深部層狀巖體巷道承載特性的物理模擬試驗(yàn)研究

蘇士龍，顧曉偉，張 力,史新帥

(1.華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000；2.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)

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(dòng)”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(zhì)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(yīng)力影響，層狀巖體的應(yīng)力分布及變形破壞特征相比其他巖體更加復(fù)雜，揭示深部高應(yīng)力條件下層狀圍巖巷道承載特性及變形破壞特征，對(duì)于確保礦井安全高效生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義[4-6]。相似材料模擬試驗(yàn)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(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于礦業(yè)工程領(lǐng)域[7-8]。本文結(jié)合某深部礦井西翼軌道大巷特殊地質(zhì)條件，利用相似模擬試驗(yàn)研究了深部層狀巖體巷道不同錨固支護(hù)方式下的巷道圍巖應(yīng)力演化規(guī)律和變形破壞特征。

1 相似材料模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 相似材料模型設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)以某深部礦井的矩形軌道大巷為研究背景，巷道掘進(jìn)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(xì)砂巖為主，層理發(fā)育，具有明顯的各向異性特性?？紤]實(shí)際地質(zhì)情況、試驗(yàn)設(shè)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(yīng)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(yīng)力為0.52 MPa、水平應(yīng)力為0.63 MPa，模擬試驗(yàn)中選取河砂作為骨料，石膏、碳酸鈣作為膠結(jié)材料，各巖層間采用云母粉進(jìn)行分層鋪設(shè)，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(hù)方式下巷道圍巖變形破壞特征及應(yīng)力演化規(guī)律，共設(shè)計(jì)三組相似模擬試驗(yàn)，即無支護(hù)、錨桿支護(hù)、錨桿索支護(hù)。其中，錨桿、錨索分別采用破斷力為33 N和51 N的保險(xiǎn)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(yàn)設(shè)備

本次物理試驗(yàn)采用中國礦業(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WYQ1000-I型地下工程二維平面應(yīng)變綜合試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)(圖1)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)臺(tái)架、計(jì)算機(jī)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(yàn)臺(tái)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(gè)加載板上有3個(gè)油缸，單個(gè)油缸加載壓力為300 kN，行程為5 cm。在試驗(yàn)臺(tái)架正面擋板板上預(yù)留開挖洞口，當(dāng)系統(tǒng)加載至設(shè)計(jì)載荷后，卸下螺栓撤走鐵板,對(duì)模型進(jìn)行開挖。試驗(yàn)系統(tǒng)背面中央部位留設(shè)觀察窗口，采用厚度為3 cm透明的亞克力板，便于實(shí)驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測

1.3.1 圍巖應(yīng)力監(jiān)測

試驗(yàn)過程中采用自制的單元應(yīng)變磚對(duì)圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測，應(yīng)變磚采用聚氨酯立方塊為母體，在其某頂點(diǎn)相鄰三個(gè)面上分別貼三個(gè)45°應(yīng)變花制作而成(圖2)。該應(yīng)變磚能夠測得其埋設(shè)點(diǎn)的6個(gè)應(yīng)變分量，通過計(jì)算可求得該位置的徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力和切應(yīng)力。考慮試驗(yàn)臺(tái)的尺寸、錨桿長度及模型的對(duì)稱性，本次試驗(yàn)分別巷道頂板、肩部、右?guī)透髀裨O(shè)3個(gè)應(yīng)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(jì)分別對(duì)巷道頂板的下沉量、幫部的收斂量以及底板位移量進(jìn)行監(jiān)測。位移計(jì)量程30 mm，位移計(jì)數(shù)據(jù)通過TST3826E動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)采集。試驗(yàn)過程中同時(shí)采用數(shù)字照相系統(tǒng)監(jiān)測試驗(yàn)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(jié)合PhotoInfor和PostViewer后處理軟件對(duì)模型位移場變化規(guī)律進(jìn)行分析。

圖2 應(yīng)力監(jiān)測布置

1.4 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎梅謱愉佋O(shè)、分層壓實(shí)的方法制作，鋪設(shè)過程中預(yù)埋應(yīng)變磚、錨桿等，模型澆筑完成靜置兩天左右，拆去試驗(yàn)臺(tái)架的前后擋板，將模型放置3 d在自然條件下進(jìn)行風(fēng)干，在此期間連接檢查各檢測裝置。試驗(yàn)加載前，安裝試驗(yàn)臺(tái)架的前后擋板，采用階梯加載的方式，其中,垂直應(yīng)力每次加載12 kN，水平應(yīng)力每次加載14.4 kN，相鄰兩次加載時(shí)間間隔約為15 min，分10次完成，如圖3所示。當(dāng)模型加載至設(shè)定荷載后，對(duì)其穩(wěn)壓約1.5～2 h，隨后進(jìn)行巷道開挖，開挖分兩次進(jìn)行，首次開挖約15 cm，第二次開挖約10 cm，并對(duì)巷道開挖過程中圍巖應(yīng)力及變形破壞情況進(jìn)行監(jiān)測，待巷道變形破壞基本穩(wěn)定后結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 變形破壞特征分析

