蘇士龍，顧曉偉，張 力,史新帥

(1.華晉焦煤有限責任公司，山西 呂梁 033000；2.中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

隨著淺部煤炭資源日趨枯竭，煤礦開采深度逐年增大，受“三高一擾動”影響，深部巷道圍巖變形破壞特征明顯不同于淺部煤炭開采，深部開采的安全等問題日益突出[1-3]。層狀巖體作為一種廣泛存在于礦井圍巖中的地質體，其變形和破壞特征具有明顯的各向異性，特別在大埋深條件下，受深部高應力影響，層狀巖體的應力分布及變形破壞特征相比其他巖體更加復雜，揭示深部高應力條件下層狀圍巖巷道承載特性及變形破壞特征，對于確保礦井安全高效生產(chǎn)具有重要的指導意義[4-6]。相似材料模擬試驗作為一種研究工程巖體特性的有效手段，具有直觀、可靠性高、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點，被廣泛應用于礦業(yè)工程領域[7-8]。本文結合某深部礦井西翼軌道大巷特殊地質條件，利用相似模擬試驗研究了深部層狀巖體巷道不同錨固支護方式下的巷道圍巖應力演化規(guī)律和變形破壞特征。

1 相似材料模擬試驗設計

1.1 相似材料模型設計

模型試驗以某深部礦井的矩形軌道大巷為研究背景，巷道掘進斷面尺寸為5 100 mm×4 200 mm，埋深742～877 m，巷道圍巖以粉砂巖、細砂巖為主，層理發(fā)育，具有明顯的各向異性特性?？紤]實際地質情況、試驗設備尺寸等具體條件，依據(jù)相似理論，確定幾何相似比Cl=30，容重相似比Cγ=1.4，應力相似比Cp=42。據(jù)此，將模擬巷道斷面尺寸確定為寬×高=170 mm×140 mm，模型所需施加的垂直應力為0.52 MPa、水平應力為0.63 MPa，模擬試驗中選取河砂作為骨料，石膏、碳酸鈣作為膠結材料，各巖層間采用云母粉進行分層鋪設，層狀巖體分層厚度確定為30 mm。為研究層狀巖體巷道不同錨固支護方式下巷道圍巖變形破壞特征及應力演化規(guī)律，共設計三組相似模擬試驗，即無支護、錨桿支護、錨桿索支護。其中，錨桿、錨索分別采用破斷力為33 N和51 N的保險絲和鋁絲模擬，根據(jù)相似理論，確定錨桿長度為83 mm，直徑1.67 mm，間排距50 mm×50 mm，每排布置4根錨桿；錨索長度206 mm，直徑1.0 mm，間排距100 mm×50 mm，每排布置兩根錨索。

1.2 試驗設備

本次物理試驗采用中國礦業(yè)大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室WYQ1000-I型地下工程二維平面應變綜合試驗模擬系統(tǒng)(圖1)。該實驗系統(tǒng)主要包括試驗臺架、計算機控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、開挖系統(tǒng)和和測量系統(tǒng)五部分。試驗臺架的整體尺寸為：寬×高×厚=2.1 m×2.1 m×0.6 m，模型體尺寸為：寬×高×厚=1.03 m×0.96 m×0.25 m，加載板尺寸為：寬×高=0.9 m×0.25 m，每個加載板上有3個油缸，單個油缸加載壓力為300 kN，行程為5 cm。在試驗臺架正面擋板板上預留開挖洞口，當系統(tǒng)加載至設計載荷后，卸下螺栓撤走鐵板,對模型進行開挖。試驗系統(tǒng)背面中央部位留設觀察窗口，采用厚度為3 cm透明的亞克力板，便于實驗過程中數(shù)字照相及觀察圍巖的破壞情況(圖1(b))。

1.3 試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測

1.3.1 圍巖應力監(jiān)測

試驗過程中采用自制的單元應變磚對圍巖應力變化進行監(jiān)測，應變磚采用聚氨酯立方塊為母體，在其某頂點相鄰三個面上分別貼三個45°應變花制作而成(圖2)。該應變磚能夠測得其埋設點的6個應變分量，通過計算可求得該位置的徑向應力、切向應力和切應力?？紤]試驗臺的尺寸、錨桿長度及模型的對稱性，本次試驗分別巷道頂板、肩部、右?guī)透髀裨O3個應變磚，具體位置如圖2所示。

