莊 通，楊富強(qiáng)，趙啟峰，姜士源，楊學(xué)紅，劉 江

（1. 華北科技學(xué)院礦山安全學(xué)院，北京東燕郊 065201；2. 鄂爾多斯市昊華精煤有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017205）

0 引言

巷道圍巖巖體經(jīng)風(fēng)氧化作用后，承載能力減弱，造成圍巖穩(wěn)定性控制困難，易形成重大安全隱患。 探究風(fēng)氧化巷道圍巖變形失穩(wěn)機(jī)理，優(yōu)化補強(qiáng)支護(hù)方案設(shè)計，是煤炭資源開采中亟須解決的難題之一。 對此，學(xué)者們進(jìn)行了廣泛的基礎(chǔ)理論研究和工程實踐創(chuàng)新。 趙啟峰等對風(fēng)氧化巷道變形失穩(wěn)垮冒機(jī)理進(jìn)行了深入研究［1］。 王崇智對風(fēng)氧化帶進(jìn)行注漿加固控制，取得了良好的效果［2］。 魯?shù)仑S等提出了綜放工作面過風(fēng)氧化帶安全開采技術(shù)，并采用數(shù)值模擬進(jìn)行了驗證［3］。王成等提出錨桿強(qiáng)化控制技術(shù)和滯后注漿加固技術(shù)，有效控制巷道圍巖泥化進(jìn)程［4］。 李曉鵬分析了風(fēng)氧化軟巖巷道變形機(jī)理，提出了聯(lián)合支護(hù)方案進(jìn)行圍巖控制［5］。 孟敏研究發(fā)現(xiàn)，中空錨索注漿有利于頂板巖體形成穩(wěn)固支護(hù)圈，有效實現(xiàn)頂板穩(wěn)定性控制［6］。 但是由于風(fēng)氧化巷道現(xiàn)場環(huán)境的危險性，進(jìn)行原位測試研究存在實際困難，同時，真實巖體獲取、加工成模型較為困難，對此，相關(guān)學(xué)者開展了大量室內(nèi)試驗和模擬研究。 王杜虎利用FLAC 模擬確定了風(fēng)氧化帶下軟巖大斷面切巷的施工方法和支護(hù)工藝［7］。 師皓宇等通過對比試驗提出采用馬麗散對風(fēng)氧化帶進(jìn)行間歇式注漿，取得了良好的施工效果和經(jīng)濟(jì)效益［8］。 羅勇等采用相似模擬分析，針對風(fēng)氧化帶提出了整體注漿改性技術(shù)［9］。 鄢德恒利用相似模擬等手段針對風(fēng)氧化帶復(fù)合頂板提出大跨度擴(kuò)切眼施工技術(shù)，大幅提高施工效率［10］。 由于不同風(fēng)氧化程度巖體不能由傳統(tǒng)配比的相似材料進(jìn)行表征，針對這一缺陷，本研究重新設(shè)計了材料配比，通過自主研制相似模擬平臺，引入數(shù)字散斑技術(shù)、聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，圍繞不同風(fēng)氧化程度巷道圍巖變形失穩(wěn)的差異性，進(jìn)行風(fēng)氧化巷道圍巖變形失穩(wěn)破壞實驗，對失穩(wěn)過程及破壞特征進(jìn)行分析探究。

1 工程概況

某礦輔助運輸巷屬于典型的風(fēng)氧化頂板突變垮冒致災(zāi)型巷道，以此巷道為原型進(jìn)行相關(guān)研究。依據(jù)強(qiáng)度衰減、變異系數(shù)等參數(shù)對風(fēng)氧化巖體變異程度進(jìn)行定量評估，可以分為五種類型，即：未風(fēng)氧化、微風(fēng)氧化、弱風(fēng)氧化、中等風(fēng)氧化和強(qiáng)風(fēng)氧化［11］。 通過現(xiàn)場取樣和室內(nèi)實驗，獲得風(fēng)氧化巷道圍巖各項力學(xué)參數(shù)，如圖1 所示。

圖1 煤樣和巖體的物理力學(xué)參數(shù)

