呂祥鋒，潘一山，唐巨鵬，肖曉春

（1.中國科學院力學研究所，北京 100190；2.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

1 引 言

我國煤礦資源開采逐漸向深部發(fā)展，沖擊地壓的發(fā)生頻次越來越多，其危害性也愈加增大，造成煤巖巷道破壞、垮塌及人員傷亡事故，對煤礦安全生產(chǎn)造成極大的危害[1－3]。因此，沖擊地壓巷道圍巖安全支護問題成為我國深部資源開發(fā)亟需解決的問題。近些年來，許多學者針對巷道支護方法開展了多方面的研究工作，主要形成了錨網(wǎng)錨桿、U型鋼支護等主動和被動支護方式。上述支護方法主要是通過增強圍巖體強度或者提高支護自身承載能力以實現(xiàn)承擔上部載荷的作用[4－5]。但這些支護方法對于提高支護結(jié)構(gòu)的承載能力是有限的，更不能承擔深部開采過程中強動力載荷的沖擊作用。

吸能支護應用到?jīng)_擊地壓巷道支護結(jié)構(gòu)中，能有效地緩沖和吸收沖擊地壓能，降低沖擊地壓巷道破壞程度，為沖擊地壓巷道提供一種可靠的支護新方法。通過對錨網(wǎng)錨桿、U型鋼和吸能支護條件下煤巖巷道沖擊破壞過程的試驗和數(shù)值模擬研究，研究不同支護作用下煤巖巷道沖擊破壞規(guī)律，揭示煤巖與支護相互作用下的巷道沖擊破壞機制，這也是成功地將吸能支護應用到?jīng)_擊地壓巷道支護中的關鍵，同時也證明吸能支護應用于沖擊地壓巷道支護結(jié)構(gòu)中的有效性。

2 試驗設計與方法

2.1 相似模擬理論[6]

根據(jù)沖擊地壓判別準則可知，在應力-位移曲線中的極大值點即為沖擊地壓發(fā)生點。因此，只要繪制出應力-位移曲線，就可對沖擊地壓發(fā)生和破壞規(guī)律進行定量分析。

2.2 試驗材料及配比

沖擊地壓相似模擬試驗[6－8]中，主要材料包括砂、石膏。制備相似材料的方法為：將一定量的松香溶于酒精中，再按照一定比例加入配制的砂、石膏、水混合物中，材料的比例為砂：水泥：石膏：水：松香：酒精=50：10：15：5：0.8：1，配制后的材料強度低，破壞前應變小于 3%，脆性破壞特征明顯，其抗壓強度σc=0.85 MPa，彈性模量E=90 MPa，材料密度ρ=1.54 g/cm3。此材料適宜于模擬巷道沖擊情況。

錨桿強度為300 MPa，錨網(wǎng)強度為10 MPa，強度換算比例為0.02，在相似試驗中使用6 MPa左右的鉚釘和0.2 MPa左右的網(wǎng)片；U型鋼支架強度約為400 MPa左右，則使用8 MPa左右的鋼絲；吸能材料強度為25 MPa左右，用強度為0.5 MPa左右的泡沫鋁。吸能支護實質(zhì)為剛-柔耦合吸能支護結(jié)構(gòu)，采用吸能材料作為柔性材料，相似強度的鋼絲作為剛性材料，支撐吸能材料形成吸能支護結(jié)構(gòu)。在相似模型制作中，首先將巷道大小的預制塊體放入模型中，待模型具有一定強度后抽出，實現(xiàn)先加載后開挖的過程，同時與各支護實際工序保持一致。

2.3 試驗模型及原理

沖擊地壓[9－12]相似模擬試驗中模型的尺寸為200 mm×200 mm×100 mm（長×寬×厚），巷道截面尺寸為40 mm×30 mm，巷道上部巖層厚度為50 mm，下部巖層厚度為20 mm。模型使用6 mm厚鋼板加工而成，為能觀測巷道截面變形情況，在模型前后側(cè)均采用12 mm厚的鋼化玻璃代替鋼板。實驗室制備脆性材料，加載后材料體內(nèi)能量積聚，突然脆性破壞，模擬頂板型沖擊地壓的發(fā)生和破壞過程是可行的。在模擬沖擊地壓發(fā)生過程中，由于相似材料會塌落到巷道內(nèi)，所以沿巷道設置一層聚酯薄膜防止對傳感器影響。同時，聚酯薄膜也可反映巷道變形情況。相似材料模擬試驗模型如下圖1所示。

