鄭文翔，胡耀青

(1.內(nèi)蒙古科技大學 煤炭學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024)

深部巷道圍巖變形相似模擬研究

鄭文翔1，2，胡耀青2

(1.內(nèi)蒙古科技大學 煤炭學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024)

針對深部圍巖巷道變形和應力變化的特征，利用自制相似模擬實驗平臺，對無支護條件下的深部巷道的圍巖破壞特征、圍巖變形規(guī)律和圍巖應力分布進行了定量和定性的研究，研究表明，深部巷道圍巖具有大變形、大塑性區(qū)、應力集中程度高等特點，從而為類似地質(zhì)條件下的巷道支護設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

深部巷道；圍巖破壞；應力變化；相似模擬

隨著煤炭開采深度的增加，出現(xiàn)了許多與淺部開采不同的新問題和新特點，深埋巷道圍巖與中淺部巷道不同點在于巷道開挖后圍巖普遍處于不穩(wěn)定的破裂狀態(tài)[1-2]，表現(xiàn)出如巖層壓力大、巷道位移量顯著增加、支架損壞嚴重、巷道返修量劇增等問題，致使巷道維護變得非常困難[3-4]。相似模擬試驗是礦業(yè)領(lǐng)域中一個重要的實驗手段，其具有直觀、經(jīng)濟，可靠性高等優(yōu)點。本文利用自制相似模擬實驗平臺，對無支護條件下的深部巷道的圍巖破壞特征、圍巖變形規(guī)律和圍巖應力分布進行了分析，對深部圍巖巷道支護以及分區(qū)破裂化現(xiàn)象機理闡述等都具有一定的意義。

1 工程概況

本文以濟寧地區(qū)萬福煤礦回風大巷作為試驗原型。巷道埋深900m，掘進斷面高4m，寬5m，位于中砂巖中，平均單軸抗壓強度約為75.9MPa，巷道頂板為灰黑色粉砂巖，厚度約5.4m，薄層狀結(jié)構(gòu)，致密，硬度大，硅質(zhì)膠結(jié)，分選性較差，水平層理較發(fā)育，平均單軸抗壓強度約為40.2MPa。巷道底板為灰黑色粉砂巖，厚度為4.3m，中厚層狀結(jié)構(gòu)，致密堅硬，硅質(zhì)膠結(jié)，水平層理較發(fā)育，平均單軸抗壓強度約為46.1MPa。

2 相似模型設(shè)計

自制的相似模擬實驗平臺如圖1所示。

圖1 相似模擬實驗平臺

2.1 相似材料配比

相似材料的配比是依據(jù)阜新礦業(yè)學院和淮南礦業(yè)學院所做的石灰、石膏相似材料配方試驗成果[5-6]，選擇試驗相似材料的最佳配比和配方。

考慮到模型有效尺寸和煤層頂?shù)装迩闆r，確定模型的幾個關(guān)鍵參數(shù)的比值[7-8]：

幾何相似比選取a=30；容重相似比選取b=1.67；應力相似比選取c=50；時間相似比選取d=5.48。

2.2 試驗測點布置

2.2.1 位移測點的布置

巷道圍巖位移測點布置參數(shù)見表1，示意圖見圖2。

表1 測點布置參數(shù)

圖2 位移測點布置

2.2.2 應力測點(應力盒)的布置

本次試驗共安設(shè)了12個應力盒用來觀測巷道圍巖應力分布狀態(tài)。巷道圍巖應力測點布置參數(shù)見表2，示意圖見圖3。

表2 應力測點布置參數(shù)

圖3 應力測點布置

2.3 巷道加載和開挖巷道

2.3.1 加載

實驗模型鋪設(shè)完成后,就可以對模型進行加載,加載時要使頂部油缸和兩側(cè)油缸同步緩慢加載至設(shè)計好的加載值。

油缸供壓值按下式進行計算:

