靖洪文，尹 乾，朱 棟，孫彥景，王 勃

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

深部巷道圍巖在高應(yīng)力、強(qiáng)卸荷環(huán)境下發(fā)生變形破裂，成為結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)更為復(fù)雜的破裂巖體，其破裂失穩(wěn)過程實(shí)質(zhì)上是巖石從連續(xù)到非連續(xù)，從彈塑性小變形到結(jié)構(gòu)性大變形的過程[1-3]。錨桿索支護(hù)由于其主動加固調(diào)動圍巖承載能力及對變形適應(yīng)性良好等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦工程中得到廣泛應(yīng)用。從圍巖支護(hù)形成的錨固結(jié)構(gòu)考慮巷道圍巖穩(wěn)定問題，是從一個新的角度審視和揭示深部巷道圍巖失穩(wěn)破壞機(jī)理，具有重要的理論意義[4-6]。

為了探索錨固結(jié)構(gòu)承載特性及破裂演化特征，JING等[7]通過模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)含斷續(xù)節(jié)理錨固體強(qiáng)度主要由巖體強(qiáng)度及錨桿初始預(yù)緊力決定，并建立了錨固體峰值強(qiáng)度與裂隙傾角及錨桿密度之間的函數(shù)關(guān)系;蘇學(xué)貴等[8]通過大斷面矩形巷道頂板錨固承載結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)錨桿支護(hù)作用下淺部巖層形成組合梁，深部復(fù)合巖層在錨索預(yù)應(yīng)力作用下形成壓縮拱，建立“拱-梁”耦合承載結(jié)構(gòu);王其洲等[9]針對峰后錨固體力學(xué)特性和再破壞特征，通過預(yù)制峰后破裂巖體進(jìn)行相似模擬試驗(yàn)，研究了不同錨桿間排距和預(yù)緊力條件下錨固體載荷演化規(guī)律及變形破壞特征。譚云亮等[10]通過離散元數(shù)值模擬研究了全長錨固錨桿對節(jié)理圍巖穩(wěn)定性的影響，分析了不同錨固時刻圍巖的破壞特征;張元超等[11]通過數(shù)值計算對比分析了加錨支護(hù)前后深井沿空掘巷圍巖變形和應(yīng)力演化規(guī)律，并根據(jù)模擬和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果確定了加錨支護(hù)參數(shù)。翟英達(dá)[12]發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨桿在圍巖中產(chǎn)生橫向擠壓作用是形成錨固結(jié)構(gòu)的必要條件，并分析了橫向擠壓作用與圍巖泊松比、錨桿密度及有效長度的關(guān)系;韓立軍等[13]在分析錨注加固結(jié)構(gòu)承載機(jī)理的基礎(chǔ)上提出了錨注支護(hù)條件下巷道圍巖的多重組合拱結(jié)構(gòu)，并對其極限承載能力進(jìn)行理論分析。上述研究成果為本文順利開展深部巷道圍巖大尺度錨固結(jié)構(gòu)力學(xué)特性及失穩(wěn)破壞機(jī)理探討提供參考。

此外，近年來多源信息融合技術(shù)已在礦山安全預(yù)測預(yù)警方面取得了一些研究進(jìn)展，如劉增輝等[14]將電磁輻射技術(shù)應(yīng)用到近距離煤層開采對卸壓區(qū)圍巖應(yīng)力演化影響的監(jiān)測中，結(jié)果表明電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)與煤巖體裂隙擴(kuò)展演化具有較好的耦合關(guān)系;周輝等[15]為分析合理終采線的結(jié)構(gòu)，通過模型試驗(yàn)方法，利用聲發(fā)射監(jiān)測上方工作面回采過程對垂直于回采方向下方巷道圍巖的擾動影響;許昭勇[16]提出利用直流電法技術(shù)進(jìn)行采動圍巖應(yīng)力分布探測的思路，試驗(yàn)測試分析煤樣在不同應(yīng)力和裂隙條件下煤層視電阻率的響應(yīng)特征，并通過現(xiàn)場測試揭示采動圍巖應(yīng)力分布的電法響應(yīng)規(guī)律。但上述信息化探測手段在巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)破裂演化大尺度地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)方面的研究卻相對較少。

基于此，筆者以口孜東礦-967 m水平西翼軌道大巷為工程背景，通過自主研發(fā)圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)全過程試驗(yàn)系統(tǒng)開展不同支護(hù)巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)荷載-位移全過程模型試驗(yàn)，揭示巷道開挖至加載破壞過程中錨固結(jié)構(gòu)承載特性、位移場演化規(guī)律及變形破裂特征。分析錨固結(jié)構(gòu)破壞過程中電磁輻射、聲發(fā)射和電阻率等地球物理信息響應(yīng)規(guī)律及與荷載-位移曲線的耦合關(guān)系，為深部巷道圍巖變形破裂監(jiān)測及穩(wěn)定控制提供一個新的研究思路。

