薛光武

(1.呂梁學(xué)院 礦業(yè)工程系，山西 呂梁 033001；2.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

隨著我國煤炭開采強(qiáng)度的不斷增大，地下淺埋深煤炭資源日益枯竭，急需發(fā)展深部煤層開采工藝[1-4]。然而在開采深度增加的同時，產(chǎn)生了一系列復(fù)雜棘手的問題：

1) 圍巖地應(yīng)力劇烈增加。圍巖在高地應(yīng)力作用下發(fā)生能量集聚現(xiàn)象，在外界擾動的影響下就可能會發(fā)生巖爆現(xiàn)象。此外，在高剪切力和拉應(yīng)力的作用下，圍巖會發(fā)生擠壓大變形。這些因素導(dǎo)致圍巖內(nèi)部產(chǎn)生一系列復(fù)雜多變的孔裂隙，并造成圍巖的力學(xué)強(qiáng)度大大降低，不利于巷道的穩(wěn)定性和安全性[5-7]。

2) 在深部高地應(yīng)力條件下，圍巖應(yīng)力的釋放以及能量的轉(zhuǎn)化致使圍巖內(nèi)部產(chǎn)生一系列互相交替的破裂區(qū)和非破裂區(qū)，而基于傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)彈塑性力學(xué)理論并不能對此進(jìn)行合理的解釋。例如，傳統(tǒng)彈塑性力學(xué)僅僅能反映出巖石在峰值之前的物理力學(xué)性質(zhì)，對于峰后階段巖石內(nèi)部微裂隙擴(kuò)展、演化以及閉合并不能如實(shí)反映出來[8-9]。

3) 深部圍巖的分區(qū)破壞方式與傳統(tǒng)的圍巖破壞“三帶”劃分不一致。

針對上述問題，已有學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)行了研究。汪斌等[6]探討了深埋工程巖體開挖后圍巖的強(qiáng)度特征。呂穎慧等[7]基于室內(nèi)試驗(yàn)得出，巷道圍巖的破壞方式隨著地應(yīng)力的增大逐漸由脆性向韌性轉(zhuǎn)化。趙瑜等[10]采用數(shù)值模擬探討了深埋隧道圍巖巷道的局部破壞和漸進(jìn)破壞機(jī)理。上述學(xué)者的研究均是集中于對圍巖在高應(yīng)力條件下的破壞方式和特征上，對于高地應(yīng)力條件下巷道圍巖的整體運(yùn)移規(guī)律和垮塌機(jī)理缺乏闡述和總結(jié)。此外，上述試驗(yàn)現(xiàn)象和研究結(jié)論僅僅適用于雙向地應(yīng)力條件，對于含有自由面的圍巖并不適用。綜上所述，為了保證深部高地應(yīng)力巷道的穩(wěn)定性和安全性，急需對圍巖的變形破壞規(guī)律進(jìn)行研究。為此，本文基于高應(yīng)力二維相似模擬實(shí)驗(yàn)臺，對某煤礦埋深847 m的巷道進(jìn)行了相似模擬實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)分析了圍巖應(yīng)力分布和位移分布規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方案

本文以某煤礦運(yùn)輸大巷為實(shí)驗(yàn)原型。該巷道埋深為847 m；幾何形狀為矩形，高為4.2 m，寬為5.4 m.巷道所在的巖層為粉砂巖，平均抗壓強(qiáng)度為87.5 MPa.巷道頂板為細(xì)砂巖，硬度較大，顆粒之間比較致密，平均抗壓強(qiáng)度為56.4 MPa.底板為中砂巖，該巖層呈層狀結(jié)構(gòu)，顆粒粒徑較小，平均抗壓強(qiáng)度為48.9 MPa.在相似模擬設(shè)計中，相似模型的幾何相似比為30，即模型巷道的寬×高=167 mm×133 mm；容重相似比為1.67，應(yīng)力相似比為50，時間相似比為5.48.真實(shí)地層中垂直應(yīng)力為25.23 MPa，水平應(yīng)力為27.75 MPa.經(jīng)計算得到油缸垂直供壓值為7.17 MPa，水平方向油缸供壓值為7.89 MPa.