式中，Q為油缸供壓值，MPa；γ為未模擬上覆巖層容重，取0.025kN/m3；H為埋深，取900m；S為實驗架砌塊的橫截面積，取0.261m2；α為相似實驗應力相似常數(shù)，取50；S0為油虹活塞桿橫截面積，取0.005042m2。

經(jīng)計算得到油缸供壓值Q=5.82MPa。水平方向油缸加載值取6.89MPa。對應的原型垂直應力為24.32MPa,水平應力為28.57MPa。

2.3.2 開挖巷道

相關(guān)設(shè)備安裝和加載等程序完成后,即可進行巷道的開挖。打開模型架后面的開挖窗口,用鋼板尺和自制開挖工具緩慢開挖巷道。

3 相似模型巷道圍巖位移和應力分析

3.1 巷道圍巖破壞宏觀特征

實驗過程中，保持垂直壓力和水平壓力不變，直至深部巷道在垂直應力和水平應力共同作用下產(chǎn)生破壞失穩(wěn)。巷道圍巖破壞情況為：深部巷道在無支護條件下，巷道頂板逐步破壞，并且最終形成冒落拱。巷道兩幫隨著開挖時間的變長，巷道開始發(fā)生嚴重內(nèi)擠現(xiàn)象，并且局部出現(xiàn)剪切裂隙，底板同樣存在剪切錯動破壞現(xiàn)象，并伴隨出現(xiàn)明顯的底鼓現(xiàn)象。

3.2 巷道圍巖位移分析

3.2.1 巷道頂板垂直位移分析

圖4(a),(b)分別為距巷道頂板2.5m的第1排測點和距巷道頂板1.5m處的第2排測點的垂直位移隨時間推移變化曲線圖。巷道頂板隨著時間增加而下沉量逐漸增加，但兩排測點的位移卻相差很大。圖4(a)中的第1排測點的位移量均很小，位移量最大值為9.3mm。圖4(b)中的第2排測點在第12d時巷道頂板下沉速率開始增加，在第42d后頂板變形開始穩(wěn)定，此時頂板下沉量最大值197mm。隨著距離巷道頂板表面的距離越近,測點位移越大,其中距巷道頂板表面2.5m處的測點位移極小，說明此處圍巖變形對巷道幾乎不產(chǎn)生影響，巷道頂板圍巖塑性區(qū)深度小于2.5m。

圖4 巷道頂板不同層位圍巖垂直位移

3.2.2 巷道兩幫水平位移分析

圖5(a)，(b)為巷道左右兩幫中部測點11～14的水平位移曲線圖。距巷幫0.5m處的測點12和測點13前12d內(nèi)兩幫移近速率比較快，12d后兩幫變形速率放緩，在第42d后兩幫變形開始穩(wěn)定，此時左幫和右?guī)臀灰谱畲笾捣謩e為149mm和147mm。距巷幫1.5m處的測點11和測點14從開始觀測到觀測結(jié)束，測點的位移量均很小，位移量最大值分別為8.1mm和6.8mm。說明此處圍巖變形對巷道幾乎不產(chǎn)生影響，巷道兩圍巖塑性區(qū)深度小于1.5m。

圖5 巷道兩幫不同部位圍巖水平位移

3.2.3 巷道底板垂直位移分析

圖6(a)、(b)分別為距巷道底板0.7m的測點和距巷道底板1.5m處測點的垂直位移隨時間推移變化曲線圖。巷道底板隨著時間增加而向上鼓起，但各排測點的位移卻相差很大。圖6(b)中的測點20～24從開始觀測到觀測結(jié)束，測點的位移量均很小，位移量最大值為9.1mm。

圖6 巷道底板不同層位圍巖垂直位移

圖6(a)中的測點15～19前12d內(nèi)巷道底鼓形勢并不明顯，在第12d時巷道底鼓速率開始增加，在第42d后底板變形開始穩(wěn)定，此時底鼓量最大值157mm。并且從第22d開始，巷道底板右部位移開始明顯大于底板左部，是因為底板發(fā)生了剪切錯動。隨著距離巷道底板表面的距離越近,測點位移越大，其中距巷道底板表面1.5m處的測點位移極小,說明此處圍巖變形對巷道幾乎不產(chǎn)生影響，巷道底板圍巖塑性區(qū)深度小于1.5m。