1 圍巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)全過程試驗(yàn)系統(tǒng)研制

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)

為了探索深部巷道圍巖結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)過程，揭示巷道圍巖破壞形態(tài)、內(nèi)部應(yīng)力演化等宏細(xì)觀規(guī)律，課題組自主研制了深部巷道圍巖結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)全過程模型試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)能夠精確模擬深部巷道圍巖從開始承載至整體失穩(wěn)全受力過程，得到不同支護(hù)參數(shù)條件下圍巖結(jié)構(gòu)荷載-位移全過程特征曲線，從而研究深部巷道的力學(xué)承載特性、變形破壞規(guī)律以及支護(hù)與圍巖共同作用效果，為評價不同結(jié)構(gòu)地下工程穩(wěn)定性提供依據(jù)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)Fig.1 Development of the test system

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。其中液壓加載系統(tǒng)由螺母、前蓋底座、前蓋組件、送料裝置、拉桿、環(huán)形支座、后蓋組件、底座組件、液壓螺母、安裝機(jī)架、舉升油缸、伺服加載器等組成。電控系統(tǒng)主要由電路系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)組成。此外，在該試驗(yàn)平臺上，可綜合運(yùn)用數(shù)字照相、電磁輻射、聲發(fā)射和雙模式并行電法等多源地球物理信息監(jiān)測技術(shù)分析巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)變形破壞過程中的物理信息響應(yīng)。系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下:

(1)準(zhǔn)平面應(yīng)變模型，水平和垂直兩個方向單獨(dú)控制加載，最大加載能力為10 MPa;

(2)前后端面采用Q345-B型鋼板被動約束，最大允許變形0.002 mm(最大撓度為0.3 mm);

(3)頂部油缸分五路獨(dú)立控制，可采用壓力和位移兩種控制方式加載，最低加載速率0.01 mm/s;

(4)側(cè)向加載分四路獨(dú)立控制，可實(shí)現(xiàn)任意梯度加載;

(5)液壓加載系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)加載→穩(wěn)壓→卸載過程的自動化控制，穩(wěn)壓時間96 h，應(yīng)力波動幅度不大于穩(wěn)壓設(shè)定值的±2%F.S;

(6)硐室位移傳感器可以閉環(huán)控制頂部伺服加載器，獲取巷道及圍巖錨固結(jié)構(gòu)荷載-位移特性曲線;

(7)主體承載結(jié)構(gòu)框架采用組合結(jié)構(gòu)，允許模型尺寸1 200 mm×1 200 mm×300 mm，預(yù)留多源信息采集數(shù)據(jù)線出口;

(8)采用多通道全數(shù)字控制器，配備Windows環(huán)境下的操作軟件，主要控制參數(shù)帶有模擬輸出，可供給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步采集。

試驗(yàn)系統(tǒng)配有3套前端面約束擋板，并在中心留有圓形、半圓拱形和矩形孔洞以便開挖不同巷道斷面形狀。模型正面安裝1塊厚3 cm的亞克力板，提供觀望窗口的被動約束，模型側(cè)面，背面及上面貼減摩紙減少摩擦力。其他輔助設(shè)備主要包括模型澆筑模具、模型推送裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中:

(1)澆筑模具由U型鋼板拼裝組成，底板設(shè)有可吊裝的活動底座，模具內(nèi)側(cè)表面光滑，澆筑前涂抹脫模劑;

(2)模型推送裝置由送料小車和操作平臺組成。推送裝置軸線和試驗(yàn)系統(tǒng)中心軸線重合，確保推送過程不發(fā)生偏離;

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括TST3826E靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)、PC以及數(shù)字照相位移量測系統(tǒng)等，監(jiān)測錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力場、位移場及多源地球物理信息。

試驗(yàn)系統(tǒng)總重量達(dá)34 t，因此需對基礎(chǔ)進(jìn)行硬化處理，在混凝土強(qiáng)度標(biāo)號C35的地板上鋪設(shè)鋼板，鋼板尺寸為3 m×5 m，厚度2 cm。采用地腳螺栓將系統(tǒng)與鋼板基礎(chǔ)進(jìn)行連接。

