煤礦巷道圍巖卸荷變形及破壞規(guī)律試驗(yàn)研究

麻曉東

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033000）

煤礦的巷道對(duì)于煤炭的開(kāi)采、運(yùn)輸起到了關(guān)鍵性的作用[1-2]。巷道的建成集運(yùn)輸、排水、通風(fēng)、通行等于一體，在實(shí)際工程中巷道在挖掘過(guò)程中存在的安全問(wèn)題也引起了關(guān)注[3]。近年來(lái)，由于巷道圍巖處滲水或變形引起的承載能力降低從而導(dǎo)致的巷道垮塌等工程事故屢見(jiàn)不鮮，最大的原因在于對(duì)于目前巷道在卸荷變形下的破壞規(guī)律、應(yīng)力特征與巖體破壞機(jī)制的研究不夠深入，相關(guān)研究理論不能應(yīng)用于巷道圍巖支護(hù)[4]。由于不同的巖體對(duì)應(yīng)的施工方式不同，相對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖卸荷路徑也不相同，由于缺乏相關(guān)的統(tǒng)一規(guī)定，目前對(duì)于不同施工方式下的開(kāi)挖卸荷難以有效判斷其路徑[5]。在此條件下之下隨著施工的進(jìn)行，巖體所承受的地應(yīng)力逐漸增大，巷道的維護(hù)也愈發(fā)困難。因此，深入了解巷道圍巖卸荷變形與其破壞規(guī)律迫在眉睫。雖然學(xué)者們對(duì)于巖體的卸荷變形及內(nèi)在應(yīng)力分布進(jìn)行了大量研究論證，但相關(guān)研究能否直接應(yīng)用于工程實(shí)際仍需要一定的考究。

本文以山西省方山縣店坪煤礦巷道圍巖為研究對(duì)象，采用三維有限元差分模擬軟件FLAC3D對(duì)巷道圍巖在卸荷條件下的變形及破壞規(guī)律進(jìn)行研究分析，與已有的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，為巷道圍巖的安全支護(hù)提供一定的理論參考依據(jù)。

1 概況

方山縣店坪煤礦3 煤層平均煤厚度16.4 m，夾矸為砂質(zhì)泥巖，煤層總體由西南至東北方向埋深逐漸增大，傾角5°。

2 研究方法

2.1 模型建立

利用三維有限元差分模擬軟件FLAC3D，以制作室內(nèi)小型圍巖試件為標(biāo)準(zhǔn)，按照1:1 的比例擬定模型的長(zhǎng)度為260 mm，外徑擬定為200 mm。由于試驗(yàn)需要控制不同內(nèi)徑進(jìn)行研究，因此將內(nèi)徑分別設(shè)置為100 mm、150 mm、200 mm。為了控制與室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境相一致，計(jì)算模型中力的施加情況保持與室內(nèi)試驗(yàn)力的施加量相同，具體設(shè)置：在計(jì)算模型的左右側(cè)施加壓應(yīng)力，并在其表面施加圍壓；在其內(nèi)表面施加圍壓；且模型未設(shè)置其他邊界約束條件。所繪制的巷道圍巖試件如圖1。

圖1 巷道圍巖試件計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

2.2 本構(gòu)模型及其材料參數(shù)確定

針對(duì)煤礦井田的巷道圍巖，其主要組成類(lèi)型為巖石，由于巖石的破壞與巖石的類(lèi)型以及環(huán)境相關(guān)性較高，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)完整的巖體在環(huán)境應(yīng)力較低時(shí)呈現(xiàn)出脆性的張破裂，而在環(huán)境應(yīng)力較高時(shí)表現(xiàn)為柔性的剪切破壞或流動(dòng)變形。因此本文采用的莫爾-庫(kù)倫（Mohr-Coulomb）強(qiáng)度準(zhǔn)則為本次模擬研究的本構(gòu)模型，由于巖石的破壞條件與土力學(xué)中的相似，本文為了將計(jì)算式簡(jiǎn)化，將莫爾應(yīng)力圓包絡(luò)線簡(jiǎn)化為直線的形式，采用庫(kù)倫方程組可以表示為：

式中：τf為巖石的抗剪強(qiáng)度；c為巖體的凝聚力；σ為巖石剪切面上的法向應(yīng)力；φ為巖體的內(nèi)摩擦角。

通過(guò)圖2 可以得知：

圖2 莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度破壞條件

式中：σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力。

其中巖石剪切面上的法向應(yīng)力由最大和最小主應(yīng)力可表示為：

通過(guò)聯(lián)立式（1）、（2）、（3）可得到莫爾庫(kù)倫強(qiáng)度破壞條件為：

室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果采用文獻(xiàn)[5]中的天然砂試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果。為了保證模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的一致性，其關(guān)鍵參數(shù)取值均與[5]中的參數(shù)相同。具體的力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算模型的力學(xué)參數(shù)取值

3 結(jié)果分析

3.1 不同卸荷內(nèi)徑破壞規(guī)律分析

在模型計(jì)算過(guò)程中，首先對(duì)模型施加三個(gè)不同方向的地應(yīng)力，且地應(yīng)力大小均為15 MPa。隨后待地應(yīng)力平衡后將地應(yīng)力產(chǎn)生的模型位移進(jìn)行歸零處理。待歸零處理之后，采用緩慢卸荷和瞬態(tài)卸荷兩種方式將模擬時(shí)間的壓力卸載至0，且在試件中設(shè)置記錄點(diǎn)與室內(nèi)試驗(yàn)中試件設(shè)置應(yīng)變片的位置相同，用以達(dá)到同室內(nèi)試驗(yàn)相同的過(guò)程。最終在整個(gè)模擬試驗(yàn)過(guò)程中記錄下不同內(nèi)徑的試件在模擬過(guò)程中的位移變化量，繪制了如圖3 所示的緩慢卸荷時(shí)不同內(nèi)徑圍巖的切向應(yīng)變?cè)囼?yàn)值與模擬值對(duì)比圖。

