魏曉剛 楊柳川 劉會麗 魏亞強(qiáng) 黃道順 李廣慧 呼志凱 秦賽 高赫

摘要：為深入研究地震動力荷載作用下煤礦巷道與圍巖結(jié)構(gòu)破壞坍塌機(jī)理，得到煤礦巷道與圍巖結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞機(jī)制，基于有限元數(shù)值軟件ANSYS/LS-DYNA分析了El Centro地震波作用下煤礦巷道與圍巖結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)演化過程，重點(diǎn)探討了截面形式、地層地應(yīng)力及埋置深度等因素對煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)：圓形截面形成煤礦巷道的抗震性能相對較好，明顯強(qiáng)于拱形及矩形截面形成的巷道;埋置深度越深，煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)協(xié)同變形能力越差、越易發(fā)生動力失穩(wěn)現(xiàn)象;隨著深度的增加，截面形式對煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)動力穩(wěn)定性的影響逐漸弱化。煤礦巷道的頂板、幫部及腰部等圍巖位置屬于薄弱部位，易發(fā)生拉裂破壞現(xiàn)象，應(yīng)采取合理有效的錨固防護(hù)措施來保證煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：動力失穩(wěn);圍巖介質(zhì);地震動;煤礦巷道;數(shù)值模擬

中圖分類號：P315.9?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2021）02-0233-09

0 引言

由于地下煤炭的掠奪式開采，我國礦山城市產(chǎn)生了大量的遺留煤礦空洞區(qū)，嚴(yán)重限制了礦山城市的綠色可持續(xù)發(fā)展。我國近80%的礦山城市位于7度抗震設(shè)防烈度區(qū)（何滿潮，錢七虎，2010;魏曉剛等，2016），但現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范能否直接用于煤礦地下巷道結(jié)構(gòu)尚不得而知。如何保證煤礦巷道結(jié)構(gòu)及上覆圍巖的地震沖擊動力穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)礦山安全城市建設(shè)不可回避的重要問題（何滿潮，錢七虎，2010;魏曉剛等，2016）。

國內(nèi)專家學(xué)者對動力荷載作用下煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性已經(jīng)開展了一定的研究工作（何滿潮，錢七虎，2010;魏曉剛等，2015a，b，2016;李夕兵等，2007;朱萬成等，2007）。李夕兵等（2007）基于有限元差分計(jì)算程序研究了動力擾動作用下高應(yīng)力圓形煤柱的響應(yīng)規(guī)律及特征，得到了外界擾動荷載對煤柱的動力破壞效應(yīng)與初始靜載應(yīng)力密切相關(guān)的結(jié)論;朱萬成等（2007）研究得出煤礦巷道的動力穩(wěn)定性與動力擾動作用所產(chǎn)生的應(yīng)力波幅值和作用時(shí)間成正比;姜耀東等（2005）研究認(rèn)為在爆破地震波的作用下煤礦巷道圍巖產(chǎn)生了裂紋并導(dǎo)致巖層與巷道頂板、底板發(fā)生了滑動破壞現(xiàn)象;魏曉剛等（2015b）系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外煤礦采場巖體與巷道結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，指出煤礦巷道結(jié)構(gòu)與周圍巖層介質(zhì)的地震動力穩(wěn)定性問題是礦區(qū)城市迫切需要解決的安全問題。

目前，煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形動力破壞規(guī)律及失穩(wěn)機(jī)理缺乏系統(tǒng)性、完整性的理論支撐（葉洲元，周志華，2005;魏曉剛等，2015b，c;邵良杉，趙琳琳，2013;許增會等，2004;陶連金等，1998;朱維申等，2004;閆長斌等，2005）。關(guān)于地下結(jié)構(gòu)抗動力沖擊穩(wěn)定性能的研究多集中于埋置深度較淺的隧道、地鐵等地下結(jié)構(gòu)，關(guān)于煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)（上覆巖體結(jié)構(gòu)）的協(xié)同變形動力失穩(wěn)災(zāi)變行為的研究也多關(guān)注于靜力荷載作用下的災(zāi)變演化（何滿潮，錢七虎，2010;魏曉剛等，2015a，b，2016;李夕兵等，2007;朱萬成等，2007;葉洲元，周志華，2005;邵良杉，趙琳琳，2013;許增會等，2004;陶連金等，1998;朱維申等，2004;閆長斌等，2005），尤其是強(qiáng)烈擾動荷載作用下煤礦巷道與圍巖（上覆巖體結(jié)構(gòu)）動力失穩(wěn)的全過程演變及影響因素的相關(guān)研究較為匱乏（何滿潮，錢七虎，2010;魏曉剛等，2015a，c，2016;葉洲元，周志華，2005;邵良杉，趙琳琳，2013;許增會等，2004;陶連金等，1998;朱維申等，2004;閆長斌等，2005）。筆者在煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)協(xié)同變形理論分析的基礎(chǔ)上，基于有限元數(shù)值模擬，深入探討了強(qiáng)地震動作用下煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)的動力破壞特征、機(jī)理及影響因素。