圖1 位移測點(diǎn)布置圖Fig.1 Arrangement of displacement measuring points

應(yīng)力盒在模型中的布置位置如圖2所示。按幾何相似比折算成原型尺寸。其中，巷道中線左側(cè)區(qū)域測點(diǎn)用來測量水平應(yīng)力，巷道中線右側(cè)區(qū)域測點(diǎn)用來測量垂直應(yīng)力。

圖2 應(yīng)力測點(diǎn)布置圖Fig.2 Arrangement of stress measuring points

對于相似材料的制備，本文選用細(xì)小河沙和石英作為骨料，石膏和石灰作為膠結(jié)物，云母粉作為巖層層理。由于石膏遇水硬化速率較大，在材料中添加了一定含量的緩凝劑，以便于降低硬化速率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 巷道圍巖位移分析

巷道圍巖的位移變化量與巷道的穩(wěn)定性和安全性緊密相關(guān)。為了實(shí)時觀察圍巖的變形規(guī)律，本文在巷道圍巖四周布置了一系列的位移監(jiān)測點(diǎn)，著重分析了巷道圍巖的頂板垂直位移、巷道底板垂直位移和巷道兩幫水平位移隨時間的變化規(guī)律。

2.1.1巷道頂板垂直位移

由圖3可知，巷道頂板的沉降量隨著時間的增加而逐漸增大，然而每排測點(diǎn)的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)卻有較大的差異。圖3(a)中，第一排的位移監(jiān)測點(diǎn)(測點(diǎn)1-5)從開始監(jiān)測到監(jiān)測結(jié)束，位移變化量較小，最大位移下沉量為9.2 mm.圖3(b)為第二排的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)(測點(diǎn)6-10)，在開挖12 d內(nèi)變化不明顯；在開挖12 d之后位移發(fā)生突變，下沉量出現(xiàn)了較大的變化；在開挖42 d時位移絕對值達(dá)到最大值，該值為234 mm.

圖3 巷道頂板不同層位圍巖的垂直位移Fig.3 Vertical displacement of surrounding rock in different layers of tunnel roof

2.1.2巷道兩幫水平位移

圖4為巷道圍巖兩幫中部監(jiān)測點(diǎn)(測點(diǎn)11-14)的位移量隨時間的變化曲線。從圖中可以得出：隨著開挖時間的增加，圍巖兩幫向內(nèi)部移進(jìn)量逐漸增大，然而不同監(jiān)測點(diǎn)處的位移變化程度大為不同。監(jiān)測點(diǎn)11與14從開挖之初至開挖12 d，位移變化量相對較小，最大變化量分別為18.4 mm與18.8 mm.對于監(jiān)測點(diǎn)12與13來說，圍巖位移變化量非常明顯，其最大移進(jìn)量分別為162 mm與154 mm.由此可以得出，越接近于巷道兩幫的位置，其位移變化程度越明顯。

圖4 巷道兩幫不同部位圍巖的水平位移Fig.4 Horizontal displacement of surrounding rock in different parts of tunnel

2.1.3巷道底板垂直位移

圖5分別為第四排位移監(jiān)測點(diǎn)(測點(diǎn)15-19，在巷道底板下方0.7 m處設(shè)定)和第五排位移監(jiān)測點(diǎn)(測點(diǎn)20-24，在巷道底板下方1.5 m處設(shè)定)的垂直位移隨時間的變化曲線。從圖5可以得出：隨著開挖時間的增加，地板向上鼓起量逐漸增大；不同監(jiān)測點(diǎn)的位移變化程度大為不同。圖5(a)顯示：在開挖12 d之前底板鼓變形不明顯；12 d之后巷道底板鼓起量迅速增大，并且在42 d時達(dá)到最大值(154 mm).圖5(b)顯示：從巷道開挖之初到開挖12 d的位移變化量均非常小；在42 d之后，位移絕對值最大值約為10.3 mm.需要注意的是，底板右半部分的移進(jìn)量要大于底板左半部分，這主要是因?yàn)榈装灏l(fā)生了剪切變形破壞。

