沖擊波作用下巷道破壞規(guī)律相似模擬研究

呂祥鋒， 潘一山， 李忠華， 代樹(shù)紅

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

隨著我國(guó)煤礦資源開(kāi)采逐漸向深部發(fā)展，沖擊地壓的發(fā)生頻次越來(lái)越多，其危害性也愈加增大，造成巷道圍巖破壞、垮塌及人員傷亡事故，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成極大的危害［1，2]。因此，沖擊地壓巷道圍巖破壞問(wèn)題成為我國(guó)深部資源開(kāi)發(fā)亟需解決的研究課題。近些年來(lái)，我國(guó)力學(xué)工作者對(duì)爆炸載荷作用下巖石裂紋擴(kuò)展、變形及破壞方面做了大量有意義的理論和試驗(yàn)研究。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)李清等［3]分析了爆炸沖擊載荷作用下裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，初步得到了裂紋擴(kuò)展是爆炸卸載破壞的結(jié)論;錢七虎、王明洋等［4]考慮巖石的構(gòu)造特點(diǎn)，對(duì)爆炸沖擊載荷作用下巖石的動(dòng)力變形與破壞特征進(jìn)行了理論分析，并利用數(shù)值手段研究了爆炸荷載作用下塊體運(yùn)動(dòng)和變形的基本規(guī)律。但對(duì)于高速?zèng)_擊載荷作用下的巷道圍巖裂縫發(fā)展、變形和破壞試驗(yàn)研究還很少，其機(jī)理和破壞規(guī)律還不夠清晰。因此，研究高速?zèng)_擊載荷作用下巷道破壞規(guī)律，對(duì)于深部煤礦安全開(kāi)采具有指導(dǎo)意義。

通過(guò)高速?zèng)_擊載荷作用下巷道變形與破壞規(guī)律的試驗(yàn)研究，分析不同炮孔位置和不同藥量對(duì)巷道變形、破壞的影響，再現(xiàn)深部煤礦開(kāi)采過(guò)程中沖擊地壓巷道破壞特征，尋求沖擊載荷作用下巷道裂縫發(fā)展、變形和破壞規(guī)律。從而為深部煤礦安全開(kāi)采提供技術(shù)支持。

1 相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 相似模型

(1)幾何相似

根據(jù)研究的實(shí)際情況和試驗(yàn)條件［5－8]，模擬巷道試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇比尺為1∶30，即將原模型縮小為1/30，各基本物理量滿足以下比例關(guān)系:

式中，LH和LM分別代表原型和模型長(zhǎng)度，m。αL為相似長(zhǎng)度比尺。

(2)動(dòng)力相似

考慮重力作用影響，要求重力相似。在幾何相似條件下對(duì)重力相似，還要求 γH和 γM的比尺 αγ為常數(shù)，則:

式中，γH和γM分別為原型和模型的巖層視密度，g/m3;σH和σM分別為原型和模型巖層單向抗壓強(qiáng)度，MPa;αγ為視密度比尺;ασ為抗壓強(qiáng)度比尺。

設(shè)PH、VH和PM、VM分別表示原型和模型對(duì)應(yīng)部分的重力和體積，可知:

則:

模型配比滿足上式(1)、式(2)、式(3)和式(6)，即可滿足動(dòng)力相似條件。

根據(jù)以上各參數(shù)比尺關(guān)系，可得模型上相應(yīng)的參數(shù)量:

(3)相似材料配比

相似材料模型選取硅砂、碳酸鈣和石膏按照規(guī)定的抗壓強(qiáng)度配比作為骨料，加以適量配有緩凝劑的蒸餾水溶液，攪拌均勻后，按照模型尺寸進(jìn)行填裝建模。模型從下至上分為粉砂巖、中粗砂巖、細(xì)砂巖、煤層、細(xì)砂巖、中粒砂巖、礫巖和泥巖，視密度為1.5 g/cm3。硅砂粒徑在50目～100目，層間云母粉分層，每次裝填厚度為5 mm～20 mm。

(4)模擬方案模型尺寸及炮孔布置

相似模擬模型尺寸為:1 500 mm×1 100 mm×200 mm，巷道尺寸為:￠150 mm×200 mm。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀蜗嗨票葹?∶30，模擬了實(shí)際開(kāi)采煤層長(zhǎng)度為45 m，圓形巷道直徑為4.5 m，與煤礦現(xiàn)場(chǎng)情況基本一致?？紤]到試驗(yàn)中的尺寸效應(yīng)問(wèn)題，巷道特征尺寸與巷道距模型邊界的距離之比值偏大，可減小試驗(yàn)結(jié)果誤差。模擬巷道上方?jīng)_擊來(lái)壓作用，炮孔均勻布置巷道上方區(qū)域，共設(shè)置4個(gè)炮孔，間距為50 mm，炮孔軸向與巷道軸向平行，根據(jù)不同爆炸方案要求，每炮孔裝藥量為1.5 g～4.0 g，炮孔長(zhǎng)度為60 mm，距模型正背面各70 mm，也降低鋼護(hù)板對(duì)應(yīng)力波傳播作用的影響。模型炮孔布置如圖1所示，模擬方案如表1所示。