弱風(fēng)氧化、中等風(fēng)氧化、強(qiáng)風(fēng)氧化巷道頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)變化趨勢，如圖2 所示。 可以看出，隨著風(fēng)氧化程度由弱至強(qiáng)，密度逐漸降低，體積模量、剪切模量、抗拉強(qiáng)度和粘聚力快速減小，內(nèi)摩擦角逐漸減小，滲透系數(shù)和孔隙率逐漸增大。 表明隨著風(fēng)氧化作用加劇，巖體強(qiáng)度快速降低，孔隙率增大，內(nèi)部裂隙發(fā)育，整體呈現(xiàn)松散狀，遇水軟化、泥化，失去承載作用。

2 相似模擬實驗

2.1 實驗平臺

通過自主研發(fā)實驗平臺，對風(fēng)氧化巷道變形破壞進(jìn)行了相似模擬，從宏觀角度分析圍巖破壞的差異性。 如圖3 所示，實驗平臺由相似模擬裝置、數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)兩部分組成。 相似模擬裝置采用液壓伺服裝置驅(qū)動上壓頭進(jìn)行加載，同時記錄壓頭位移、加載力等數(shù)據(jù)，加載過程中利用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)采集聲發(fā)射事件信息，利用數(shù)字散斑系統(tǒng)采集圍巖變形信息。

圖3 自研相似模擬實驗平臺

相似模擬以及聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集裝置實物如圖4 所示。

2.2 實驗準(zhǔn)備

為保證實驗測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行可靠性測試，獲得測量誤差控制范圍。實驗數(shù)據(jù)及誤差分析見表1。 可見，傳感器監(jiān)測形變量與頂板位移量呈線性關(guān)系，由采樣電壓值進(jìn)行分析計算得到位移量，與實驗開挖的頂板位移量可靠對應(yīng)。

表1 巷道內(nèi)部位移監(jiān)測傳感裝置綜合測試數(shù)據(jù)

模型均不考慮巖土體蠕變性質(zhì)，模型幾何相似比為1 ∶100，容重相似比為1 ∶1.5，應(yīng)力相似比為1∶150，滲透系數(shù)相似比為1∶10，時間相似比為1∶10。

該輔助運輸巷寬5.0 m、高3.5 m，相似模擬模型中設(shè)置巷道尺寸為寬50 mm、高35 mm。 實驗根據(jù)不同風(fēng)氧化程度及不同巖層力學(xué)參數(shù)，共制作強(qiáng)風(fēng)氧化、中等風(fēng)氧化、弱風(fēng)氧化3 類巷道模型。 按照由近及遠(yuǎn)的順序開挖，單次進(jìn)尺5 cm，共進(jìn)行四次開挖，總進(jìn)尺20 cm。 實驗開始前對模型進(jìn)行定焦拍攝作為參考，開始開挖后，以20 s 為間隔進(jìn)行自動圖像采集。 聲發(fā)射監(jiān)測、應(yīng)變監(jiān)測采用連續(xù)采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)同步存儲。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 不同風(fēng)氧化程度巷道頂板變形破壞演化過程

（1） 弱風(fēng)氧化。 巷道初始開挖，受掘進(jìn)擾動影響，頂板原有裂隙壓密、新裂紋發(fā)育、漸進(jìn)擴(kuò)展。實驗時間為1 min，第一次開挖完成，進(jìn)尺5 cm，頂板變形量為0.14 mm。 隨著頂板裂隙發(fā)育、擴(kuò)展，模型內(nèi)部應(yīng)力作用加劇，頂板變形量驟增。 實驗時間為21 min，進(jìn)尺15 cm，頂板變形量增大至0.649 mm。 隨著開挖進(jìn)行（開挖15 cm 至20 cm），迎頭位置逐漸遠(yuǎn)離監(jiān)測點，監(jiān)測點處頂板變形量驟增趨勢減緩，變形量增速進(jìn)入相對穩(wěn)定平緩階段，變形量由0.649 mm 增大至0.689 mm。 可見，弱風(fēng)氧化巷道頂板的破壞過程可分為三個階段：裂隙發(fā)育階段、形變驟增階段、漸進(jìn)趨穩(wěn)階段。 推測成因為頂板巖體受風(fēng)氧化影響不顯著，承載能力未明顯弱化，在一定程度上減緩了頂板急劇變形，降低了頂板變形量增速，使變形過程處于可控范疇。 漸變趨穩(wěn)型頂板變形破壞過程如圖5所示。