1.2 相似材料選取

此次試驗(yàn)以中煤新集能源股份有限公司口孜東礦的主運(yùn)輸膠帶斜巷尾部聯(lián)巷至121301工作面機(jī)巷尾部聯(lián)巷段的西翼軌道大巷為研究背景，該試驗(yàn)段巷道斷面為近直墻半圓拱形，尺寸為5 100 mm×4 200 mm，位于-967 m水平，巷道主要穿越砂質(zhì)泥巖，該試驗(yàn)段內(nèi)巷道圍巖最大水平主應(yīng)力為26.45 MPa，最大垂直應(yīng)力為19.36 MPa，兩者比值為1.45。具體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 原巖與相似材料力學(xué)參數(shù)
Table 1 Mechanical parameters of original rock andsimilar materials

試驗(yàn)材料抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa黏聚力/MPa彈性模量/GPa砂質(zhì)泥巖38.543.7306.009.53相似材料1.220.1180.190.30

參考文獻(xiàn)[17]，試驗(yàn)選取純凈均勻的河砂、C32.5普通硅酸鹽水泥、石膏和水按照一定比例配置相似材料，相似材料容重γm=16.5 kN/m3。根據(jù)巷道斷面大小、開挖影響范圍的經(jīng)驗(yàn)預(yù)估以及試驗(yàn)系統(tǒng)允許尺寸條件，選取幾何相似比CL=18。由砂質(zhì)泥巖容重γp=28.8 kN/m3可得容重相似比Cγ=γp/γm=28.8/16.5=1.75，強(qiáng)度相似比CR=CγCL=18×1.75=31.5。根據(jù)相似比計算可得相似材料力學(xué)參數(shù)見表1。通過不同配比相似材料力學(xué)特性試驗(yàn)，最終確定河砂∶水泥∶石膏=100∶16∶9。試驗(yàn)?zāi)Ｐ统跏即怪睉?yīng)力邊界為0.84 MPa，水平應(yīng)力邊界為0.61 MPa。

該試驗(yàn)段巷道工程現(xiàn)場用錨桿為φ20 mm×2 100 mm樹脂錨桿，屈服強(qiáng)度為375 MPa，伸長率為32.5%，破斷力為224.28 kN，模型錨桿選用φ1.22 mm的鉛絲模擬，破斷力為23.44 N;現(xiàn)場用錨索為φ21.6 mm×6 200 mm的1×7結(jié)構(gòu)低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa，試驗(yàn)選用φ1.2 mm的細(xì)鐵絲模擬。

1.3 試驗(yàn)方案及模型澆筑

試驗(yàn)主要考慮無支護(hù)、錨桿支護(hù)及錨桿索支護(hù)3種形式，其中，錨桿間排距為44.44 mm×44.44 mm，錨索只布置在肩部和頂板，間排距為89 mm×89 mm。

具體模型澆筑及安裝流程如圖2所示。模型制作完成后靜置48 h進(jìn)行脫模，脫模后養(yǎng)護(hù)7 d，相似材料模型風(fēng)干后進(jìn)行吊裝作業(yè)。模型安裝完成后，對前擋板有機(jī)玻璃板觀測范圍以外區(qū)域均勻涂刷潤滑油，最后合上前擋板。為消除試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓昂竺婀潭s束與擋板之間的自由空間，首先人工擰緊前擋板的8個螺母，然后通過液壓螺母行程使前后擋板夾緊試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒛Ｐ蛢?nèi)部傳感器引出線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，架設(shè)并調(diào)試高速相機(jī)，準(zhǔn)備系統(tǒng)加載和模型開挖。

試驗(yàn)過程中，監(jiān)測巷道開挖后至圍巖錨固結(jié)構(gòu)失穩(wěn)全過程圍巖應(yīng)力場、表面變形場、聲發(fā)射、電磁輻射及視電阻率響應(yīng)等多源異構(gòu)信息。因此，模型澆筑過程中，在巷道頂板、左幫及左側(cè)肩角距離巷道表面120 mm位置處埋設(shè)應(yīng)變磚;巷道開挖結(jié)束后在巷道底板固定聲發(fā)射傳感器;在左右底角處埋設(shè)電磁輻射接收天線;在模型試樣左上角和右下角分別布置參比電極N和無窮遠(yuǎn)電極B。

試驗(yàn)開始前，首先采用分級加載方式對模型施加荷載至原巖應(yīng)力，豎向荷載每次施加26 kN，水平荷載每次施加40 kN，加載速率為120 N/s，達(dá)到初始應(yīng)力邊界后穩(wěn)壓1.0～1.5 h。待模型內(nèi)部測點(diǎn)應(yīng)力趨于穩(wěn)定后開始巷道開挖并施加支護(hù)。為研究巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)承載及變形破壞特征，采用硐室位移傳感器閉環(huán)同步控制加載，加載速率為0.02 mm/s，同一級豎向應(yīng)力加載完畢后立即進(jìn)行水平應(yīng)力加載，水平應(yīng)力按照系統(tǒng)豎向反饋的實(shí)時應(yīng)力1.45倍施加，每級加載完成后穩(wěn)壓10 min，待應(yīng)力調(diào)整平衡后繼續(xù)下一級加載，直至巷道和圍巖錨固結(jié)構(gòu)完全失穩(wěn)破壞后結(jié)束試驗(yàn)。