1.3.2 巷道位移及圍巖表面變形監(jiān)測

采用位移計分別對巷道頂板的下沉量、幫部的收斂量以及底板位移量進行監(jiān)測。位移計量程30 mm，位移計數(shù)據(jù)通過TST3826E動靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)采集。試驗過程中同時采用數(shù)字照相系統(tǒng)監(jiān)測試驗過程中圍巖的變形破壞過程，數(shù)字照相量測精度高、操作方便，后期可結合PhotoInfor和PostViewer后處理軟件對模型位移場變化規(guī)律進行分析。

圖2 應力監(jiān)測布置

1.4 試驗過程

試驗模型采用分層鋪設、分層壓實的方法制作，鋪設過程中預埋應變磚、錨桿等，模型澆筑完成靜置兩天左右，拆去試驗臺架的前后擋板，將模型放置3 d在自然條件下進行風干，在此期間連接檢查各檢測裝置。試驗加載前，安裝試驗臺架的前后擋板，采用階梯加載的方式，其中,垂直應力每次加載12 kN，水平應力每次加載14.4 kN，相鄰兩次加載時間間隔約為15 min，分10次完成，如圖3所示。當模型加載至設定荷載后，對其穩(wěn)壓約1.5～2 h，隨后進行巷道開挖，開挖分兩次進行，首次開挖約15 cm，第二次開挖約10 cm，并對巷道開挖過程中圍巖應力及變形破壞情況進行監(jiān)測，待巷道變形破壞基本穩(wěn)定后結束試驗。

2 試驗結果分析

2.1 變形破壞特征分析

試驗完成后不同支護方式下巷道圍巖變形破壞情況如圖4所示。從試驗結果看出，無支護層狀圍巖巷道的失穩(wěn)機制類型屬于弱面控制型，巷道圍巖以剪切滑移破壞為主，頂板大面積垮落，呈現(xiàn)倒V型破壞區(qū)，幫部片幫及底鼓嚴重，巷道圍巖整體變形破壞顯著；錨桿支護下，巷道圍巖的承載能力得到提高，巷道頂板及兩幫變形得到有效控制，巷道底鼓較為嚴重；錨桿索支護條件下，巷道底板發(fā)生剪切滑移破壞，頂板及兩幫較為完整，巷道圍巖變形得到有效控制。通過對比不同支護方式下巷道的破壞模式可知，錨桿或錨索在一定程度上能夠控制圍巖的破壞變形，控制破碎變形的持續(xù)發(fā)展，對松散破碎區(qū)范圍內的圍巖起到了控制作用，并改善了圍巖的受力狀態(tài)，從而起到了穩(wěn)定巷道圍巖的作用。

圖3 分級加載過程

圖4 巷道圍巖變形破壞特征

2.2 位移分析

為了監(jiān)測開挖后巷道表面的變形情況，試驗過程中采用量程為30 mm的YHD-30B型位移計分別對巷道表面頂板的下沉量、幫部收斂量以及底板位移量進行了測量記錄，監(jiān)測結果見圖5和圖6。

由圖5和圖6可以看出，無支護條件下巷道頂板位移量大于兩幫及底板，在開挖初期，巷道頂板即出現(xiàn)了較大變形，而后巷道兩幫及底板也逐漸發(fā)生較大變形，至觀測后期，由于巷道變形量較大，超過位移量程，觀測結束。錨桿支護條件下，巷道開挖初期，巷道頂板、兩幫及底板變形量均較小，開挖后3 300 s左右時，巷道底板變形量開始顯著增大，至觀測結束，巷道底板變形量大于頂板及兩幫。錨桿索支護條件下，整個監(jiān)測過程中，巷道頂板、兩幫及底板位移變化量相差不大，巷道圍巖變形明顯小于無支護和僅使用錨桿支護條件下，巷道圍巖變形得到控制。

圖5 巷道位移曲線

圖6 巷道最終破壞位移場對比

2.3 圍巖應力演化規(guī)律

采用應變磚對試驗過程中的圍巖應力數(shù)據(jù)進行采集，分析不同位置圍巖的徑向應力、切向應力的演化特征及規(guī)律，進一步研究圍巖的變形破壞情況。為便于對比分析，將測得的應力值進行歸一化處理。考慮到文章篇幅限制，本文僅對巷道圍巖頂板應力演化規(guī)律進行分析，巷道幫部及肩部均呈現(xiàn)大致類似的規(guī)律。不同支護方案下頂板各測點徑向應力、切向應力變化規(guī)律如圖7和圖8所示。