試驗(yàn)完成后不同支護(hù)方式下巷道圍巖變形破壞情況如圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果看出，無支護(hù)層狀圍巖巷道的失穩(wěn)機(jī)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(yán)重，巷道圍巖整體變形破壞顯著；錨桿支護(hù)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(yán)重；錨桿索支護(hù)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(duì)比不同支護(hù)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(duì)松散破碎區(qū)范圍內(nèi)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(jí)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(yàn)過程中采用量程為30 mm的YHD-30B型位移計(jì)分別對(duì)巷道表面頂板的下沉量、幫部收斂量以及底板位移量進(jìn)行了測量記錄，監(jiān)測結(jié)果見圖5和圖6。

由圖5和圖6可以看出，無支護(hù)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(jié)束。錨桿支護(hù)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(shí)，巷道底板變形量開始顯著增大，至觀測結(jié)束，巷道底板變形量大于頂板及兩幫。錨桿索支護(hù)條件下，整個(gè)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(hù)和僅使用錨桿支護(hù)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(duì)比

2.3 圍巖應(yīng)力演化規(guī)律

采用應(yīng)變磚對(duì)試驗(yàn)過程中的圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，分析不同位置圍巖的徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力的演化特征及規(guī)律，進(jìn)一步研究圍巖的變形破壞情況。為便于對(duì)比分析，將測得的應(yīng)力值進(jìn)行歸一化處理?？紤]到文章篇幅限制，本文僅對(duì)巷道圍巖頂板應(yīng)力演化規(guī)律進(jìn)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(hù)方案下頂板各測點(diǎn)徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力變化規(guī)律如圖7和圖8所示。

由圖7可知，不同支護(hù)方式下，巷道頂板各測點(diǎn)徑向應(yīng)力變化規(guī)律大致相似，均隨時(shí)間的增長而不斷減小并最終趨于穩(wěn)定，整個(gè)開挖過程中徑向應(yīng)力的大小規(guī)律為：錨桿索支護(hù)>錨桿支護(hù)>無支護(hù)。說明采用錨桿支護(hù)的巷道圍巖承載能力有所提高，徑向應(yīng)力大于無支護(hù)條件下，有一定支護(hù)效果，同時(shí)采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)后圍巖的徑向應(yīng)力下降幅度進(jìn)一步減小，圍巖的應(yīng)力損失最小，對(duì)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(diǎn))圍巖切向應(yīng)力隨時(shí)間不斷減小并趨于穩(wěn)定，且無支護(hù)條件下降幅最為明顯，而巷道圍巖深部位置(d2測點(diǎn)、d3測點(diǎn))切向應(yīng)力則隨時(shí)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(yán)重，深部區(qū)域較為完整，切向應(yīng)力較大。同時(shí)可以看出，巷道變形破壞穩(wěn)定后，錨桿索支護(hù)條件下巷道頂板各位置切向應(yīng)力均大于無支護(hù)及錨桿支護(hù)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(yīng)力轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)來看，處于壓力拱中的巖體承擔(dān)著自身和其上覆巖體的荷載，是確保其上方巖體不會(huì)塌落的一個(gè)具有拱的力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)。

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(yīng)力和開挖后圍巖的切向應(yīng)力。將k=0所處的位置確定為切向應(yīng)力升高區(qū)與降低區(qū)的分界點(diǎn)，即壓力拱的內(nèi)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(jìn)而揭示不同支護(hù)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(hù)方案中成拱系數(shù)k=0的點(diǎn)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(hù)時(shí)，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(jié)構(gòu)；采取一定支護(hù)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(jié)構(gòu)，僅采取錨桿支護(hù)措施時(shí)，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(yīng)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(jié)構(gòu)；而采取錨桿索支護(hù)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(jìn)一步提高。

對(duì)于錨桿支護(hù)及錨桿索支護(hù)下的層狀巖體巷道，在其頂板破壞前，頂板承載結(jié)構(gòu)為組合梁，當(dāng)頂板應(yīng)力超過其極限承載強(qiáng)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(yīng)的承載結(jié)構(gòu)也由組合梁轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫?。由此可見，為保證層狀破碎圍巖或支護(hù)較弱的圍巖穩(wěn)定性，應(yīng)通過提高其支護(hù)強(qiáng)度或設(shè)法增加其圍巖完整性，來保證巷道頂板初次承載結(jié)構(gòu)組合梁的穩(wěn)定。組合梁破壞失穩(wěn)后，應(yīng)保證壓力拱的穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

1) 巷道在無支護(hù)條件下頂板發(fā)生大面積垮落，兩幫收斂量大，底鼓嚴(yán)重，巷道頂板形成倒V型破壞區(qū)；采取一定支護(hù)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(hù)方式下，巷道頂板各測點(diǎn)徑向應(yīng)力不斷減小并最終趨于穩(wěn)定，而對(duì)于頂板徑向應(yīng)力，巷道淺部區(qū)域切向應(yīng)力隨時(shí)間不斷減小并趨于穩(wěn)定，而巷道圍巖深部位置切向應(yīng)力則呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢，最終狀態(tài)時(shí)，錨桿、錨桿索支護(hù)條件下巷道圍巖徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力均大于無支護(hù)狀態(tài)時(shí)，巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)得到改善。

3) 對(duì)不同支護(hù)方案的圍巖成拱特性進(jìn)行了分析，巷道無支護(hù)時(shí)圍巖破碎程度較大，無法形成壓力拱，而采取一定支護(hù)措施后巷道圍巖能夠形成一定范圍的壓力拱結(jié)構(gòu)。