任智敏，胡耀青

(1.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，山西太原030024;2.山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院采礦系，山西太原030031)

隨著我國(guó)厚煤層綜采放頂煤及中厚煤層一次采全高開(kāi)采方法的大面積應(yīng)用［1］，要求回采巷道斷面隨之?dāng)U大，關(guān)注大斷面煤巷穩(wěn)定性已成為現(xiàn)實(shí)問(wèn)題［2］。目前，對(duì)巷道穩(wěn)定性研究主要集中在圍巖應(yīng)力和支護(hù)方式的選擇上，但一直沒(méi)能有效地改變巷道變形量大、支護(hù)困難的現(xiàn)狀［3－4］。因此，需要轉(zhuǎn)變思路，從巷道斷面形狀與圍巖應(yīng)力分布關(guān)系方面著手研究，找到一種能符合特定圍巖狀態(tài)的巷道斷面形態(tài)，但有關(guān)大斷面巷道斷面形狀與圍巖穩(wěn)定性之間的關(guān)系研究有限。鑒于上述現(xiàn)實(shí)，設(shè)計(jì)了相似材料模型試驗(yàn)方案。模擬寬×高=5.5m×5.0m的大斷面矩形和六邊形巷道，模擬埋深為400m，600m及800m、側(cè)應(yīng)力系數(shù)0.75，1.00及1.25的地應(yīng)力。通過(guò)相似材料模型試驗(yàn)對(duì)比分析這兩種巷斷面形狀對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 相似材料模型試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

為進(jìn)行相似材料模擬試驗(yàn)，研制了相似材料模型試驗(yàn)系統(tǒng)。模擬試驗(yàn)根據(jù)巷道尺寸 (寬×高= 5500mm×5000mm的矩形和六邊形斷面)和試驗(yàn)?zāi)M架有效大小 (長(zhǎng)×寬×高=1800mm×160mm× 1500mm)，以及測(cè)點(diǎn)觀測(cè)窗口尺寸 (長(zhǎng)×寬= 750mm×580mm)，并結(jié)合“模擬范圍至少3～5倍開(kāi)挖空間”的要求布置巷道，以更真實(shí)地反映圍巖變形破壞演化過(guò)程。

1.1 相似材料模型試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)臺(tái)、試驗(yàn)加載系統(tǒng)和試驗(yàn)量測(cè)系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖1。

圖1 相似材料模型試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)主要承載結(jié)構(gòu)為由槽鋼焊接成的矩形框架，框架前后各有10根槽鋼通過(guò)螺母與架體相連，用來(lái)固定模型。試驗(yàn)臺(tái)前后各有2根回形立柱用于約束材料模型的橫向變形。試驗(yàn)臺(tái)前方設(shè)計(jì)了長(zhǎng)×高為1400mm×580mm的觀測(cè)窗口，后方設(shè)計(jì)有開(kāi)挖窗口。試驗(yàn)加載系統(tǒng)是由手壓泵、蓄能器和油缸組成。用2個(gè)手壓泵分別給頂部油缸和側(cè)部油缸供液，蓄能器穩(wěn)壓，圍巖變形及破壞數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字照相技術(shù)采集［5］。

1.2 相似材料配比及用量

試驗(yàn)采用大比例相似模型，選擇幾何比1∶30，容重比0.6，強(qiáng)度比0.02。按幾何相似比換算后將各巖層的幾何參數(shù)和主要物理力學(xué)參數(shù)換算成相似材料模型參數(shù)，見(jiàn)表1。根據(jù)模擬材料的容重和抗拉壓強(qiáng)度來(lái)逐層選取材料配比［6］。材料配比是參考阜新礦院、東北工程學(xué)院及淮南礦業(yè)學(xué)院所提供的相似材料配比表選取的。由此確定模擬材料的成分是:河沙、石灰、石膏。根據(jù)所選材料配比和巖層物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算各層材料用量，見(jiàn)表2。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r石的物理力學(xué)性質(zhì)

表2 相似材料模擬試驗(yàn)配比及用量

1.3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

位移測(cè)點(diǎn)采用大頭針，將大頭針的針體部分剪斷一半，針頭處用油漆涂染成紅色，晾干后按設(shè)計(jì)位置插入到模型表面。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置的原則是橫向?yàn)榕?，縱向?yàn)榱?，排列結(jié)合成網(wǎng)狀布置。排的編號(hào)是由下往上依次布置，排距1m;列的編號(hào)是以巷道中心線為基準(zhǔn)左右分列，命名巷道中心線為第0列，左右側(cè)由中心線向外依次為第1列、第2列……，頂板列距1.5m。

2 巷道圍巖變形破壞對(duì)比分析

2.1 巷表面位移對(duì)比分析

矩形和六邊形巷道的表面位移隨頂壓及側(cè)壓的變化規(guī)律見(jiàn)圖2，從中可知:

(1)由圖2(a)所示，隨外載增加，六邊形巷道頂?shù)装逡平考s是矩形巷道頂?shù)装逡平康?7%，顯然與矩形巷相比埋深越淺六邊形巷頂?shù)装逶椒€(wěn)定。此外，兩種巷道均在埋深400m和600m、側(cè)壓力系數(shù)大于1時(shí)頂?shù)装逡平棵黠@增大，而埋深800m時(shí)頂?shù)装逡平侩S側(cè)壓力系數(shù)的增大均勻增加。

圖2 巷道表面位移

(2)如圖2(b)所示，隨外載增加，六邊形巷道兩幫移近量約是矩形巷道兩幫移近量的76%，顯示在埋深800m時(shí)六邊形巷道兩幫移近量較600m時(shí)要小，說(shuō)明六邊形巷道的近似弧幫在深埋深下表現(xiàn)出更好地穩(wěn)定性。矩形巷兩幫移近量隨側(cè)壓力系數(shù)的增加而增大;六邊形巷兩幫移近量隨側(cè)壓力系數(shù)的增加在埋深400m與600m時(shí)增大、埋深800m時(shí)先減小后增大。

(3)整體看，隨埋深的增加，矩形巷道表面收斂率從11.12%增至33.8%，六邊形巷道表面收斂率從3.28%增至16.48%，可知，六邊形巷道表面收斂率約是矩形巷道表面收斂率的30%～50%。

2.2 巷圍巖深部位移對(duì)比分析

矩形和六邊形巷深部平均位移隨埋深及側(cè)壓力系數(shù)的變化曲線如圖3所示?？梢钥闯?

(1)由圖3(a)可見(jiàn)矩形巷頂板平均垂直位移為“盆形”分布，在巷寬范圍內(nèi)表現(xiàn)為整體下沉。埋深越大，頂板下沉的不均勻性越大。在同一埋深下隨側(cè)壓力系數(shù)的增加頂板下沉量增大，且埋深越大側(cè)壓力系數(shù)對(duì)頂板下沉的影響越小。圖3 (b)為六邊形巷頂板平均垂直位移，結(jié)果顯示六邊形巷頂板垂直位移與矩形巷相比更加平緩，約是相同條件下矩形巷的67%。

(2)圖3(c)，3(d)分別為矩形和六邊形巷道巷幫平均水平位移。隨距巷幫距離的增大，矩形和六邊形巷道的幫水平位移均由大變小最后在距幫2m處趨于平緩，但隨埋深的增加，六邊形巷道與矩形巷道巷幫平均水平位移之比從93%降到60%，這說(shuō)明六邊形巷的折邊幫比矩形巷的直邊幫更能有效地抵御巷幫內(nèi)移，且埋深越大，六邊形巷道巷幫的穩(wěn)定性體現(xiàn)得越明顯。

圖3 巷深部位移

2.3 巷圍巖破壞演化對(duì)比分析

圖4表示不同埋深、不同側(cè)壓力系數(shù)下兩類(lèi)巷道圍巖的破壞演化情況。為了使試驗(yàn)結(jié)果更清楚，在試驗(yàn)架視窗的有機(jī)玻璃上對(duì)圍巖裂隙進(jìn)行了描紅。對(duì)于六邊形巷道，為更好地觀察圍巖的裂隙演化過(guò)程而給模型表面涂上了一層薄白粉。

圖4 巷道圍巖破壞演化

從圖中可以看出:

(1)矩形巷道頂板發(fā)生彎曲變形，最先在巷道兩頂角處產(chǎn)生與頂板平行的裂隙，隨著應(yīng)力的不斷調(diào)整變化，裂隙與水平方向成20°角向頂板中部延伸，最后頂板沿層理方向冒頂，形成“平頂”冒落拱。冒落后的頂板繼續(xù)發(fā)生彎曲下沉，于是在其上方進(jìn)一步形成一個(gè)拱形裂隙區(qū)，裂隙區(qū)內(nèi)是一組與水平方向平行的細(xì)小裂隙，隨著埋深的增加，細(xì)小裂隙增多變寬，最終拱形裂隙區(qū)內(nèi)的巖石發(fā)生冒落，形成高度為1.6m的冒落拱。

