U 型鋼支架支護狀態(tài)下巷道圍巖變形特性

糜啟龍 郝 剛 糜秋元

（1.晉能控股煤業(yè)塔山煤礦，山西 大同 037038；2.晉能控股集團，山西 大同 037000；3.大同煤礦集團設(shè)計研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

隨著我國地下開采深度的不斷增加，高應(yīng)力的環(huán)境對巷道支護有了更高要求。U 型鋼可縮性支架由于具有承載能力強和可縮性等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于礦山中，但U 型鋼可縮性支架在實際使用時支架會因豎向荷載過大而產(chǎn)生較大變形，支架架設(shè)后無法與圍巖有效接頂，支架整體處于受力不均勻狀態(tài)，支架內(nèi)產(chǎn)生的集中載荷或偏心載荷可能導(dǎo)致支護失效。

為探明圍巖的變形特性，董方庭等[1]將圍巖中產(chǎn)生的松弛破碎帶定義為圍巖的松動圈，給出了開挖前后圍巖和巷道的強度、應(yīng)力以及位移變化特性。谷栓成等[2]通過算例分析研究了荷載作用下圍巖的應(yīng)力和變形狀態(tài)。夏盼盼[3]通過分析某煤礦已變形破壞的巷道，研究了巷道變形的原因。Zuo 等[4]基于攝動方程，提出了U 型鋼與圍巖的耦合公式，用于評估U 型鋼支架的實際穩(wěn)定性。目前國內(nèi)外關(guān)于圍巖的變形方面研究重點主要集中在理論研究和接觸式試驗破壞測試方面，非接觸式測量變形方面研究較少。

為此，本文基于塔山煤礦井下巷道圍巖參數(shù)，建立巷道圍巖的相似物理模型，借助非接觸式近景攝影測量系統(tǒng)，對U 型鋼支架支護狀態(tài)下巷道圍巖變形特性進行了研究。

1 試驗方案設(shè)計

國內(nèi)外學(xué)者針對U 型鋼支架的力學(xué)性能開展了大量室內(nèi)模型試驗[5-6]，分析了支架的受力性能和變形特征，但這些研究幾乎很少真實模擬圍巖的受力變形特征，或研究不夠深入。本節(jié)引入非接觸式近景攝影測量系統(tǒng)，通過對比無支護、普通支護和U型鋼支架三種不同支護情況下巷道模型豎向受壓后應(yīng)變場和應(yīng)力場的位移、裂紋分析，系統(tǒng)闡述U 型鋼支架支護狀態(tài)下巷道圍巖變形特性。

1.1 試驗設(shè)備

本文試驗在遼寧石油化工大學(xué)大型煤巖模型實驗室完成。采用DGS-4 四通道電液伺服相似材料試驗機開展試驗研究，試驗系統(tǒng)由試驗場地、加載系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)組成。加載系統(tǒng)包括加壓設(shè)備和加壓控制系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)包括VIC-3D 非接觸全場應(yīng)變測試儀和XJTUDP 工業(yè)非接觸式近景攝影測量儀。該試驗?zāi)Ｐ偷耐廨喞叽鐬?200 mm×1150 mm×300 mm（長×高×寬），為整個試驗平臺長度的1/2?？紤]到模型制作完成后便于搬運至平臺，模型高度低于平臺高度50 mm，即1150 mm，模型厚度與平臺厚度一致。模型試驗示意圖如圖1。

圖1 巷道圍巖試驗系統(tǒng)（mm）

本相似模擬試驗采用的VIC-3D 系統(tǒng)為低速系統(tǒng)，選用GS3-U3-89S6M-C 型號相機作為系統(tǒng)圖像采集工具。該系統(tǒng)的最大采集幀率為5 fps，像元尺寸為3.45 μm，最大分辨率為4096×2160，使用過程中通過“十字”中心線調(diào)整相機觀察角度，使模型巖樣出現(xiàn)在相機的中間位置。通過該系統(tǒng)對成像效果進行實時評估，實時獲取模型圍巖上任意點的應(yīng)變、應(yīng)變率、位移、速度曲線、云圖及底層數(shù)據(jù)。為了節(jié)省拍照時間，從而捕捉更多試驗細節(jié)，提高試驗精度，試驗中采取分段設(shè)置采集速率的方式進行數(shù)據(jù)采集。

XJTUDP 系統(tǒng)[7]是由西安交通大學(xué)信息機電研究所研制的一種工業(yè)非接觸式近景攝影測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過一個攝影測量相機分別從不同的角度拍攝巷道圍巖模型的多幅照片，測量軟件將會計算出所有相關(guān)的目標(biāo)點，自動計算所拍圖片中粘貼的非編碼標(biāo)志點和物體特征點的三維坐標(biāo)，利用透視幾何理論，把拍攝的圖片進行前方交會，然后計算三維空間中被測巷道模型的參數(shù)，為無接觸光學(xué)攝影測量試驗的分析奠定基礎(chǔ)。