由圖7可知，不同支護方式下，巷道頂板各測點徑向應力變化規(guī)律大致相似，均隨時間的增長而不斷減小并最終趨于穩(wěn)定，整個開挖過程中徑向應力的大小規(guī)律為：錨桿索支護>錨桿支護>無支護。說明采用錨桿支護的巷道圍巖承載能力有所提高，徑向應力大于無支護條件下，有一定支護效果，同時采用錨桿索聯(lián)合支護后圍巖的徑向應力下降幅度進一步減小，圍巖的應力損失最小，對圍巖的控制效果更加明顯。從圖8可以看出，巷道淺部區(qū)域(d1測點)圍巖切向應力隨時間不斷減小并趨于穩(wěn)定，且無支護條件下降幅最為明顯，而巷道圍巖深部位置(d2測點、d3測點)切向應力則隨時間增長呈現(xiàn)先降低后增大并趨于穩(wěn)定的趨勢，說明巷道淺部區(qū)域變形破壞嚴重，深部區(qū)域較為完整，切向應力較大。同時可以看出，巷道變形破壞穩(wěn)定后，錨桿索支護條件下巷道頂板各位置切向應力均大于無支護及錨桿支護巷道，大幅提高了巷道圍巖承載性能。

2.4 圍巖成拱特性分析

壓力拱是地下工程開挖引起應力轉移的一種常見形式，它不僅存在于頂板上，而且存在于兩幫和底板上[9-10]。如果把圍巖作為一種結構來看，處于壓力拱中的巖體承擔著自身和其上覆巖體的荷載，是確保其上方巖體不會塌落的一個具有拱的力學特性的結構。

本文采用成拱系數(shù)k作為壓力拱的成拱判據(jù)，判斷公式為式(1)。

(1)

式中：k為成拱系數(shù)；σθ0和σθ分別為開挖前圍巖的切向應力和開挖后圍巖的切向應力。將k=0所處的位置確定為切向應力升高區(qū)與降低區(qū)的分界點，即壓力拱的內邊界和外邊界。通過分析成拱系數(shù)k從巷道表面到圍巖深部的分布規(guī)律，進而揭示不同支護方式巷道圍巖成拱特性。

二次開挖穩(wěn)定后成拱系數(shù)k沿頂板、肩部、幫部分布規(guī)律如圖9所示。不同支護方案中成拱系數(shù)k=0的點距巷道表面距離見表1。

從圖9及表1可以看出，巷道無支護時，由于圍巖破碎程度較大，頂板及幫部成拱系數(shù)k均小于0，無法形成壓力拱結構；采取一定支護措施(錨桿、錨索)后，圍巖的完整程度及承載力增大，均形成了壓力拱結構，僅采取錨桿支護措施時，分別在距離巷道頂板18.43 cm、肩部9.21 cm、底板9.26 cm的位置

圖8 切向應力演化規(guī)律

圖9 巷道圍巖成拱特性

表1 壓力拱邊界分布規(guī)律

形成了有效壓力拱結構；而采取錨桿索支護后，壓力拱邊界向巷道表面移近，巷道圍巖卸壓區(qū)范圍減小，巷道圍巖承載能力進一步提高。

對于錨桿支護及錨桿索支護下的層狀巖體巷道，在其頂板破壞前，頂板承載結構為組合梁，當頂板應力超過其極限承載強度后，頂板組合梁底部開始破壞，淺部圍巖破壞并逐步垮落形成塌落拱，相應的承載結構也由組合梁轉變?yōu)閴毫?。由此可見，為保證層狀破碎圍巖或支護較弱的圍巖穩(wěn)定性，應通過提高其支護強度或設法增加其圍巖完整性，來保證巷道頂板初次承載結構組合梁的穩(wěn)定。組合梁破壞失穩(wěn)后，應保證壓力拱的穩(wěn)定。

3 結 論

1) 巷道在無支護條件下頂板發(fā)生大面積垮落，兩幫收斂量大，底鼓嚴重，巷道頂板形成倒V型破壞區(qū)；采取一定支護措施后，巷道圍巖變形明顯減小，局部區(qū)域出現(xiàn)剪切滑移破壞。

2) 不同支護方式下，巷道頂板各測點徑向應力不斷減小并最終趨于穩(wěn)定，而對于頂板徑向應力，巷道淺部區(qū)域切向應力隨時間不斷減小并趨于穩(wěn)定，而巷道圍巖深部位置切向應力則呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢，最終狀態(tài)時，錨桿、錨桿索支護條件下巷道圍巖徑向應力、切向應力均大于無支護狀態(tài)時，巷道圍巖應力狀態(tài)得到改善。

3) 對不同支護方案的圍巖成拱特性進行了分析，巷道無支護時圍巖破碎程度較大，無法形成壓力拱，而采取一定支護措施后巷道圍巖能夠形成一定范圍的壓力拱結構。