种变形主要是由岩石本身的性质和岩石所处的环境决定，特别是蒙脱石或伊利石含量较高的岩石，如果遇到水时，其变形破坏将以膨胀变形为主。

5.3巷道变形破坏机理分析
根据巷道不同的围岩条件，会在巷道周围形成除原始应力区外，大小和形状不等的弹性区、塑性区以及破碎区，其中塑性区岩石具有一定的流变性，破碎区围岩易沿着弱结构面发生剪切破坏而产生碎胀变形，从而降低了承载能力。

当巷道在支护体系作用下处于稳定状态时，巷道内部应力也处于极限平衡状态。

一旦受到外部因素的扰动，巷道内容易形成应力集中，从力学角度上讲，集中的应力表现为比较大的应力偏张量，使岩石沿着各自区域内的弱面破坏，弹性区一部分岩石进入塑性状态，扩大了塑性区的范围，同时塑性区在集中应力的作用下也重新“激活”，了其流变性能，产生流动挤压力，迫使一些塑性区的岩石进入峰后状态成为破碎区的一部分，最终，巷道最外层的破碎区围岩范围扩大并在塑性区流动压力和集中应力的共同的影
响下遭到破坏，产生较大的碎胀变形和强大的围岩压力。

失去应力平衡的巷道围岩，如果不能得到支架的有效控制，巷道将发生明显变形，与此同时，巷道围岩又沿着原来的裂隙产生新的次
生裂隙，而塑性区的再次流动变形又将次生裂隙挤压至破坏失稳，这种传递性的破坏是循环的，只要外界的影响在继续，巷道围岩的变形失稳就不会停止，而且每增加一个循环，围岩的破碎区就会增加。

破裂区内的围岩自身稳定性差，能否长期稳定，主要取决于支护体系的作用和受采动影响的程度，而巷道支护体在很大的程度上的作用就是支撑住破碎圈内的除了岩石本身所能承载的重量之外的岩石自重。

如果一旦破碎区内围岩发生了较大的碎胀变形，那就意味着围岩对巷道支护体系的压力就会增加，如果支护体不能抵抗住这种变形力，很可能就会导致了巷道支护体系的变形失稳，这也就是工程巷道变形破坏的机理所在。

6 结论
通过分析，工程巷道地应力场是以水平构造应为主，垂直应力为辅，水平构造应力占主导地位。

绝大多数巷道刚开挖出来时，围岩内部裂隙(由于高应力的期作用)是完全闭合的，岩体完整性较好。

巷道围岩的变形，在除了弹性变形外，岩石的变形不是瞬间完成的，而往往是具有一定的时间性。

巷道开挖所引起的围岩应力集中，如果超过岩石的弹性强度极限，岩石将进入塑性和粘性混合状态，随着时间的推移和围岩应力的作用，这个区域将产生明显的塑性和流变变形。

周边位移，随巷道所在处原岩应力的增大呈指数函数关系迅速增长。

从而引起由表及里的巷道失稳。

因此，为了避免巷道失稳现象的发生，巷道开挖后要及时进行支护。

从力学角度出发，巷道断面最好选用宽度明显大于高度的拱形断
面，如拱顶矮墙加底拱，以及近似椭圆形(短轴与水平应力相垂直)的断面形状和强力支护，会使围岩的脆性破坏区缩小。

此外，由于巷道周边轮廓的不平整往往引起局部岩体的应力集中和破坏，而采用光面爆破可使应力集中系数降低，可使巷道稳定性得到明显提高。

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