圖1 炮孔位置示意圖Fig.1 Sketch map of the loaded holes

表1 相似模擬試驗(yàn)方案Tab.1 Analogy simulation testing programs

(5)相似模擬模型

模型兩側(cè)面全約束，正面為自由面，背面為水平約束。爆炸試驗(yàn)中，炮孔位置作用力最大，為防止破碎塊體四處飛濺影響散斑觀測(cè)結(jié)果，正面和背面鋼護(hù)板與模型表面略微接觸，但不會(huì)影響沖擊載荷對(duì)模型材料的破壞作用。模型前、后兩面采用寬200 mm的可拆卸槽鋼護(hù)板對(duì)模型進(jìn)行定型，并利用巖層自重模擬初試地應(yīng)力。相似模型如圖2所示。

1.2 爆炸參數(shù)確定

爆破相似模擬試驗(yàn)需要滿足動(dòng)力相似，假設(shè)爆炸應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)只受爆炸能量的影響，原型和模型在幾何、時(shí)間和強(qiáng)度上相似，即:

圖2 相似材料模型簡(jiǎn)圖Fig.2 Diagram of model experiment

式中，RH、RM，tH、tM和 σ'H、σ'M分別為原型和模型爆炸中的長(zhǎng)度、時(shí)間和應(yīng)力。

相似試驗(yàn)中，選擇比尺為1∶30，用能量相似定律確定用藥量，即:

式中，WH、WM和QH、QM分別為原型和模型爆炸用藥量和炸藥能量。

試驗(yàn)過(guò)程中，選用硝銨炸藥作為試驗(yàn)用藥，并采用特制雷管為起爆用藥。模型爆破區(qū)域?yàn)?00 mm×400 mm×200 mm，沖擊地壓釋放能量約為 2.0 MJ～20.0MJ，根據(jù)能量相似條件，采用衡量炸藥對(duì)外做功的爆力值代替炸藥能量進(jìn)行相似計(jì)算，實(shí)際計(jì)算模型起爆硝銨炸藥總藥量為 6.0 g～16.0 g。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)不同炮孔位置和裝藥量條件下沖擊地壓巷道破壞規(guī)律進(jìn)行了研究，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，隨著炮孔距離巷道位置的接近，巷道破壞越加嚴(yán)重，經(jīng)歷了頂板裂縫出現(xiàn)、發(fā)育和開(kāi)裂以及破壞和坍塌階段。隨著裝藥量的增加，對(duì)巷道的破壞程度也明顯增加，當(dāng)炸藥量較小時(shí)，沖擊應(yīng)力波首先向巷道方向傳播，表現(xiàn)為裂縫出現(xiàn)和逐漸擴(kuò)展;當(dāng)裝藥量增加到足夠大時(shí)，應(yīng)力波的重復(fù)作用造成巖體破壞甚至巷道坍塌，同時(shí)其破壞向頂板上部巖層轉(zhuǎn)移，分析其原因在于，在高速?zèng)_擊波作用下頂板上部巖層出現(xiàn)裂縫，并不斷發(fā)展，頂板垮塌后上部巖層在自重力作用下而整體塌落。高速?zèng)_擊載荷作用下巷道破壞規(guī)律研究結(jié)果表明巖體的破壞經(jīng)歷了拉剪裂縫、重復(fù)拉剪破碎和破壞三個(gè)階段，與黃潤(rùn)秋等對(duì)震裂變形破壞形式機(jī)制的研究結(jié)果具有一致性［9]。

方案一:炮孔距離巷道為450 mm，裝藥量為6.0 g。巷道頂板附近出現(xiàn)裂縫，屬于拉剪裂縫，引爆后［10]巷道上方頂板裂縫如圖3所示。由于炮孔距離巷道較遠(yuǎn)，且裝藥量小，引爆后沖擊應(yīng)力波向巷道方向傳遞為主，在頂板處形成裂縫，但裂縫未能貫通，條數(shù)較少，裂縫寬度也較小。