2 圍巖結(jié)構(gòu)荷載-位移全過程演化特征

2.1 荷載-位移全過程曲線

3種支護(hù)方式下，按照設(shè)計方案加載至錨固結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞后，獲取其荷載-位移全過程曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，不同支護(hù)方式下巷道圍巖承載特征具有明顯差異，具體分析如下:

(1)隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)峰值強(qiáng)度呈逐漸增大的趨勢，這是由于支護(hù)強(qiáng)度越大，錨固結(jié)構(gòu)所形成的承載結(jié)構(gòu)越完整，整個結(jié)構(gòu)作為統(tǒng)一的支撐體協(xié)調(diào)抑制圍巖的剪脹變形，巷道承載能力增強(qiáng)。與無支護(hù)相比，錨桿支護(hù)及錨桿索支護(hù)時峰值強(qiáng)度分別增加了68.81%和82.57%，彈性模量分別增加了22.22%和33.33%，峰值位移分別增加了74.23%和107.24%。

(2)與側(cè)向約束條件下標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線類似[18]，在加載至峰值強(qiáng)度的過程中，出現(xiàn)數(shù)次應(yīng)力跌落，且隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，應(yīng)力波動現(xiàn)象有所減弱。以無支護(hù)巷道為例，當(dāng)頂部應(yīng)力加載至0.62 MPa時出現(xiàn)首次應(yīng)力跌落，跌幅為6.89%;當(dāng)應(yīng)力增加至0.80 MPa時，第2次應(yīng)力跌落至0.71 MPa;當(dāng)應(yīng)力增加至0.88，1.04和1.08 MPa時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線又呈現(xiàn)不同程度的應(yīng)力跌落現(xiàn)象;最后，當(dāng)達(dá)到峰值強(qiáng)度1.09 MPa時，應(yīng)力迅速跌落，此時巷道結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。

(3)隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，巷道圍巖逐漸由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)化。無支護(hù)巷道圍巖主要表現(xiàn)為脆性破壞，加載過程中應(yīng)力跌落迅速，達(dá)到峰值荷載后，巷道圍巖瞬間整體垮落，峰后幾乎無承載能力;錨桿支護(hù)及錨桿索支護(hù)時，峰值強(qiáng)度之后，巷道圍巖仍然殘余一定的承載能力，錨固結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)以剪切滑移線網(wǎng)絡(luò)為主的塑性破壞。

圖2 模型試樣澆筑及安裝流程Fig.2 Casting and installation process of the model specimen

圖3 巷道圍巖全過程荷載-位移曲線Fig.3 Whole load-displacement curves of roadway surrounding rock

2.2 圍巖破裂演化特征

不同支護(hù)方式下巷道圍巖破裂演化過程分別如圖4～6所示，最終破壞模式如圖7所示。從圖4～7可以看出:

(1)無支護(hù)時，隨著頂部荷載的增加，巷道兩幫首先出現(xiàn)片幫剝落現(xiàn)象，底板出現(xiàn)近“L”型拉伸裂紋，隨著荷載的增加(σ=0.96 MPa)，巷道頂板出現(xiàn)輕微下沉，右?guī)统霈F(xiàn)大塊剝落現(xiàn)象，同時頂板萌生拉伸裂紋，左側(cè)肩部裂紋密度增多，并且出現(xiàn)貫通現(xiàn)象。當(dāng)σ=1.07 MPa，巷道頂板大幅下沉，左側(cè)肩部出現(xiàn)大塊冒頂現(xiàn)象;當(dāng)σ=1.10 MPa，巷道頂板冒落，圍巖整體喪失承載能力，失穩(wěn)破壞。

由圖7(a)可以看出，失穩(wěn)破壞后，巷道圍巖表現(xiàn)為多條沿加載方向發(fā)展的張拉裂紋，呈現(xiàn)脆性破壞。此外，在垂直荷載作用下，巷道兩幫剪切滑移均沿著肩部外緣切線方向發(fā)展并相交于巷道上方，形成1個近似“等腰三角形”塊體結(jié)構(gòu)。

(2)錨桿支護(hù)時，當(dāng)σ=0.71 MPa，圍巖頂板和底部中心位置均萌生一條沿加載方向發(fā)展的張拉裂紋。

圖4 無支護(hù)巷道圍巖破裂演化過程Fig.4 Failure evolution process of surrounding rock with no support