1.2 試驗材料

本模型試驗采用縮尺試驗，模型與原型的幾何相似比取1:4。塔山煤礦井下巷道U 型鋼可縮支架的實際大小為寬2.8 m、高3 m 的半圓拱巷道，縮小后的U 型鋼支架的尺寸為寬700 mm、半圓拱高350 mm、直腿高400 mm，封板厚度為10 mm，內(nèi)部填充C40 混凝土。鋼支架加工完成后在實驗室臺架上組裝成型。

U 型鋼采用U29 型鋼，試驗中選用水泥、石灰、石膏等作為膠凝材料，三合板作為模具。將膠凝材料與河沙、碎石等骨料拌和均勻制成水泥砂漿裝入模具中，常溫養(yǎng)護28 d 后脫模，以此來模擬圍巖、其模型制作過程為選取三合板→制作試件模具→加水?dāng)嚢琛Ｐ驼駬v→28 d 后脫模。經(jīng)過計算并試配，最終確定相似材料的最佳砂膠比為5:1，容重為1.485 g/cm3，單軸抗壓強度為2.983 MPa。

1.3 試驗加載

U 型鋼支架采用分級單調(diào)加載的方式進行均布加載。試驗開始后，首先緩慢升壓，施加不超過預(yù)計破壞荷載3%的預(yù)加荷載。當(dāng)荷載小于90%時，加載速率為10 kN/min，每10 kN 保壓0.5 min；當(dāng)荷載大于90%時，加載速率為5 kN/min，每10 kN保壓0.5 min。試驗過程中時刻觀察試件破壞情況，直至試件整體進入屈服狀態(tài)或產(chǎn)生明顯破壞。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 宏觀分析

1）裂紋數(shù)量分析

在U 型鋼支架支護狀態(tài)下的圍巖模型在豎向荷載作用下破壞后可以看到4 條裂紋。當(dāng)壓力達到40 kN 時出現(xiàn)1 條裂紋，60 kN 時出現(xiàn)2 條裂紋并且支架產(chǎn)生滑動位移，70 kN 時出現(xiàn)4 條裂紋。圍巖上裂紋數(shù)量見表1。

表1 圍巖裂紋數(shù)量

2）裂紋長度分析

U 型鋼支架進行支護試驗時，加壓到40 kN 開始出現(xiàn)裂紋，隨著壓力逐漸增大裂紋也在延長并且縫隙加大直至模型破壞。加載過程中U 型鋼支架支護時圍巖裂紋長度變化如圖2。

圖2 U 型鋼支架支護時圍巖模型裂紋長度

2.2 微觀分析

1）XJTUDP 非接觸式近景攝影測量分析

通過XJTUDP 非接觸式近景攝影測量系統(tǒng)分別觀察豎向荷載為30 kN、50 kN、70 kN、90 kN 時圍巖位移場的變化情況，得到U 型鋼支架支護狀態(tài)下豎向荷載為90 kN 時模型場位移。測量分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中區(qū)主要分布在圍巖模型的頂部和左右兩側(cè)的上部。當(dāng)壓力機的壓力在10～80 kN 時，巷道圍巖模型呈現(xiàn)緩慢變形的趨勢；達到90 kN 時巷道模型位移場發(fā)生驟變，位移迅速達到19.867 mm，模塊被完全壓壞。

2）VIC-3D 非接觸全場應(yīng)變分析

采用非接觸式應(yīng)變系統(tǒng)[8]對普通支架支護狀態(tài)下的加載過程中圍巖應(yīng)變場的變化進行捕捉分析。在加載0～120 kN 時，U 型鋼支架支護狀態(tài)下圍巖的應(yīng)變場演化過程如圖3。

U 型鋼支護狀態(tài)下應(yīng)變場演化過程如圖4 所示。隨著加載載荷的不斷增加，首先在30 kN 時巷道頂板和左拱腳附近出現(xiàn)兩條裂紋，然后隨載荷增加不斷延伸，在40 kN 時在底板處出現(xiàn)一條斜向裂紋，隨后隨載荷的增加不斷伸長。

圖4 U 型鋼支護狀態(tài)下10～50 kN 之間的應(yīng)變場

對圍巖應(yīng)變場的數(shù)值進行比較分析，發(fā)現(xiàn)圍巖頂板主要承受拉應(yīng)力，產(chǎn)生拉應(yīng)變，U 型鋼支架左右兩側(cè)上部承受壓應(yīng)力，產(chǎn)生壓應(yīng)變。為了方便更直觀分析各部分的應(yīng)力應(yīng)變大小，在頂板上方及支架左右兩側(cè)上部位置分別選取一部分區(qū)域，提取30～50 kN 荷載作用下的應(yīng)變值，具體數(shù)值見表2。表中正值表示拉應(yīng)變，負(fù)值表示壓應(yīng)變。