圖5 弱風(fēng)氧化巷道圍巖變形宏觀破壞特征（漸變趨穩(wěn)型）

（2） 中等、強(qiáng)風(fēng)氧化。 隨著開挖進(jìn)行，頂板變形破壞經(jīng)過上述3 個階段后并未趨于穩(wěn)定，而是進(jìn)入突變激增狀態(tài)，導(dǎo)致頂板失去自承載能力，發(fā)生大變形突變垮冒事故，如圖6 所示。

圖6 中等、強(qiáng)風(fēng)氧化程度下巷道圍巖變形破壞特征（突變垮冒型）

2.3.2 巷道模型加載全過程聲發(fā)射特征分析

（1） 能量特征。 如圖7 所示，強(qiáng)風(fēng)氧化、中等風(fēng)氧化、弱風(fēng)氧化聲發(fā)信號能量值分別為8.79×104mv，1.26×104mv 和5.86×103mv，可見，相比于弱風(fēng)氧化模型，強(qiáng)、中等程度風(fēng)氧化模型聲發(fā)射信號能量值顯著增強(qiáng)，表明在失穩(wěn)垮冒過程中，強(qiáng)、中等風(fēng)氧化模型的強(qiáng)度高，而弱風(fēng)氧化模型強(qiáng)度低。

圖7 不同風(fēng)氧化程度的聲發(fā)射信號能量值統(tǒng)計

（2） 振鈴計數(shù)特征。 如圖8 所示，強(qiáng)風(fēng)氧化振鈴計數(shù)值為5.12×104，中等風(fēng)氧化振鈴計數(shù)值為8.41×103，弱風(fēng)氧化聲發(fā)信號振鈴計數(shù)值為1.84×103，可見，在模型破壞過程中，強(qiáng)風(fēng)氧化和中等風(fēng)氧化模型產(chǎn)生的振鈴事件較多，突變垮冒尺度較大，而弱風(fēng)氧化模型振鈴事件較少，表征突變垮冒尺度較小。

圖8 不同風(fēng)氧化程度的信號振鈴數(shù)統(tǒng)計

綜上，模型隨著風(fēng)氧化程度由弱風(fēng)氧化至中等風(fēng)氧化、強(qiáng)風(fēng)氧化，聲發(fā)射信號能量、振鈴計數(shù)呈現(xiàn)也由低至高變化的特征，表明模型內(nèi)部裂紋發(fā)育由梯度累積擴(kuò)展逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚?qiáng)度、大尺度的增速擴(kuò)展，突變垮冒。

3 不同風(fēng)氧化程度巷道控制對策

針對不同風(fēng)氧化程度巷道的變形破壞特征和演化規(guī)律，可采取以下對策進(jìn)行補強(qiáng)加固：

（1） 原始未風(fēng)氧化巷道頂板在原支護(hù)下可保持自身穩(wěn)定，無需補強(qiáng)措施；

（2） 弱風(fēng)氧化巷道頂板屬于漸變趨穩(wěn)型頂板，可在原有支護(hù)基礎(chǔ)上，采用間歇性注漿工藝進(jìn)行補強(qiáng)加固；

（3） 中等、強(qiáng)風(fēng)氧化巷道頂板屬于突變致災(zāi)型頂板，在原有支護(hù)基礎(chǔ)上，采用間歇性注漿和格柵鋼架錨噴聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行補強(qiáng)加固。

4 結(jié)論

（1） 自研相似模擬實驗平臺進(jìn)行模擬實驗，發(fā)現(xiàn)：弱風(fēng)氧化巷道頂板變形演化過程可劃分為“裂隙發(fā)育、形變驟增、漸進(jìn)趨穩(wěn)”三階段；中等、強(qiáng)風(fēng)氧化程度巷道頂板變形經(jīng)歷上述三個階段后進(jìn)入突變激增狀態(tài)，頂板發(fā)生突變失穩(wěn)垮冒。

（2） 聲發(fā)射信號特征與變形量特征相符，表明對不同風(fēng)氧化程度巷道頂板變形演化過程階段劃分合理。

（3） 針對不同風(fēng)氧化程度巷道的變形破壞特征和演化規(guī)律，提出了對應(yīng)補強(qiáng)措施。