圖6 錨桿索支護(hù)巷道圍巖破裂演化過程Fig.6 Failure evolution process of surrounding rock with bolt-cable support

圖7 不同支護(hù)方式下巷道圍巖最終破壞形態(tài)Fig.7 Ultimate failure modes of surrounding rock with various support patterns

隨著荷載的增加，裂紋繼續(xù)發(fā)育，當(dāng)σ=1.34 MPa，右?guī)蛧鷰r出現(xiàn)大面積剝落，部分錨桿托盤與圍巖分離。當(dāng)σ=1.81 MPa，巷道圍巖片幫現(xiàn)象加劇，從兩底角處萌生的剪切滑移裂紋向下發(fā)育并在底板圍巖中心處搭接，巷道圍巖出現(xiàn)輕微底臌。峰值強(qiáng)度之后，由于錨桿的錨固作用，巷道圍巖仍然具有一定的承載能力，當(dāng)應(yīng)力跌落至1.62 MPa時，兩幫出現(xiàn)顯著片幫破壞，巷道圍巖整體失穩(wěn)。

由圖7(b)可以看出，由于錨桿的約束作用，圍巖頂板和幫部未出現(xiàn)顯著的剪切和拉伸裂紋，細(xì)小裂紋的萌生擴(kuò)展導(dǎo)致圍巖片幫剝落。錨桿錨固作用使得頂板和幫部圍巖整體強(qiáng)度和剛度有所提高，圍巖應(yīng)力傳遞至底板，造成底板圍巖產(chǎn)生拉伸裂紋，裂紋的擴(kuò)展貫通導(dǎo)致底板圍巖碎脹，產(chǎn)生底臌。

(3)錨桿索支護(hù)時，低荷載水平下(σ<0.90 MPa)，圍巖未發(fā)生明顯的變形破壞;當(dāng)σ=1.41 MPa，圍巖右側(cè)肩角處產(chǎn)生沿加載方向發(fā)展的拉伸裂紋;當(dāng)σ=1.64 MPa，右?guī)蛧鷰r出現(xiàn)大面積剝落，同時左側(cè)肩角圍巖萌生剪切裂紋;當(dāng)加載至1.87 MPa時，左側(cè)幫部圍巖發(fā)生片幫破壞，同時在兩個底角位置處產(chǎn)生向下發(fā)展的張拉裂紋。峰值強(qiáng)度之后，隨著頂?shù)紫鄬ξ灰频睦^續(xù)增加，應(yīng)力發(fā)生跌落，當(dāng)σ跌落至1.87 MPa，巷道頂板出現(xiàn)下沉，兩側(cè)肩部位置萌生眾多平行于巷道輪廓的裂紋群;當(dāng)σ=1.74 MPa，頂板整體下沉，圍巖失去承載能力。

由圖7(c)可以看出，在錨桿索作用下，巷道圍巖主要發(fā)生幫部和頂板的片狀剝落，底板圍巖萌生張拉裂紋。較強(qiáng)的錨固作用導(dǎo)致圍巖整體承載能力增加，在壓力拱范圍內(nèi)出現(xiàn)剪切滑移跡線并于巷道自由面貫通。破壞形態(tài)與其他學(xué)者關(guān)于應(yīng)力作用下圓形巷道剪切滑移的破壞特征是高度一致的[19-20]。

3 圍巖結(jié)構(gòu)破壞過程多源信息響應(yīng)

3.1 錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力演化特征

不同支護(hù)方式巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)加載全過程應(yīng)力演化特征如圖8所示，可以看出:對于無支護(hù)與錨桿支護(hù)，測點(diǎn)徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力均隨加載時間逐漸衰減，變化特征與錨固結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線呈負(fù)相關(guān)，表明錨固結(jié)構(gòu)在加載過程中，圍巖由于支護(hù)強(qiáng)度不足處于張拉或壓剪狀態(tài)，當(dāng)荷載超過其承載能力時出現(xiàn)裂紋萌生、擴(kuò)展及貫通，錨固結(jié)構(gòu)趨于破碎，圍巖應(yīng)力也隨之迅速釋放;而對于錨桿索支護(hù)，測點(diǎn)應(yīng)力與錨固結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線呈正相關(guān)，這是由于較大的支護(hù)強(qiáng)度限制圍巖受壓剪脹變形，圍巖應(yīng)力隨荷載的增加逐漸增大。此外，支護(hù)強(qiáng)度越大，圍巖錨固結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越高，越容易形成“壓力拱結(jié)構(gòu)效應(yīng)”，有效抑制巷道圍巖的變形破壞[21]。