圖1 相似材料模擬試驗模型Fig.1 Simulation model for similar material

模擬試驗中，在模型頂面加垂直載荷，四周水平約束，且不考慮相似材料與模型側(cè)壁的摩擦作用。在液壓式試驗機加壓裝置上進行沖擊地壓相似材料試驗，在加載過程中，裝置四周水平位移約束，實驗機載荷由壓力傳感器接到記錄儀的Y坐標上，通過位移傳感器，將位移信號接入記錄儀的X坐標。通過應力和位移傳感器就可以把加載過程中的應力σ和位移u的關系曲線自動繪制出來。巷道應變測量采用自行研制的內(nèi)卡式傳感器，該傳感器采用雙懸臂梁電阻應變片全橋測量，自行研制的傳感器精度高，線性重復性好，量程大，1號和2號通道（測量兩幫）量程可達6 mm左右，3號和4號通道（測量頂板）量程可達12 mm左右。利用彈性好的鋼片固定在傳感器底座上，在鋼片上分別貼好應變片，鋼片與巷道頂板及兩幫緊密接觸，應變片具有很高的變形敏感性，充分利用鋼片強剛度，巷道微小變形直接反映到應變片上，通過讀取應變片數(shù)據(jù)表征巷道變形的大小，這樣使得巷道微小變形就能準確測量出來。應變的測量共4個通道，1號和2號通道分別表示為巷道上幫和下幫測量應變數(shù)據(jù)，3號和4號通道分別測量巷道頂板處應變數(shù)據(jù)，其中，3號通道測量巷道深度為14.5 cm處應變數(shù)據(jù)，4號通道為深度為5.5 cm處應變數(shù)據(jù)。沖擊地壓試驗原理如圖2所示。

圖2 沖擊地壓模擬試驗原理示意圖Fig.2 Sketch of rockburst test

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 錨網(wǎng)錨桿支護條件下沖擊地壓巷道破裂相似模擬研究

圖3給出了巷道沖擊破壞過程中各階段的破壞圖，圖4、5分別給出了巷道應變曲線和應力-位移關系曲線。根據(jù)試驗結(jié)果可知，在加載應力σ=0.56 MPa時，巷道發(fā)生第1次沖擊，在各關系曲線中表現(xiàn)為出現(xiàn)明顯的跳躍，此跳躍可以視為“沖擊點”。在巷道破壞圖中，可以看到巷道頂板和兩幫壁面上出現(xiàn)沖擊裂縫。在加載應力σ=0.68 MPa時，巷道發(fā)生第2次明顯沖擊，曲線上有明顯的波動，在應力-位移曲線上出現(xiàn)大的跳躍，并伴有明顯的聲響。巷道內(nèi)部變形破壞[13－14]觀測結(jié)果表明，在巷道頂板和兩幫均有明顯的沖擊破壞裂縫開展，由于巷道中增加了錨網(wǎng)錨桿支護，因此，表現(xiàn)出巷道頂板和兩幫有較小的破碎片剝離脫落，且巷道發(fā)生整體的傾斜變形，當加載應力繼續(xù)增加，隨著彈性能的不斷積聚，類似的沖擊破壞現(xiàn)象會不斷發(fā)生，并且沖擊破壞程度也會越來越嚴重。當加載應力σ=0.97 MPa時，巷道壁面上發(fā)生第3次沖擊破壞，此時，巷道變形破壞已經(jīng)比較嚴重，應力降低非常明顯，頂板位移下沉迅速，位移值達到約11.5 mm，此時，巷道內(nèi)卡式傳感器失效。在應變曲線中表現(xiàn)為波動的原因主要在于巷道頂板和兩幫剝離物拋出后壁面不平整，傳感器探頭進入凹坑或跳出。

圖3 巷道變形破壞圖 (錨網(wǎng)錨桿支護)Fig.3 The diagram of roadway damage (anchor bolting)

圖4 巷道破裂應變曲線 (錨網(wǎng)錨桿支護)Fig.4 The strain curves of roadway deformation(anchor bolting)

圖5 巷道沖擊破壞應力-位移曲線 (錨網(wǎng)錨桿支護)Fig.5 Stress-displacement curve of roadway by impact loads (anchor bolting)

3.2 U型鋼支護條件下巷道沖擊破壞相似模擬研究

圖6 巷道變形破壞圖 (U型鋼支護)Fig.6 The diagram of roadway damage(U-steel supporting)

圖7 巷道破裂應變曲線(U型鋼支護)Fig.7 The strain curves of roadway deformation(U-steel supporting)

圖8 巷道沖擊破壞應力-位移曲線 (U型鋼支護)Fig.8 Stress-displacement curve of roadway by impact loads (U-steel supporting)