3.3 巷道圍巖應力分析

3.3.1 巷道頂板應力分析

圖7(a)是距巷道頂板2.5m測點2和距巷道頂板1.0m測點4的垂直應力隨時間變化的曲線，由于巷道臨空面的卸載作用，頂板垂直應力集中程度不高。其中測點4隨著時間的增加所受應力整體呈下降趨勢，在前12d內(nèi)下降速度最快，第12d后下降速率變緩，到第40d趨于穩(wěn)定，到觀測結(jié)束時所受應力值為3.21MPa。測點2距離巷道頂板表面較遠，所受應力值大于測點4，但隨著時間的增加整體也呈下降趨勢，到觀測結(jié)束時測點2應力值為10.21MPa。

圖7(b)是距巷道頂板2.5m測點1和距巷道頂板1.0m測點3的水平應力隨時間變化的曲線，其中測點3隨著時間的增加所受應力整體呈下降趨勢，前9d內(nèi)下降速度最快，之后變緩最終趨于穩(wěn)定，觀測結(jié)束時水平應力值為8.14MPa。而測點1所受應力是先下降，在第9d后應力又緩慢增加，到觀測結(jié)束時水平應力值達到35.21MPa，水平應力集中系數(shù)為1.26?？梢姕y點3區(qū)域巖體已經(jīng)發(fā)生破壞，應力向深部轉(zhuǎn)移，測點1區(qū)域處于應力集中區(qū)域。

圖7 巷道頂板垂直應力和水平應力與時間關(guān)系曲線

3.3.2 巷道兩幫應力分析

圖8(a)是巷道右?guī)蜏y點7和測點8分別距巷道右?guī)捅砻?.5m和1.5m的垂直應力隨時間變化的曲線，其中測點7隨著時間的增加所受應力整體呈下降趨勢，觀測結(jié)束時所受垂直應力值為9.21MPa。而測點8所受應力在前9d內(nèi)迅速下降，在第9d后應力又緩慢增加，到觀測結(jié)束時測點所受垂直應力值達到39.81MPa，垂直應力集中系數(shù)為1.43。可見測點7區(qū)域巖體已經(jīng)發(fā)生破壞，應力向深部轉(zhuǎn)移，測點8區(qū)域處于應力集中區(qū)域。

圖8(b)是巷道左幫測點6和5分別距巷道左幫表面0.5m和1.5m的水平應力隨時間變化的曲線，其中測點6隨著時間的增加所受應力整體呈下降趨勢，在前12d內(nèi)下降速度最快，第12d后下降速率變緩，到觀測結(jié)束時所受應力接近為0。測點5距離巷道頂板表面較遠，所受應力值大于測點6，但隨著時間的增加也是整體呈下降趨勢，到觀測結(jié)束時測點5所受應力值為7.19MPa。

圖8 巷道兩幫垂直應力和水平應力與時間關(guān)系曲線

3.3.3 巷道底板應力分析

圖9(a)是巷道底板測點10和12分別距巷道底板表面0.7m和1.5m的垂直應力隨時間變化的曲線，由于巷道臨空面的卸載作用，巷道底板垂直應力集中程度比較低。測點10和測點12隨著時間的增長整體呈下降的趨勢,下降速度開始快，后來變慢，最終趨于穩(wěn)定，到觀測結(jié)束時，測點10垂直應力接近為0，測點12垂直應力值為7.89MPa。