(2)矩形巷道巷幫的破壞首先以剪切裂隙的形式出現(xiàn)在幫中部，之后在右?guī)晚敽妥髱湍_處出現(xiàn)裂隙，并向幫中部延伸形成弧形裂隙帶。隨側(cè)壓力系數(shù)的增大，從右?guī)晚敽妥髱湍_處會(huì)再生出第二圈弧形裂隙帶。埋深400m時(shí)幫上出現(xiàn)大塊楔形體。繼續(xù)增加埋深至600m，幫頂向巷內(nèi)傾斜，楔形體與巷幫脫離，楔形體背后還有一部分也成疏松狀態(tài)，這表明在大塊破裂楔形體形成后巷幫繼續(xù)破壞。當(dāng)埋深達(dá)到800m時(shí)，幫上第一圈弧形裂隙帶已延伸到幫頂、幫腳處。同時(shí)裂隙寬度大大增加，幫巖塊沿弧形裂隙帶滑落，形成弧形幫。

(3)隨埋深增加，六邊形巷道頂板裂隙先在巷寬范圍內(nèi)由頂角向巷中部擴(kuò)展呈環(huán)形一圈圈分布。之后在距頂角1.9m處出現(xiàn)裂隙并與水平成98°角向上擴(kuò)展至頂板上方3.5m后方向發(fā)生改變并朝巷中部擴(kuò)展，形成裂隙拱。在裂隙拱內(nèi)左、右兩側(cè)各有5條裂隙，從頂板兩側(cè)向頂板中部擴(kuò)展并相連交叉，形成環(huán)狀裂隙，每個(gè)環(huán)狀裂隙相距約0.72m。最終頂板右側(cè)出現(xiàn)高度1.3m的局部冒頂。

(4)隨埋深增加，六邊形巷巷幫裂隙也是最先出現(xiàn)在幫中部，以后發(fā)展至幫下部及底角，裂隙在幫中部為弧形狀、在幫下部為與水平成65°角的線形狀。隨后幫中部裂隙變寬變長(zhǎng)并與幫下部裂隙相連。最后幫上部開(kāi)始出現(xiàn)與中部裂隙近乎垂直同時(shí)與下部裂隙方向一致的裂隙并與頂板裂隙相連。巷幫由原來(lái)的折邊形被壓成弧形，巷幫只是部分出現(xiàn)楔形體脫落，沒(méi)有像矩形巷道那樣出現(xiàn)大范圍片幫，說(shuō)明折邊巷幫比直邊巷幫要有益于巷道穩(wěn)定。

(5)巷道圍巖破壞是一個(gè)漸進(jìn)、突變的過(guò)程。由開(kāi)挖后破壞發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，由于周?chē)牧系牟痪恍?，破壞總是由薄弱的部位開(kāi)始，先產(chǎn)生細(xì)小裂隙，之后裂隙增長(zhǎng)變寬，巖塊沿充分發(fā)育的大裂隙突然脫落。試驗(yàn)顯示兩類(lèi)巷道均在側(cè)壓力系數(shù)為0.75時(shí)，圍巖突變破壞相對(duì)緩和，而側(cè)壓力系數(shù)為1.25時(shí)，圍巖突變破壞較劇烈、破壞程度最大。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)相似模型試驗(yàn)得到的矩形和六邊形巷道圍巖變形破壞規(guī)律主要有:

(1)隨埋深的增加，六邊形巷表面收斂率約是矩形巷道表面收斂率的30%～50%;幫深部平均水平位移與矩形巷道平均水平位移之比從93%降至60%;巷頂板深部平均垂直位移是矩形巷道的67%。

(2)矩形巷頂板最后形成高度1.6m的冒落拱;六邊形巷頂板右側(cè)靠近頂角處有部分冒頂。矩形巷道巷幫出現(xiàn)大塊楔形體并與幫脫離形成弧形幫;六邊形巷道的折邊巷幫被壓成弧幫，且只是部分出現(xiàn)楔形體脫落，片幫范圍小于矩形巷巷幫。

(3)巷圍巖破壞具有突變性，破壞程度與側(cè)壓力系數(shù)有一定關(guān)系。側(cè)壓力系數(shù)為0.75時(shí)，圍巖突變破壞相對(duì)緩和，而側(cè)壓力系數(shù)為1.25時(shí)，圍巖突變破壞較劇烈、破壞程度最大。

從上述圍巖變形破壞的角度分析可知，六邊形巷較矩形巷更有利于圍巖穩(wěn)定，特別是六邊形巷的近似弧幫能減小巷幫變形破壞程度。此外，近似弧幫與煤層層理斜交，使其幫上的支護(hù)錨桿也與煤層層理斜交，可提高巷幫的錨固強(qiáng)度。再者，煤巷掘進(jìn)主要由掘進(jìn)機(jī)完成，而由掘進(jìn)機(jī)掘出近似弧幫是完全可行的。綜上，六邊形巷在保證圍巖穩(wěn)定、提高巷幫錨固強(qiáng)度等方面都比矩形巷道更有優(yōu)越性，且成巷施工容易，因此具有很好的推廣使用價(jià)值。

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