圖3 巷道頂板裂縫發(fā)展Fig.3 The processes of cracking at tunnel roof

方案二:炮孔距離巷道為300 mm，裝藥量為6.0 g。如圖4和圖5所示，巷道頂板附近裂縫較為發(fā)育，且巷道頂層出現(xiàn)部分塌落，屬于重復(fù)拉剪破壞。與方案一試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，隨著炮孔距離巷道位置的接近，頂板裂縫逐漸發(fā)育且模型頂部也略有裂縫出現(xiàn)，表現(xiàn)為巷道頂部有局部塌落現(xiàn)象。

方案三:炮孔距離巷道為200 mm，裝藥量為8.0 g。圖6和圖7表示巷道坍塌和模型頂面裂縫開(kāi)展情況。由圖示結(jié)果可知，巷道頂板出現(xiàn)大面積塌落，四周破壞，屬于拉剪破壞。與方案三試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，裝藥量增加對(duì)巷道破壞形式影響很大，巷道上部頂板發(fā)生整體破壞坍塌。由試驗(yàn)結(jié)果分析還可得，高速?zèng)_擊載荷對(duì)周圍巖體具有破壞的作用，表現(xiàn)為頂板巖體的破碎塌落，且模型上部裂縫發(fā)展明顯，出現(xiàn)兩條貫通裂縫。

方案四:炮孔距離巷道為200 mm，裝藥量為16.0 g。巷道頂板及上部巖體出現(xiàn)破壞坍塌，也屬于拉剪破壞，如圖8和圖9所示。當(dāng)裝藥量足夠大時(shí)，高速?zèng)_擊載荷對(duì)巷道具有破壞性作用，表現(xiàn)為上部頂板和巖層整體破壞塌落，巷道底板和底部巖層同樣發(fā)生破壞，且表現(xiàn)為對(duì)上部巖層破壞力增強(qiáng)。

數(shù)字散斑結(jié)果如圖10所示，同樣表明高速?zèng)_擊載荷作用下巷道頂板變形和位移最大，巷道頂板附近有剝落現(xiàn)象(圖中白色空白)。巷道頂板巖層首先產(chǎn)生裂縫，在重復(fù)拉剪作用下有局部巖體發(fā)生破碎，脫離巖層表面。同時(shí)沖擊波向巷道四周傳播，巷道產(chǎn)生向下位移，當(dāng)沖擊能較小時(shí)，巷道頂板和四周圍巖發(fā)生變形，表現(xiàn)為由頂板向兩幫逐漸擴(kuò)展。

隨著炮孔距離巷道的接近和裝藥量增加，沖擊載荷作用下巷道頂板裂縫迅速，且逐漸向頂板上部巖層擴(kuò)展。巷道破壞形式表現(xiàn)為裂縫出現(xiàn)、擴(kuò)展和坍塌，當(dāng)炸藥量足夠大時(shí)，對(duì)巷道巖體具有破碎的作用。試驗(yàn)結(jié)果還表明，模型正、背面采用鋼護(hù)板略微接觸方式，防止了破碎塊體四處飛濺發(fā)生。同時(shí)，不同方案條件下模型破壞結(jié)果說(shuō)明，試驗(yàn)消除了尺寸效應(yīng)影響，模型破壞不受鋼護(hù)板影響。因此，鋼護(hù)板反射作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大，可忽略不計(jì)。

圖10 散斑場(chǎng)各觀測(cè)點(diǎn)計(jì)算云圖Fig.10 Nephogram of roadway speckle field

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高速?zèng)_擊載荷作用下巷道破壞規(guī)律的相似模擬試驗(yàn)研究，得到以下主要結(jié)論:

(1) 沖擊應(yīng)力波以巷道方向傳遞為主，在巷道頂板附近形成裂紋、破碎或坍塌區(qū);當(dāng)裝藥量足夠大時(shí)，應(yīng)力波對(duì)上部巖體破壞力明顯增強(qiáng)，沖擊能是影響巷道破壞程度的主要因素。

(2) 高速?zèng)_擊載荷作用下巷道圍巖體破壞可分為拉剪裂縫、重復(fù)拉剪破碎和破壞三個(gè)階段，與黃潤(rùn)秋等對(duì)震裂變形破壞形式機(jī)制研究具有一致性。

(3) 巷道破壞表現(xiàn)為巷道頂板附近首先出現(xiàn)裂縫，屬于拉剪裂縫階段;裂縫繼續(xù)發(fā)育，巷道頂層出現(xiàn)部分塌落，屬于重復(fù)拉剪破壞;巷道頂板出現(xiàn)大面積塌落，且頂板上部巖層開(kāi)裂，巷道四周破壞，屬于破壞階段。研究結(jié)果為沖擊地壓巷道破壞預(yù)測(cè)和防治提供有力參考。

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