圖9 巷道底板垂直應力和水平應力與時間關(guān)系曲線

圖9(b)是巷道底板測點9和11分別距巷道底板表面0.7m和1.5m的水平應力隨時間變化的曲線，隨著時間的增長，測點9應力值是整體下降的趨勢。觀測結(jié)束時所受水平應力值為7.13MPa。測點11在前9d內(nèi)應力逐漸下降，9d后應力又逐漸增加，到觀測結(jié)束時所受水平應力值為33.48MPa，水平應力集中系數(shù)為1.21。可見測點9區(qū)域巖體已經(jīng)發(fā)生破壞，應力向深部轉(zhuǎn)移，測點11區(qū)域處于應力集中區(qū)域。

4 結(jié)論

通過采用相似模擬實驗研究手段，對深部巷道開挖的圍巖破壞特征、位移變化規(guī)律和應力變化規(guī)律進行了試驗分析，結(jié)論如下：

(1)深部巷道在無支護條件下，巷道頂板形成冒落拱，巷道兩幫發(fā)生嚴重內(nèi)擠現(xiàn)象，局部出現(xiàn)剪切裂隙，底板剪切錯動破壞，出現(xiàn)明顯的底鼓現(xiàn)象。

(2)隨著距離巷道表面的距離越近，測點位移量越大，且隨著時間的增長，測點位移速率開始增加，達到一定時間后變形開始穩(wěn)定。距頂板1.5m處位移測點最大下沉量為197mm；距巷幫0.5m處位移測點觀測，兩幫最大移近量為296mm；距底板0.7m處位移測點觀測，底鼓量最大值為157mm；測點位移量極小說明此處圍巖變形對巷道幾乎不產(chǎn)生影響，從而確定圍巖塑性區(qū)的深度，巷道頂板、兩幫和底板塑性破壞深度分別小于2.5m、1.5m和1.5m左右。

(3)隨著時間的增長巷道頂?shù)装鍦y點所受垂直應力表現(xiàn)為整體呈下降趨勢，開始下降速度快，后來變緩，最終趨于穩(wěn)定；距巷道表面較近的測點所受水平應力表現(xiàn)為開始整體呈下降趨勢，之后變緩最終趨于穩(wěn)定，而距巷道表面較遠的測點所受水平應力表現(xiàn)為先下降，后來應力又緩和增加，到結(jié)束時應力達到最大值，頂板2.5m處水平應力集中系數(shù)為1.26，底板1.5m處水平應力集中系數(shù)為1.21。

(4)隨著時間的增長巷道兩幫距巷道表面較近的測點所受垂直應力表現(xiàn)為整體呈下降趨勢，之后變緩最終趨于穩(wěn)定，距巷道表面較遠的測點所受垂直應力表現(xiàn)為先下降，后來應力又緩和增加，到結(jié)束時應力達到最大值，兩幫1.5m處垂直應力集中系數(shù)為1.43。巷道兩幫的各測點所受水平應力表現(xiàn)為開始整體呈下降趨勢，之后變緩最終趨于穩(wěn)定。

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[責任編輯：林健]

AnalogueSimulationofSurroundingRockDeformationinDeepRoadway

ZHENG Wen-xiang1,2,HU Yao-qing2

(1.Coal School,Inner Mongolian University of Science & Technology,Baotou 014010,China;2.Mining Engineering School,Taiyuan Technology University,Taiyuan 030024,China)

Applying self-made analogue simulation platform,characteristic of surrounding rock failure,deformation and stress distribution in deep roadway were researched quantificationally and qualitatively.Results showed that deep roadway had the characteristics of large deformation,large plastic zone and high stress concentration,which provided reference for supporting design of roadway with similar condition.

deep roadway; surrounding rock failure; stress variation; analogue simulation

2014-01-24

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.019

鄭文翔(1979-)，男，山西山陰人，講師，碩士研究生，主要從事煤礦開采技術(shù)、井巷支護、礦山壓力等方面的研究。

鄭文翔，胡耀青.深部巷道圍巖變形相似模擬研究[J].煤礦開采，2014，19(5)：65-69.

TD32

A

1006-6225(2014)05-0065-05