圖6示出了巷道沖擊破壞過程中各階段的破壞圖，圖7、8分別給出了巷道應變曲線和應力-位移關系曲線。根據(jù)試驗結(jié)果可知，當時間t=26 s時，加載應力達到σ=0.03 MPa時，在應變和應力-位移曲線上均出現(xiàn)第1次跳躍，但巷道內(nèi)部觀測中無明顯沖擊破裂發(fā)生，巷道頂板和兩幫壁面完整性好。在t=100 s時，位移和應力曲線中出現(xiàn)第2次跳躍，但巷道頂板和兩幫壁面也無沖擊破壞和明顯變形。分析其原因在于采用U型鋼支護后提高了整體支護能力以及模型初始孔隙和裂縫壓實影響等。隨著加載應力的不斷增加，在t=240 s時，加載應力達到σ=1 MPa時，在應力-位移曲線上出現(xiàn)跳躍，此次跳躍可以認為是第1次沖擊，并伴有一定的聲響。巷道頂板和兩幫壁面均出現(xiàn)明顯的裂縫擴展，且有整塊破碎體沿頂板和巷道兩幫剝離脫落。在σ=1.27 MPa時，巷道發(fā)生第2次明顯沖擊，曲線上有明顯的跳躍。巷道內(nèi)部變形破壞觀測結(jié)果表明，在巷道頂板和兩幫均有明顯的沖擊破壞特征，且出現(xiàn)局部或一定面積的破碎體沖入巷道內(nèi)。當t＝270 s時，巷道變形破壞已經(jīng)比較嚴重，應力降低非常明顯，頂板位移下沉迅速，位移值達到約15.2 mm，此時，巷道內(nèi)卡式傳感器也已失效。

3.3 吸能支護條件下沖擊地壓巷道變形規(guī)律相似模擬研究

圖9給出了吸能支護巷道沖擊破壞過程中各階段的破壞圖，圖10、11分別給出了巷道應變曲線和應力-位移關系曲線。根據(jù)試驗結(jié)果可知，在加載時間t=36 s時，應力-位移曲線表現(xiàn)為向上彎曲趨勢，出現(xiàn)一次跳躍。在巷道宏觀變形破壞圖中可以看出，巷道頂?shù)装搴蛢蓭捅诿嫱暾院?，無明顯沖擊發(fā)生。隨著加載應力的增加，在t=75 s時，加載應力σ=0.3 MPa，應力-位移曲線上出現(xiàn)第1次明顯跳躍，此次跳躍可以認為是一次沖擊發(fā)生。巷道頂?shù)装搴蛢蓭捅诿嫔蠠o明顯的沖擊破壞特征，但巷道頂?shù)装搴蛢蓭捅诿媛杂形⒘芽p出現(xiàn)，分析其原因主要是由于設置吸能材料為柔性，能起到抗緩沖作用。當t=110 s時，加載應力σ=0.56 MPa，在應力-位移曲線上出現(xiàn)跳躍，此次跳躍可認為是巷道發(fā)生第 2次沖擊，并伴有微小的聲響。吸能材料受到?jīng)_擊載荷作用后被壓密收縮，同時頂板向下彎曲變形，兩幫壁面也受沖擊作用后向巷道內(nèi)側(cè)方向彎曲變形，在巷道頂板和兩幫有沖擊破壞裂縫開展，并有較小的破碎塊體從頂板和兩幫壁面剝離脫落。當加載應力繼續(xù)增加時，頂板位移下沉迅速，位移值達到約11 mm，此時內(nèi)卡式傳感器也將失效，在應變曲線中表現(xiàn)為波動主要是因為吸能材料在彈性階段具有可恢復性以及沖擊作用使得小破碎塊體剝離脫落造成的。隨著加載應力增加，吸能材料具有良好的抗沖擊作用，沖擊發(fā)生時巷道無沖擊破壞。當載荷繼續(xù)增加，沖擊更嚴重，吸能材料吸收大量沖擊能后巷道頂板和兩幫發(fā)生彎曲變形并整體傾斜，但巷道完整性較好。同樣也說明了吸能材料應用于沖擊地壓巷道支護中起到了緩沖吸能作用。

圖9 巷道變形破壞圖(吸能支護)Fig.9 The diagram of roadway damage(energy absorbing support)

圖10 巷道破裂應變曲線 (吸能支護)Fig.10 The strain curves of roadway deformation(energy absorbing support)

圖11 巷道沖擊破壞應力-位移曲線(吸能支護)Fig.11 Stress-displacement curve of roadway by impact loads (energy absorbing support)