對照組患兒采用沙美特羅替卡松結(jié)合糠酸莫米松治療,沙美特羅替卡松吸入劑(Glaxo Operations UK Limited國藥準(zhǔn)字H20150242規(guī)格50ug/500ug*60泡),早晚1次。糠酸莫米松鼻劑(Schering-Plough Labo N.V.(比利時)國藥準(zhǔn)字H20140100),每側(cè)鼻孔1撳,每日1次,持續(xù)治療30d。

圖5 巷道底板不同層位圍巖的垂直位移Fig.5 Vertical displacement of surrounding rock in different layers of tunnel floor

2.2 巷道圍巖應(yīng)力分析

巷道開挖之后，每隔10 min對各個監(jiān)測點(diǎn)的水平應(yīng)變量和垂直應(yīng)變量進(jìn)行統(tǒng)計，然后再將該應(yīng)變量代入到相應(yīng)的公式中反算，得出水平應(yīng)力值和垂直應(yīng)力值。本節(jié)重點(diǎn)分析了巷道頂?shù)装?、巷道兩幫的?yīng)力變化規(guī)律。

2.2.1巷道頂板應(yīng)力

圖6(a)為巷道頂板兩個不同監(jiān)測點(diǎn)的垂直應(yīng)力隨時間的變化圖。監(jiān)測點(diǎn)4′處的垂直應(yīng)力絕對值從整體上看隨時間的增加而逐漸降低；在開挖12 d之前，下降率比較大；在開挖12 d之后下降趨勢逐漸緩和；在巷道開挖20 d后應(yīng)力趨于穩(wěn)定，絕對值達(dá)到11.17 MPa.監(jiān)測點(diǎn)2′處的垂直應(yīng)力絕對值從整體上看隨著時間的增加逐漸降低，在巷道開挖42 d后其值達(dá)到27.60 MPa.

圖6(b)為巷道頂板兩個不同監(jiān)測點(diǎn)水平應(yīng)力隨時間的變化圖。監(jiān)測點(diǎn)3′處的水平應(yīng)力絕對值從整體上看隨時間的增加而逐漸降低；在開挖12 d之前，下降比較劇烈；在開挖12 d之后下降趨勢逐漸緩和；在巷道開挖20 d后趨于穩(wěn)定，絕對值達(dá)到15.37 MPa.監(jiān)測點(diǎn)1′處的水平應(yīng)力絕對值在開挖10 d以內(nèi)隨著時間的增加出現(xiàn)下降的趨勢；在開挖12 d之后應(yīng)力絕對值逐漸增大；在開挖42 d之后趨于緩和，應(yīng)力絕對值達(dá)到56.50 MPa.由此可以得出，監(jiān)測點(diǎn)3′處的巖體發(fā)生了屈服破壞，而監(jiān)測點(diǎn)1′處的巖層處于應(yīng)力集中區(qū)域。

圖6 巷道頂板垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力與時間的關(guān)系曲線Fig.6 Change of vertical stress and horizontal stress of tunnel roof with the time

2.2.2巷道兩幫應(yīng)力

圖7(a)為巷道圍巖兩幫不同監(jiān)測位置處的垂直應(yīng)力隨時間的變化曲線。監(jiān)測點(diǎn)7′處的垂直應(yīng)力絕對值從整體上看隨著時間的增加而逐漸下降；在開挖42 d之后逐漸趨于穩(wěn)定，達(dá)到15.55 MPa.監(jiān)測點(diǎn)8′處的垂直應(yīng)力絕對值在巷道開挖15 d之內(nèi)隨著時間的增加而逐漸降低；在開挖15 d之后隨著時間的增加又逐漸增大，并在開挖42 d后趨于穩(wěn)定，達(dá)到76.50 MPa.由此可知，監(jiān)測點(diǎn)7′處的巖層已經(jīng)發(fā)生了屈服破壞，應(yīng)力逐漸向深部轉(zhuǎn)移，而監(jiān)測點(diǎn)8′處的巖層屬于應(yīng)力集中區(qū)域。