3.2 表面位移場特征

通過高速相機(jī)連續(xù)拍攝巷道圍巖從加載至完全破壞全過程中位移場信息，獲得試驗(yàn)過程中任意時刻巷道圍巖位移矢量圖，如圖9～11所示(δ為巷道圍巖表面位移某個時刻的最大值)，可以看出:

圖8 圍巖錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力全過程演化規(guī)律Fig.8 Whole stress evolution process of surrounding rock anchoring structure

圖11 錨桿索支護(hù)巷道圍巖全過程位移場Fig.11 Whole process of displacement field of the roadway surrounding rock with bolt-cable support

(1)3種支護(hù)方式下，巷道圍巖均呈現(xiàn)頂板和肩角下沉量最大，兩幫移近量次之，底臌量最小。這是由于巷道圍巖承載結(jié)構(gòu)首先由頂板承擔(dān)，當(dāng)頂板圍巖下沉受拉破壞后，圍巖應(yīng)力傳遞至幫部圍巖，此時兩幫圍巖為主要承載結(jié)構(gòu)，幫部圍巖受壓剪切滑移破壞后，圍巖應(yīng)力傳遞至底板。

(2)與無支護(hù)相比，錨桿及錨桿索支護(hù)時，巷道圍巖累計變形量有所增大，這是由于支護(hù)形成的錨固結(jié)構(gòu)使巷道圍巖強(qiáng)度和剛度大幅提高，力的傳遞速度快且圍巖應(yīng)力分布相對均勻。錨固結(jié)構(gòu)破壞前與圍巖形成整體發(fā)揮協(xié)同承載作用，當(dāng)圍巖發(fā)生變形后支護(hù)結(jié)構(gòu)相繼發(fā)揮其支護(hù)阻力，使圍巖的抗張拉和抗壓剪能力大幅提高。

3.3 全過程電磁輻射特征

研究表明，煤巖體變形破裂過程中會產(chǎn)生電磁輻射信號，電磁輻射幅值、瞬時電磁輻射脈沖數(shù)和某段時間內(nèi)總電磁輻射脈沖數(shù)分別與煤巖體的載荷、損傷速率和損傷呈正相關(guān)系[22-23]?；诖?，試驗(yàn)過程中利用電磁輻射監(jiān)測技術(shù)分析不同支護(hù)形式下巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破裂全過程的信號特征，如圖12所示。由圖12可以看出:

(1)無支護(hù)巷道圍巖在初始加載階段，內(nèi)部孔隙、裂隙逐漸壓密，電磁輻射強(qiáng)度和脈沖值均較小且相對穩(wěn)定。隨著荷載的增加，裂紋萌生和擴(kuò)展導(dǎo)致電磁輻射強(qiáng)度和脈沖均迅速增加，當(dāng)圍巖出現(xiàn)肩部片狀剝落和底板拉伸裂紋時，電磁輻射強(qiáng)度和脈沖次數(shù)分別增大至24.53 mV和1 273。當(dāng)σ=0.86 MPa，右?guī)蛧鷰r出現(xiàn)片幫破壞，電磁輻射強(qiáng)度和脈沖急劇增大，表明在這個階段能量迅速釋放，裂紋迅速擴(kuò)展。隨后，電磁輻射強(qiáng)度和脈沖又逐漸下降并趨于平緩。當(dāng)σ=1.01 MPa，電磁輻射強(qiáng)度和脈沖又呈快速上升趨勢，這是由圍巖出現(xiàn)頂板整體下沉和較為嚴(yán)重的片幫破壞導(dǎo)致的。

(2)與無支護(hù)類似，加載初期，錨桿支護(hù)巷道圍巖電磁輻射強(qiáng)度和脈沖均處于穩(wěn)定階段。然而，在彈性變形階段，隨著荷載的增加，電磁輻射強(qiáng)度和脈沖均呈緩慢增加趨勢，分析原因可能是因?yàn)殄^桿與圍巖接觸面在加載過程中出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，由此，錨桿支護(hù)初期對圍巖并未起到加強(qiáng)作用，反而對完整巖體造成損傷。當(dāng)σ=1.32 MPa，巷道右側(cè)幫部出現(xiàn)片狀剝落和底臌現(xiàn)象，電磁輻射強(qiáng)度達(dá)到最大，此后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。在即將達(dá)到峰值強(qiáng)度時，電磁輻射強(qiáng)度和脈沖呈現(xiàn)較大波動，表明該階段巷道圍巖單位時間內(nèi)破壞次數(shù)增加。

圖12 巷道圍巖破壞全過程電磁輻射特征Fig.12 Electromagnetic radiation characteristics in the whole roadway failure process

