王國強，謝 磊

(榆林市榆神煤炭榆樹灣煤礦有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

深部巖體開挖工程需要面對高地溫、高地壓和高滲透壓等難題，因此深埋巷道圍巖的變形與破壞特征更加復雜[1-3]。在采動應力和原地應力的作用下，礦井圍巖極易發(fā)生變形破壞，且其變形具有明顯的流變特性，對巷道安全造成極大的威脅[4-5]。因此，研究采動影響下煤礦深埋巷道圍巖的力學性質和變形特性對保證煤礦安全具有重要意義。

馬念杰等[6]系統(tǒng)分析了深部采動巷道冒頂事故原因和影響因素，并指出頂板穩(wěn)定性是由圍巖最大破壞深度和潛在冒落高度決定的；進一步提出一種可接長錨桿支護技術，起到了有效控制頂板變形的效果。謝福星等[7]深入研究了開挖影響下煤巷圍巖變形特征，并指出煤巷圍巖破壞具有明顯的不對稱性；進一步提出新型高預應力錨桿索桁架非對稱控制技術，有效控制了煤巷圍巖的變形。王猛等[8]指出迎采動面巷道圍巖的大變形特性，并指出提高煤柱及頂板的支護強度能夠有效提升巷道整體穩(wěn)定性。

綜上，現(xiàn)有成果多缺乏對采動荷載影響下圍巖力學特性和變形特征的研究。因此，以榆樹灣煤礦某開采面運輸巷道為例深入分析深埋巷道的圍巖應力分布特征，并展開3種不同應力路徑下的圍巖真三軸試驗，以期得到不同影響因素下深埋巷道圍巖的力學參數(shù)和變形特征。

1 工程背景

1.1 工程概況

榆樹灣煤礦位于我國鄂爾多斯高原東北部，是我國的特大型礦井之一。煤礦內(nèi)5層可采煤層共獲得保有資源儲量170 615萬t，設計生產(chǎn)能力8.0 Mt/a。榆神礦區(qū)榆樹灣井田勘探面積113.82 km2，榆樹灣煤礦含煤地層傾角在1°～3°之間，平均傾角1.5°，有小斷層發(fā)育。構造復雜程度為簡單構造。此外，礦井水害來源主要是煤系上覆基巖裂隙水和老空區(qū)積水，榆樹灣煤礦采區(qū)抽排措施可以保障礦井的安全。

1.2 深埋巷道變形行為分析

深部巖體開挖工程需要面對高地溫、高地壓和高滲透壓等難題，因此深埋巷道圍巖的變形與破壞特征更加復雜。在采動應力和原地應力的作用下，礦井圍巖極易發(fā)生變形破壞，且其變形具有明顯的流變特性。圖1為榆樹灣煤礦某工作面上巷道的變形特征示意圖，該運輸巷的底板及兩幫發(fā)生了明顯的變形，其中，底板下沉變形量達600 mm，幫部鼓出變形量達到1 200 mm。此外，該巷道也出現(xiàn)了臺階式幫鼓和頂板下沉等問題，巷道圍巖的大變形導致錨桿、錨索等支護結構的破壞失效，嚴重影響礦井長期生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

圖1 深埋巷道大變形行為

2 煤巖力學響應試驗

2.1 試驗設計

在巷道開挖和強采動荷載的作用下，深埋巷道處于應力加卸載狀態(tài)[9]，因此導致巷道圍巖損傷破裂，如圖2所示。考慮到巷道圍巖所處的力學狀態(tài)，利用GCTS巖石真三軸試驗設備對巷道圍巖試樣展開了3種不同應力路徑下的力學試驗，加載應力路徑分別為：σ2=0.45σc，σ3=0，軸向荷載σ1按照20 kN/min的加載速率加載；σ2=0.45σc，σ3=0.20σc，軸向荷載σ1按照20 kN/min的加載速率加載；σ2=0.45σc，σ3=0.20σc，軸向荷載σ1按照20 kN/min的加載速率加載到80%σc后卸軸壓σ1、增圍壓σ2、保持σ3不變。巷道圍巖試樣為取自榆樹灣煤礦深部的泥巖試樣，室內(nèi)參考《工程巖體試驗方法標準》[10]，將其精加工成高度為150 mm的立方體巖石試樣。

