围岩力学机理

1 巷道变形力学机理

巷道未开挖时，周围岩体处于原岩应力状态，原岩应力在一定时期内是相对平衡的。当在原岩内进行开挖后，巷道周围一定范围内岩体的原岩应力遭到破坏，导致应力重分布，引起巷道周围岩体的变形、位移、甚至破坏。由于开挖而引起的围岩或支护结构上的力学效应统称为广义的围岩压力。围岩压力的大小不仅与岩体的初始应力状态有关，岩体的物理力学性质和岩体结构有关，还与工程性质、支护结构及支护时间有关。

当围岩的二次应力不超过围岩的弹性极限时围岩压力将全部有围岩自身来承担。当二次应力超过围岩的强度极限时，就必须采取措施以保证巷道稳定。此时，围岩压力由围岩与支护结构共同承担。围岩压力就其表现形式分为松动压力、变形压力、膨胀压力、冲击压力等。

1.1 松动压力

由于开挖而引起围岩松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力是松动压力。其多数情况下出现在巷道的顶板和侧帮，表现为顶板压力比较大，侧帮压力比较小。松动压力是因为围岩个别岩体的滑动、或者由于支护不及时导致松散围岩的冒顶或片帮，以及在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱结构面发生剪切破坏或受拉破坏等导致局部滑动引起的。松动压力有以下特点：不连续、难预测，突发性[7-8]。

1.2 变形压力

开挖必然引起围岩变形，支护结构为抵抗围岩变形而承受的压力称为变形压力。变形压力多数是因为应力重新分布后产生的二次应力很大，超过围岩的强度极限时，导致一些围岩产生变形，进入塑性阶段。当岩体强度比较较高时，在无支护状态下，塑性区将渐渐扩大到一定区域就不再扩大。煤层巷道中，由于煤体强度小，过大的塑性变形会导致塑性区进入破裂阶段，进而导致巷道失稳。

形变压力与围岩变形和支护结构有关，支护结构与支护刚度有关；围岩变形与支护的施筑时间有关。所以形变压力是支护结构特性和时间的曲线。如图2.1所示。

图2.1 围岩与支护共同作用特性

分析图中曲线可知，巷道刚开挖成型时围岩变形迅速，随着时间的推移，变化速率减慢。如果支护非常早时，支护结构上压力越大，对材料要求比较高。如果支护比较晚，支护结构难以控制围岩变形，围岩会超出其塑性阶段，进入破坏阶段以致围岩破坏，此时支护的意

义大大降低[9～10]。所以对围岩与支护共同作用支护特性曲线的分析可以的得知，在比较合理时间段进行支护，既发挥了围岩的自承能力，又使支护结构的压力不大，达到比较理想的支护效果

1.3 膨胀压力

某些岩体（如蒙脱石）由于遇水后体积发生膨胀，从而产生膨胀压力。膨胀压力是围岩吸水膨胀引起的，因此应减少这些岩石与水的接触甚至隔绝[7]。

1.4冲击压力

冲击压力是由岩爆或围岩脱空区块体堕落形成的一种特殊围岩压力。岩体强度高，脆性好，当岩体受到挤压后而积聚大量能量，当岩体积聚到一定能量时突然释放产生岩爆。