圖3 緩慢卸荷時(shí)不同內(nèi)徑圍巖的切向應(yīng)變?cè)囼?yàn)值與模擬值對(duì)比圖

從圖3 可以看出，在與室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)置相同位置的測(cè)點(diǎn)下，對(duì)比不同開(kāi)挖內(nèi)徑，試驗(yàn)值與模擬值二者的應(yīng)變均隨著開(kāi)挖內(nèi)徑的增大而增大。但綜合試驗(yàn)數(shù)值與模擬數(shù)值可以看出，試驗(yàn)數(shù)值在不同內(nèi)徑上的切向應(yīng)變值均大于相同條件下的模擬結(jié)果，其原因可能在于在試驗(yàn)過(guò)程中，存在一定的外在干擾因素，導(dǎo)致結(jié)果稍大于模擬條件下的理想結(jié)果。

考慮到巖石存在類(lèi)似于土體的回彈特征，為了對(duì)應(yīng)緩慢卸荷時(shí)不同內(nèi)徑圍巖的位移變化特性，本文還設(shè)置了瞬態(tài)卸荷時(shí)不同內(nèi)徑圍巖的位移變化特性。除卸荷時(shí)長(zhǎng)外，其試驗(yàn)方法同緩慢卸荷的試驗(yàn)方法，并在整個(gè)模擬試驗(yàn)過(guò)程中記錄下不同內(nèi)徑的試件在模擬過(guò)程中的位移變化量，繪制了如圖4 所示的瞬態(tài)卸荷時(shí)不同內(nèi)徑圍巖的切向應(yīng)變?cè)囼?yàn)值與模擬值對(duì)比圖。

圖4 瞬態(tài)卸荷時(shí)不同內(nèi)徑圍巖的切向應(yīng)變?cè)囼?yàn)值與模擬值對(duì)比圖

從圖4 可以看出，在與室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)置相同位置的測(cè)點(diǎn)下，在室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)徑為100 mm 在瞬態(tài)卸荷的條件下會(huì)產(chǎn)生一定程度的回彈從而使試件保持穩(wěn)定狀態(tài)，但125 mm 與150 mm 試件在瞬態(tài)卸荷條件下無(wú)回彈產(chǎn)生，且隨著卸荷的完成切向應(yīng)變也保持不變；在模擬試驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)徑100 mm 與內(nèi)徑125 mm 的試件在瞬態(tài)卸荷的條件下同樣伴隨略微的回彈，且在卸荷結(jié)束后應(yīng)變保持不變，但150 mm 的試件在卸荷開(kāi)始的瞬間應(yīng)變便急劇增大直至試件破壞。其原因可能在于相較于室內(nèi)試驗(yàn)，模擬試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)條件較為理想，未考慮其他外界影響因素，因此試件會(huì)產(chǎn)生破壞

3.2 不同圍壓下的圍巖破壞規(guī)律分析

煤礦巷道圍巖在實(shí)際開(kāi)挖之前，巖體處于三向應(yīng)力平衡的狀態(tài)，巷道圍巖內(nèi)部存在一定的彈性應(yīng)變能。隨著巷道施工開(kāi)挖，沿著開(kāi)挖方向上的應(yīng)力會(huì)逐漸減小并伴隨發(fā)生徑向位移。因此環(huán)繞應(yīng)力即圍壓越大，其彈性應(yīng)變能越大，卸荷時(shí)的徑向位移也越大，考慮巷道圍巖的卸荷變形與其破壞規(guī)律必須考慮到圍壓作用的影響，本文與室內(nèi)試驗(yàn)相同，設(shè)置了三組分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa的圍壓，控制內(nèi)徑為100 mm 的試件進(jìn)行模擬試驗(yàn)，通過(guò)記錄整個(gè)模擬試驗(yàn)過(guò)程中的位移量，如圖5。

圖5 不同初始圍壓下的圍巖的切向應(yīng)變?cè)囼?yàn)值與模擬值對(duì)比圖

從圖5 可知，在與室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)置相同位置的測(cè)點(diǎn)下，隨著卸荷比增加，室內(nèi)試驗(yàn)與模擬試驗(yàn)均表現(xiàn)出切向應(yīng)變?cè)龃蟮内厔?shì)，二者表現(xiàn)出相同的規(guī)律。但對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)值模擬結(jié)果在不同圍壓下均比試驗(yàn)值小約2～3 倍，其可能原因在于，模擬試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)條件較為理想，未考慮其他外界影響因素。

4 結(jié)論

本文采用三維有限元差分模擬軟件FLAC3D對(duì)方山縣店坪煤礦巷道圍巖在卸荷條件下的變形及破壞規(guī)律進(jìn)行研究，得出了如下結(jié)論：

1）在緩慢卸荷的條件下，圍巖應(yīng)變均隨著開(kāi)挖內(nèi)徑的增大而增大，且相較于瞬態(tài)卸荷條件，150 mm 內(nèi)徑的試件會(huì)發(fā)生破壞，而瞬態(tài)卸荷條件下150 mm 內(nèi)徑試件未產(chǎn)生破壞。

2）隨著初始圍壓的增大，圍巖卸荷變形會(huì)逐漸增大，因此在實(shí)際工程中為了防止圍巖受到變形破壞，所需的支護(hù)力也應(yīng)隨之增大。