4 沖擊載荷作用下巷道破壞數(shù)值模擬

利用FLAC3D計算軟件，建立三維計算模型[15－17]，模型尺寸為24 m×17 m×25 m，巷道尺寸為4 m×3 m×25 m，模擬巷道距離地面深度為1000 m。計算中，采用彈塑性模型，同樣模擬了錨網(wǎng)錨桿、U型鋼支護和吸能支護（吸能材料+鋼支架組合體）條件下巷道沖擊變形規(guī)律，將沖擊波作為離散的動態(tài)沖擊載荷施加在模型內(nèi)部節(jié)點上，沖擊波作用位置距離頂面5 m模型中心處。在頂板上方自巷道頂開始垂直方向共設置10個監(jiān)測點，間距為0.3 m。施加沖擊載荷速度時程曲線如圖12所示。

監(jiān)測點截面選擇在模型中心截面，監(jiān)測時間取2.0 s，監(jiān)測點選擇3個監(jiān)測點（1號監(jiān)測點、5號監(jiān)測點和9號監(jiān)測點）進行作用力和位移的全程監(jiān)測，不同支護條件監(jiān)測點結(jié)果曲線如圖16～18所示。

圖13給出了錨網(wǎng)錨桿支護監(jiān)測結(jié)果，從作用力曲線可知，垂直力最大達 2500 kN以上，在t=0.25 s前波動較小，在t=0.25 s后波動劇烈，說明錨網(wǎng)錨桿支護后巷道受沖擊作用也較明顯且主要集中在第2次明顯沖擊，初次沖擊對載荷削弱較小。頂板垂直位移有下沉趨勢，在t=0.25 s前，下沉位移較緩慢，在t=0.25 s時，出現(xiàn)明顯的跳躍，下沉位移急劇增大，最大下沉位移約為0.25 m，在沖擊載荷反復作用下，圍巖體發(fā)生破壞。

圖12 沖擊波速度時程曲線Fig.12 Velocity-time curve for impact wave

圖13 錨網(wǎng)錨桿支護監(jiān)測結(jié)果Fig.13 The monitoring results of anchor bolting

圖14給出了U型鋼支護監(jiān)測結(jié)果，垂直力最大達5000 kN左右，在t=0.5 s前波動較小，在t=0.5 s后波動劇烈，說明U型鋼支護后巷道受沖擊作用也較明顯且主要集中在第2次沖擊，U型鋼支護對沖擊載荷削弱也較小。在t=0.5 s前，下沉位移較緩慢，在t=0.5 s時，出現(xiàn)明顯跳躍點，最大下沉位移約為 0.2 m，下沉位移值減小，被動支護對巷道支撐作用較好，抵抗沖擊載荷能力提高較小。

圖15給出了吸能支護監(jiān)測點結(jié)果，垂直力最大達 950 kN左右，在t=0.25 s前波動很大，在t=0.25 s后波動反而減低，且作用力明顯降低，說明吸能材料首先起到了緩沖作用，有效地降低了沖擊載荷作用。頂板垂直位移首先出現(xiàn)明顯下沉，在t=0.25 s前，下沉位移迅速。在t=0.25 s時，出現(xiàn)明顯跳躍點，位移出現(xiàn)快速向上，在沖擊載荷作用下，位移逐漸向下發(fā)展并逐漸趨于穩(wěn)定，頂板總體向下位移值最大約為 0.023 m。說明吸能材料作為弱剛度材料，起到良好緩沖作用。

圖14 U型鋼支護監(jiān)測結(jié)果Fig.14 The monitoring results of U-steel supporting

圖15 吸能支護監(jiān)測點結(jié)果Fig.15 The monitoring results of energy absorbing support

5 結(jié) 論

（1）相似材料試驗結(jié)果說明，巷道頂板有明顯下沉，底板出現(xiàn)起鼓現(xiàn)象，兩邊幫均向巷道內(nèi)部方向發(fā)生彎曲變形形成裂縫，進而擴展和貫通，并有拋出物沖入巷道內(nèi)。不同支護表現(xiàn)為沖擊破壞程度不同，吸能支護表現(xiàn)為開始階段緩沖作用明顯，后期沖擊作用大幅降低，巷道整體性較好。

（2）數(shù)值計算監(jiān)測結(jié)果表明，錨桿支護后圍巖體強度提高，主動支護后巷道受沖擊作用也較明顯；U型鋼支護后，對沖擊載荷削弱也較小，被動支護對提高巷道支撐作用較好，抵抗沖擊載荷能力提高較小；吸能支護后，開始階段緩沖作用明顯，后期沖擊作用大幅度降低，垂直作用力和位移也明顯減小，說明吸能支護更適合用于沖擊地壓巷道的支護。

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