(3)錨桿索支護(hù)初期，電磁輻射較為穩(wěn)定，在14.5 mV左右。當(dāng)σ=0.93 MPa，電磁輻射強(qiáng)度與脈沖均大幅增加，該時刻對應(yīng)巷道頂板出現(xiàn)片狀剝落，能量釋放導(dǎo)致頂板圍巖破壞程度和破壞頻次顯著增大，此后電磁輻射強(qiáng)度出現(xiàn)緩慢下降過程，并維持在較小的波動水平。當(dāng)頂板荷載增加至峰值強(qiáng)度時，電磁輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)急劇增大趨勢，且峰后特征較為明顯。

3.4 聲發(fā)射特征

不同支護(hù)方式下巷道圍巖全過程聲發(fā)射特征如圖13所示。由圖13可以看出，初始壓密階段，聲發(fā)射現(xiàn)象并不明顯，累積振鈴計數(shù)呈緩慢上升趨勢。隨著荷載的增加，聲發(fā)射事件呈零星增大現(xiàn)象，這是由巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋萌生及擴(kuò)展造成的。在彈性變形階段沒有發(fā)生較大的聲發(fā)射事件，表明該階段巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)并未發(fā)生顯著的破裂過程，沒有明顯的能量釋放。在峰值強(qiáng)度前試樣進(jìn)入非穩(wěn)定破壞階段，圍巖錨固體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展迅速，聲發(fā)射活動變得異?；钴S，在應(yīng)力跌落時，圍巖錨固體釋放大量能量，聲發(fā)射次數(shù)顯著增加，累計聲發(fā)射曲線陡然垂直上升。對于無支護(hù)，在巷道圍巖整體破壞的瞬間累計聲發(fā)射計數(shù)達(dá)到最大值，表明無支護(hù)巷道圍巖具有較大的脆性，圍巖整體破壞的瞬間釋放大量彈性能;而錨桿/錨桿索支護(hù)時巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)因較大的塑性而呈現(xiàn)漸進(jìn)破壞特征，在圍巖錨固結(jié)構(gòu)破壞過程中能量逐漸釋放。

圖13 巷道圍巖破壞全過程聲發(fā)射特征Fig.13 Acoustic emission characteristics in the whole roadway failure process

3.5 視電阻率響應(yīng)

直流電法作為物探的一種手段，被廣泛應(yīng)用于煤礦等地下探水、地質(zhì)構(gòu)造等探測預(yù)報中[24]，而在地質(zhì)力學(xué)模型中對巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)破壞監(jiān)測的應(yīng)用研究成果較少。因此，筆者基于直流電法的基本原理，將并行電法應(yīng)用到模型試驗(yàn)中，通過布置監(jiān)測點(diǎn)，分析不同支護(hù)巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)破壞過程的視電阻率響應(yīng)，嘗試監(jiān)測巷道圍巖內(nèi)部裂隙擴(kuò)展貫通及破裂演化過程，為深部地下工程圍巖穩(wěn)定監(jiān)測技術(shù)提供一個新思路。

試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)采用WBD2.0網(wǎng)絡(luò)并行電法數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理并錄入測線坐標(biāo)，得到巷道圍巖破壞全過程視電阻率剖面，選取視電阻率變化明顯的剖面進(jìn)行分析(圖14～16)。

圖14 無支護(hù)巷道圍巖剖面視電阻率分布Fig.14 Apparent resistivity distribution in the cross-section of roadway surrounding rock without support

圖15 錨桿支護(hù)巷道圍巖剖面視電阻率分布Fig.15 Apparent resistivity distribution in the cross-section of roadway surrounding rock with anchor bolt support

圖16 錨桿索支護(hù)巷道圍巖剖面視電阻率分布Fig.16 Apparent resistivity distribution in the cross-section of roadway surrounding rock with anchor bolt cable support

由圖14可以看出，無支護(hù)時，在加載初期，巷道圍巖四周應(yīng)力不斷調(diào)整，遠(yuǎn)離巷道洞壁區(qū)域應(yīng)力集中導(dǎo)致模型相似材料經(jīng)壓實(shí)后視電阻率降低成為低阻區(qū)，而巷道周圍圍巖由于開挖卸荷裂隙發(fā)育導(dǎo)致視電阻率升高成為高阻區(qū)。當(dāng)t=2 400 s，巷道周圍及左右肩部高阻區(qū)范圍有所擴(kuò)大，表明這些區(qū)域出現(xiàn)大量裂隙擴(kuò)展貫通。遠(yuǎn)離巷道區(qū)域圍巖由于應(yīng)力繼續(xù)集中，視電阻率降低。當(dāng)t=7 600 s，巷道周圍圍巖裂隙密度和開度大幅增加，導(dǎo)電能力顯著降低，視電阻率升高。隨著頂板應(yīng)力的繼續(xù)增加，巷道圍巖進(jìn)一步破裂演化，裂隙持續(xù)擴(kuò)展貫通導(dǎo)致松散破裂圍巖持續(xù)發(fā)育，高阻區(qū)范圍擴(kuò)大;加載至完全破壞時，巷道右肩斜向上區(qū)域和頂板上覆巖層出現(xiàn)沿加載方向的高阻區(qū)，表明有開度較大的裂隙貫穿巷道頂板圍巖，這與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)際破壞形態(tài)基本吻合。

