巷道圍巖內的應力和作用在支架上的力。頂板、兩幫和底板巖石作用在支架上的力分別稱為“頂壓”、“側壓”和“底壓”。開掘巷道,形成空洞,破壞瞭原巖應力的平衡,應力重新分佈,形成次生應力場。圍巖中次生應力場的應力小於巖石極限強度,或應變小於巖石極限應變時,巷道不需支護即能保持穩定,否則需人工支護。巷道地壓分為散體地壓和變形地壓。破裂鬆散巖石作用在支架上的力稱散體地壓;圍巖在不失整體性狀況下由位移引起的地壓稱變形地壓。

  散體地壓 發生在土層或脆性節理發育巖體中,其大小主要取決於脫落巖石的自重。在均質土層中,冒落空間呈規則拱形。19世紀以來,不少學者研究瞭冒落拱的形狀和有關的地壓計算方法。1907年普羅托季亞科諾夫認為在巷道頂板上方,存在一個免壓拱。拱的形狀為拋物線,拱高可用公式b=a/f表述,式中a為巷道半跨,f為普氏堅固性系數,f=R/100,R為巖石單軸抗壓強度。1936年泰察吉(K.Terzaghi)推導出同普氏公式類似的拱高計算公式:b=a/tg∮,∮為內摩擦角。1946年泰察吉又給出瞭計算各類巖土巷道頂、側及底壓的經驗公式。

  在脆性節理發育圍巖中,冒落空間的形狀與大小不定,主要由結構面與圍巖表面的空間組合特征決定,可通過結構面的調查統計與赤平極射投影方法預測最可能冒落的危巖范圍。設計時以此空間內巖石的自重作為支架上的地壓。中國鐵道、地質、采礦等部門,通過大量調查統計,分別提出瞭適用於中國實際情況的巖石分級和各種條件下散體地壓的計算公式。

  變形地壓 主要發生在塑性巖體中。支架承受的地壓值和圍巖在支架阻抗下的位移,由圍巖和支架的力學特性共同決定。圍巖位移U與支架對圍巖反力P的關系曲線見,圖 稱“圍巖特性曲線”,特點是P大則U小;當U大到極限位移Uc時,巖體破裂。S表示支架的載荷-位移曲線,稱“支架特性曲線”。它隨支架結構特征的不同而異,如S1的位移與壓力成正比,稱“增阻可縮性支架”;S2M點前位移與壓力成正比,M點後的位移在等壓力下不斷增加,稱“恒阻可縮性支架”。R曲線與任一S曲線的交點1,2等,表示該支護條件下的地壓與位移。

  1938年芬納(R.Fenner)提出計算變形地壓公式,1951年卡斯特納(H.Kastner)作瞭修正,公式為:

式中 P i是圍巖與支護相互作用下的壓力值, P 0是各向相等的原巖應力, r 0是圓形巷道的掘進半徑, R是塑性區半徑, C是巖體粘聚力,∮是巖體內摩擦角,由此公式可得出圖中的 R曲線。稍後,魯佩涅特(К.В.Руппенейт)、卡斯特納都提出過非均勻原巖應力場圓形巷道的計算公式。中國學者還考慮瞭時間因素,即解粘彈塑性問題。

  變形地壓是巖體工程中復雜問題之一。中國撫順、淮南、長興、金川、東鄉等礦山都存在大或特大變形地壓。解決變形地壓的有效方法之一是新奧地利施工法,即先用噴層封閉並允許圍巖產生適量的位移,以減少地壓,同時監測圍巖位移,待位移速度降到一定值後,再進行高強度二次支護。

  在采礦工程中,約有2/3以上的巷道屬於采礦準備巷道(見采區巷道佈置,采準),因受采場影響,它們的地壓問題更加復雜。此外,深部巷道地壓以及松軟巖層巷道地壓,也是當前礦山生產建設中迫切需要解決的問題。

  巷道地壓控制 主要技術途徑有:①保持和提高圍巖強度,采用光面爆破技術,用鉆井機和掘進機掘進巷道,減少對周邊圍巖的破壞;用錨噴支護、註水泥漿或化學加固法加固圍巖;盡量避免將巷道佈置在松軟巖層和破碎帶中(見井巷掘進與支護)。

  ②控制圍巖應力,正確選擇巷道的斷面形狀,盡量使巷道周邊不出現拉應力或集中的壓應力;將巷道開掘在不受或少受采動影響的巖體中;用噴射混凝土填補巷道表面不平部分,緩和周邊應力集中。

  ③合理選用支護手段,選用支架的原則是:對彈性為主、變形量較小的圍巖,應采用剛性較大的支架;對塑性為主、變形量較大的圍巖,應采用可縮性支架,並根據圍巖變形特征,合理選取其可縮量。在松軟巖層條件下,可采用封閉式可縮性圓形金屬支架、混凝土砌支架或其他合理支護手段。地質條件不良區,應采用錨噴與可縮性金屬支架聯合支護技術。在堅固巖層條件下,則采用錨桿支架,包括樹脂錨桿,以減少巷道支護工作量,充分利用巷道有效斷面。在受采動影響的采準巷道中,圍巖在較短時間內產生很大的位移,可采用錨網或性能良好的拱形可縮性支架。在其他合適的巖層條件下,應推廣使用錨噴支護,以求獲得安全、經濟和合理的效果。

  ④制訂巷道支護規程。對各類巷道的圍巖進行分類,提出相適應的支護形式,形成規程,使支護標準化。同時,合理確定設計斷面,在地壓作用變形後,仍能滿足礦井通風和使用的要求,保持巷道在服務年限內不維修或少維修,使設計斷面標準化。

  

參考書目

 北京礦業學院、東北工學院合編:《巖石力學與井巷支護》,中國工業出版社,北京,1961。

 H.卡斯特奈著,同濟大學譯:《隧道坑道靜力學》,(第二次修訂版),科學技術出版社,上海,1980。(H.Kastner,Statik des Tunnel und Stollenbaus,auf der Grundlage geomechanischer Erkenntnisse,Zweite neubearbeitete Auflage,Springer Verlag,1971.)