圖2 采動影響下巷道圍巖應力路徑

2.2 力學試驗結果分析

2.2.1 試驗結果

基于采動影響下不同部位圍巖所處的應力狀態(tài)設置了3種不同應力路徑下的真三軸試驗，試驗結果如圖3所示。由圖可知，不同應力路徑下泥巖的應力應變曲線均可以劃分為4個階段：孔隙壓密階段、彈性階段、屈服階段和峰后殘余階段。在構造作用、采動影響、取樣等因素的影響下，室內(nèi)泥巖試樣內(nèi)部產(chǎn)生了一定數(shù)量的原生孔隙，因此在三向荷載的作用下內(nèi)部孔隙逐漸壓密。隨著最大主應力的提高，圍巖進入彈性變形階段，應力-應變曲線近似直線，此階段巖石內(nèi)部裂紋生長緩慢。屈服階段巖石內(nèi)部裂紋快速擴展并相互貫通，直至達到峰值強度后泥巖試樣出現(xiàn)宏觀斷裂，試樣完全破壞。破壞后的泥巖試樣仍具有一定的承載力，但泥巖的殘余強度較低[11-12]。

2.2.2 結果分析

進一步對比不同應力路徑下泥巖的承載能力和變形特性。由圖3可知，在雙軸加載應力條件下，泥巖的抗壓強度為15.52 MPa，殘余強度為2.75 MPa，峰值點應變?yōu)?.95%；在三軸加載應力條件下，泥巖試樣的抗壓強度為20.08 MPa，殘余強度為12.17 MPa，峰值點應變?yōu)?.21%；在三軸加卸載應力條件下，泥巖試樣的抗壓強度為16.15 MPa，峰值點應變?yōu)?.32%。綜上所述可知，受開挖影響，巷道自由面圍巖的承載能力最差，其抗壓強度較三向地應力條件下巖石低22.71%、殘余強度僅達22.60%，由此可見，對巷道圍巖進行支護十分重要。此外，巷道圍巖的脆性程度較高，其峰值點應變僅達到1.95%，小于三軸應力條件下的泥巖試樣。此外，受采動應力影響，三軸加卸載條件下泥巖的抗壓強度較三軸應力條件下降低19.57%，這表明采動應力對圍巖的承載能力造成了顯著的劣化作用，在采動應力的作用下，圍巖具有更強的失穩(wěn)破壞傾向性。

圖3 不同應力路徑下圍巖應力-應變曲線

2.3 圍巖破壞特征分析

圖4為不同應力路徑下圍巖的破壞形態(tài)，由圖可知，雙軸加載條件下泥巖呈現(xiàn)出明顯的分層破壞現(xiàn)象，且其主要破壞方式剪切破壞以及張拉破壞，泥巖試樣表面出現(xiàn)明顯的張拉和剪切裂紋，試樣破化程度較高。真三軸加載條件下，試樣的破壞裂紋呈X型共軛剪切裂紋，泥巖的破壞形式仍為張拉和剪切的綜合，但可以觀察到，相較于雙軸加載試樣，三軸試樣的完整度較高、表面裂紋數(shù)目較少，這表明三軸條件下試樣的脆性程度要低于雙軸加載，這也與試樣的殘余強度更高的試驗結果相一致。在真三軸加卸載條件下，泥巖同樣出現(xiàn)分層破壞現(xiàn)象，且破壞后試樣表面裂紋數(shù)目較多、貫通程度高，試樣破壞嚴重。綜上所述可知，在不同應力路徑條件下，三軸加載破壞后的泥巖試樣完整性較高且殘余強度較高，而雙軸加載和加卸載條件下的試樣表現(xiàn)出明顯的脆性破壞現(xiàn)象，巖石變形破壞特征明顯。因此可見，在深埋巷道中，自由面的圍巖容易發(fā)生變形破壞，且采用應力加劇了圍巖的變形破壞傾向，需要大幅加強巷道支護。

圖4 不同應力路徑下圍巖破壞特征示意

3 結論

(1)榆樹灣煤礦某工作面運輸巷的底板及兩幫發(fā)生了明顯的變形，其中，底板下沉變形量達600 mm，幫部鼓出變形量達到1 200 mm。此外，該巷道也出現(xiàn)了臺階式幫鼓和頂板下沉等問題。

(2)巷道自由面圍巖的承載能力與變形特性均劣于三向應力條件下的圍巖，且采動荷載能夠大幅劣化圍巖的力學性質。

(3)雙軸加載和三軸加卸載條件下泥巖破壞后試樣破碎化程度高，且出現(xiàn)明顯的分層破壞現(xiàn)象。三軸加載條件下泥巖破壞后完整性強，表面僅有一組X型共軛裂紋。