由圖15可以看出，錨桿支護(hù)時，在加載初期，由于錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)埋鉛絲錨桿，導(dǎo)電效果較好，導(dǎo)致該區(qū)域?yàn)榈妥鑵^(qū)。當(dāng)t=1 800 s，錨固結(jié)構(gòu)底板和錨固區(qū)域外圍巖內(nèi)部大量裂隙萌生，導(dǎo)致該區(qū)域?qū)щ娔芰档?，視電阻率增?隨著荷載的增加，錨固區(qū)域內(nèi)部裂隙萌生發(fā)育，區(qū)域視電阻率持續(xù)升高，當(dāng)t=7 070 s，錨固區(qū)域內(nèi)低阻現(xiàn)象基本消失，表明大量裂隙擴(kuò)展貫通導(dǎo)致圍巖松散破裂，導(dǎo)電能力嚴(yán)重劣化，同時錨固區(qū)外高阻區(qū)范圍也持續(xù)增加;當(dāng)t=8 990 s，巷道錨固結(jié)構(gòu)頂板大量裂隙貫通，同時底角位置處剪切滑移，頂板和幫部圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重冒落破壞，高阻區(qū)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

由圖16可以看出，錨桿索支護(hù)時，在加載初期，錨固區(qū)域內(nèi)視電阻率與錨桿支護(hù)相比更小，而低阻區(qū)范圍更大。當(dāng)t=8 030 s，錨固區(qū)范圍內(nèi)視電阻率明顯增大，表明錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)部已萌生大量裂隙，并且裂隙出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，同時錨固范圍外部區(qū)域的兩側(cè)肩部和底板出現(xiàn)高阻區(qū)，表明這些區(qū)域也出現(xiàn)損傷破裂;當(dāng)t=11 513 s，錨固范圍內(nèi)的低阻現(xiàn)象基本消失，錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)部嚴(yán)重破壞，裂隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)育，同時錨固結(jié)構(gòu)底角位置發(fā)生開裂成為高阻區(qū);當(dāng)加載至結(jié)構(gòu)完全失穩(wěn)時，巷道底角處的拉伸裂紋密度和開度明顯增多增大，同時巷道肩角處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，這些區(qū)域發(fā)育為高阻區(qū)，視電阻率響應(yīng)特征與模型破壞形態(tài)是基本一致的。

4 結(jié) 論

(1)自主研發(fā)了模擬深部巷道圍巖結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)全過程試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用位移傳感器閉環(huán)控制加載，速率為0.02 mm/s，配備了數(shù)字照相、地電、聲發(fā)射和電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)，以獲得圍巖結(jié)構(gòu)從承載至變形破壞全過程荷載-位移曲線及多源信息響應(yīng)特征。以口孜東礦-967 m水平西翼軌道大巷為背景，開展了不同支護(hù)方式巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)承載特性及變形破裂特征試驗(yàn)研究。

(2)隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)峰值強(qiáng)度及抵抗變形能力均有所增大，圍巖越容易形成穩(wěn)定的“壓力拱”結(jié)構(gòu)，荷載作用下，頂板及肩部圍巖的變形響應(yīng)最為敏感，兩幫次之。圍巖錨固結(jié)構(gòu)隨支護(hù)強(qiáng)度的增加逐漸由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)化，無支護(hù)巷道圍巖以張拉破壞為主，錨桿及錨桿索支護(hù)下，錨固結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度得到大幅度提高，呈現(xiàn)壓剪滑移破壞。

(3)支護(hù)強(qiáng)度越大，巷道圍巖錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)部單位時間破壞次數(shù)越少，電磁輻射強(qiáng)度及脈沖數(shù)均逐漸減弱。聲發(fā)射特征與荷載-位移曲線具有良好的對應(yīng)關(guān)系，在峰前非穩(wěn)定破壞階段，隨著錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂紋萌生擴(kuò)展，聲發(fā)射活動異?；钴S。隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，錨固結(jié)構(gòu)高阻區(qū)的形成時間變大而范圍變小，電阻率分布形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。