表2 普通支護情況下應(yīng)變值

U 型鋼支護下圍巖模型應(yīng)變變化如圖5 所示。可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：隨著載荷的不斷上升，圍巖頂板拉應(yīng)變不斷增大，同時U 型鋼支架左右兩側(cè)上部的壓應(yīng)變值也不斷增大，但增長速度較緩慢。

圖5 U 型鋼支護下圍巖模型應(yīng)變變化曲線

2.3 荷載下U 型膨脹支護情況的應(yīng)變變化

為了比較分析不同支護情況下的應(yīng)變變化規(guī)律，在頂板上方及左右兩頂板角位置分別選取一部分區(qū)域，提取其應(yīng)變值。根據(jù)以上分析，分析不同荷載下應(yīng)變情況見表3。

表3 U 型膨脹支架情況下應(yīng)變值

由表3 可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：無論拉應(yīng)變還是壓應(yīng)變都伴隨載荷的不斷增加而增大，并且在初始狀態(tài)時頂部拉應(yīng)變已經(jīng)達到了849，說明U 型膨脹支架可以保證與拱頂產(chǎn)生有效接觸，限制了拱頂產(chǎn)生向下的壓應(yīng)變，進而拱頂開始向兩側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)變。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，拉應(yīng)變的數(shù)值變化規(guī)律為：U型膨脹支架＞普通支架＞無支護；壓應(yīng)變絕對值的變化規(guī)律為：U 型膨脹支架＞普通支架＞無支護。由此可見，拱頂所受主要為拉應(yīng)變，而兩側(cè)拱腳主要承受壓應(yīng)變。

由分析結(jié)果可知，U 型膨脹支架的接頂效果優(yōu)于普通支架，可以保證支架與巷道頂板產(chǎn)生可靠接觸，起到支撐頂板的作用，進而限制頂板的下沉，故頂板主要產(chǎn)生拉應(yīng)變；兩拱腳壓應(yīng)變的產(chǎn)生主要原因是頂板上方的壓力轉(zhuǎn)移到兩側(cè)拱腳上方，使巷道應(yīng)力重新分布，起到有效支撐作用。由此可以說明，U 型膨脹支架可以保證有效接頂，增強巷道頂板的支護作用。

3 基于現(xiàn)場監(jiān)測的巷道圍巖變形特性驗證

選取有代表性的某煤礦的巷道圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)資料[9-10]來驗證U 型鋼支架支護狀態(tài)下巷道圍巖變形特性?，F(xiàn)場監(jiān)測得到的巷道圍巖頂板上方、左右側(cè)拱腳上部的荷載應(yīng)變曲線如圖6。

圖6 現(xiàn)場監(jiān)測巷道圍巖變形曲線

對比圖5、圖6，頂板上方應(yīng)變隨著荷載增大而逐漸增大，左右兩側(cè)拱腳上部的變化規(guī)律與本文規(guī)律相近。本文模型條件下監(jiān)測得到的圍巖應(yīng)變值與現(xiàn)場監(jiān)測值的相似精度R2達到0.9 以上，驗證了本文研究結(jié)果的合理性。

4 結(jié)論

1）基于非接觸式近景攝影測量系統(tǒng)，進行了U 型鋼支護下圍巖模型豎向抗壓力學(xué)試驗。結(jié)果表明：隨著豎向荷載的增大，裂紋數(shù)量和裂紋長度逐漸增大，圍巖最大承壓為90 kN。

2）通過XJTUDP 非接觸式近景攝影測量系統(tǒng)，從微觀角度分析豎向荷載作用下圍巖的應(yīng)力場和位移場。可見，應(yīng)力集中區(qū)主要分布在圍巖模型的頂部和左右兩側(cè)的上部，圍巖所受應(yīng)力隨著加載的增大而增大，圍巖模型呈現(xiàn)緩慢變形的趨勢，達到90 kN 時巷道模型位移場發(fā)生驟變，位移迅速達到19.867 mm，模塊被完全壓壞。

3）在0～90 kN 加載過程中，U 型鋼支架先后在頂部、拱腳位置出現(xiàn)裂紋，且裂紋隨載荷增加不斷增多。

4）通過對位移場的數(shù)值進行分析，發(fā)現(xiàn)U 型鋼支架在巷道頂部承受拉應(yīng)力，產(chǎn)生拉應(yīng)變，頂板左右兩側(cè)上部承受壓應(yīng)力，產(chǎn)生壓應(yīng)變。