圖7(b)為巷道圍巖兩幫不同監(jiān)測位置處的水平應(yīng)力隨時間的變化曲線。從整體上看，監(jiān)測點(diǎn)6′處的水平應(yīng)力絕對值隨著時間的增加而逐漸下降；開挖16 d之前下降程度比較劇烈；開挖16 d之后下降速率緩和；在開挖42 d之后趨于穩(wěn)定(絕對值達(dá)到4.52 MPa).監(jiān)測點(diǎn)5′處的水平應(yīng)力絕對值隨著時間的增加而逐漸降低，并且在開挖42 d后趨于穩(wěn)定，達(dá)到13.90 MPa.

圖7 巷道兩幫垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力隨時間的變化Fig.7 Change of vertical stress and horizontal stress of two sideways in tunnel with the time

2.2.3巷道底板應(yīng)力

圖8(a)為巷道底板不同監(jiān)測位置處(10'和12')的垂直應(yīng)力隨時間的變化曲線。兩個監(jiān)測點(diǎn)處的垂直應(yīng)力絕對值均隨著時間的增加而逐漸下降；在開挖17 d以內(nèi)下降程度比較劇烈；在開挖17 d之后下降程度趨于緩和；在開挖42 d后趨于穩(wěn)定，應(yīng)力絕對值分別為4.35 MPa(測點(diǎn)12′)和18.60 MPa(測點(diǎn)10′).

圖8(b)為巷道底板不同監(jiān)測位置處的水平應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律。監(jiān)測點(diǎn)9′處的應(yīng)力絕對值隨著時間的增加而逐漸下降，并在開挖42 d后趨于穩(wěn)定，達(dá)到16.30 MPa.監(jiān)測點(diǎn)11′的水平應(yīng)力絕對值在開挖15 d以內(nèi)逐漸下降；在開挖15 d之后又逐漸增大；在開挖42 d后趨于穩(wěn)定，達(dá)到51.60 MPa.由此可知，監(jiān)測點(diǎn)9′處的巖層已經(jīng)發(fā)生了屈服破壞，而監(jiān)測點(diǎn)11′處的巖層屬于應(yīng)力集中區(qū)域。

3 結(jié)論

針對某煤礦深部高地應(yīng)力巷道的安全支護(hù)問題，本文通過自行設(shè)計的二維高應(yīng)力相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺，對該巷道圍巖的破壞變形規(guī)律，以及位移和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下:

圖8 巷道底板垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力隨時間的變化Fig.8 Change of vertical and horizontal stress of tunnel floor with the time

1) 該巷道在開挖完畢之后，隨著時間的增加，變形破壞范圍逐漸增大。在頂板的冒落范圍延伸到上覆第二巖層的位置處，冒落區(qū)域呈現(xiàn)拱形。巷道兩幫由于擠壓發(fā)生嚴(yán)重的變形；在頂板和圍巖兩幫局部位置出現(xiàn)了一系列相互交叉貫通的復(fù)雜裂隙帶；底板由于剪切錯動發(fā)生了底鼓現(xiàn)象。

2) 巷道頂板上方1.5 m處的巖層位移下沉量約為 234 mm；巷道圍巖左右兩幫0.5 m處的巖層向內(nèi)部移進(jìn)量分別為162 mm，154 mm； 底板下方0.7 m處的巖層向內(nèi)鼓起量為154 mm.

3) 巷道頂板上方2.5 m處的巖層穩(wěn)定后的水平應(yīng)力絕對值為15.37 MPa；巷道兩幫1.5 m處的巖層穩(wěn)定后的垂直應(yīng)力絕對值為15.55 MPa；底板下方1.5 m處的巖層穩(wěn)定后的水平應(yīng)力絕對值為16.30 MPa.