1 煤礦巷道與圍巖結(jié)構(gòu)協(xié)同變形動力響應(yīng)分析

煤礦巷道與圍巖所承受的靜力荷載主要是由上部巖體的自重荷載所產(chǎn)生的，假設(shè)在上部圍巖自重荷載作用下煤礦巷道所產(chǎn)生的應(yīng)力為δ0，其應(yīng)變?yōu)棣?，位移為x0，圍巖的密度（重度）為e（圖1）。

當(dāng)發(fā)生動力擾動（地震荷載、機(jī)械擾動或礦震）時(shí)，在靜力與動力荷載聯(lián)合作用下（何滿潮，錢七虎，2010;魏曉剛等，2016），煤礦巷道與圍巖介質(zhì)組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體系的動力學(xué)方程為：

M+C+R（x）=F+F（t）（1）

式中：M為煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合體的質(zhì)量;F為煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合體所承受的靜力荷載外力的合力（上覆巖層的重力等）;x為在外力荷載作用下，煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合體所產(chǎn)生的變形位移;F（t）為地震荷載;R（x）為煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)的抗力。令K為煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)的彈性抗力系數(shù)，在外力擾動作用下，當(dāng)圍巖介質(zhì)處于彈性變化階段時(shí)，R（x）=Kx。

在動力荷載的擾動作用下（地震、巖爆、煤與瓦斯突出等），煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)在水平方向（X方向）上會產(chǎn)生一定的位移。假設(shè)在動力荷載作用下煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的應(yīng)力為σ，應(yīng)變?yōu)棣?，位移為x。在巖體內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力波在傳播過程中的波動方程為：

2x′t2=c202x′X2（2）

式中：c0為擾動荷載應(yīng)力波在巖體中的傳播速度，單位為m/s;令x′=x-x0為擾動荷載應(yīng)力波引起圍巖介質(zhì)發(fā)生的位移。

基于工程結(jié)構(gòu)波動理論可知，應(yīng)力波在巖體中的傳播速度c0=λ+2μρ，其中λ、μ均為拉梅常數(shù)，可以判斷應(yīng)力波在巖體中的傳播速度與巖體自身的材料性質(zhì)密切相關(guān)。

對式（2）進(jìn)行求解變換可以得到：

μ′（x，t）=f（x-c0t）+g（x+c0t）（3）

式中：f（x-c0t）為應(yīng)力波入射縱波的波動方程;g（x+c0t）為應(yīng)力波反射縱波的波動方程。

聯(lián)立公式（1）～（3）可以求解得到擾動荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波作用下巖體在水平方向上所產(chǎn)生的應(yīng)力σ、應(yīng)變ε、速度x′的數(shù)值解：

通過求解式（4），其數(shù)值計(jì)算解即為動力荷載作用下煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能：

U=∫0A∫0εtσdεdA（5）

基于式（4），通過求解得到應(yīng)力波作用下巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力σ、應(yīng)變ε、位移x的數(shù)值解，可以較好地判斷煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性。

由于煤礦巷道的埋置深度較深，在地應(yīng)力的作用下煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)所承受的礦山巖層壓力加大，在外界動力荷載的擾動下，即使是較小的擾動荷載，圍巖介質(zhì)所承受的應(yīng)力容易超過自身的屈服應(yīng)力，進(jìn)入塑性損傷狀態(tài)，此時(shí)圍巖發(fā)生動力失穩(wěn)破壞的可能性較大。

2 煤礦巷道及上覆圍巖介質(zhì)結(jié)構(gòu)協(xié)同變形的數(shù)值計(jì)算模型

2.1 工程概況

某礦區(qū)采場由砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖和煤層等巖層組成，各巖層的基本物理力學(xué)性能的具體參數(shù)見表1。在有限元數(shù)值模型中，所建立的坐標(biāo)系如圖2所示。

根據(jù)煤礦采場區(qū)域情況以及有限元數(shù)值計(jì)算的需要，本文定義數(shù)值計(jì)算模型的基本尺寸為X×Y×Z=660 m×610 m×300 m。為了研究動力荷載作用下煤礦巷道及上覆圍巖介質(zhì)結(jié)構(gòu)的協(xié)同變形失穩(wěn)過程，所輸入的水平剪切波為由基巖輸入的地震波。為了保證有限元數(shù)值計(jì)算模型盡可能符合實(shí)際情況，把煤礦巷道及采場圍巖的邊界設(shè)置為無反射的人工粘彈性邊界，以COMBINE14彈簧阻尼單元實(shí)現(xiàn)。煤礦巷道300 mm厚度的襯砌結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，半徑為4 m，密度為2 493 kg·m-3，彈性模量E=34.5 GPa，泊松比v=0.26。

煤礦巷道上覆圍巖介質(zhì)及襯砌結(jié)構(gòu)以單元Solid64進(jìn)行模擬，采用整體式模型來建立整體數(shù)值計(jì)算模型，采用配筋率的模式模擬鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能。

為了研究不同因素對煤礦巷道動力穩(wěn)定性的影響和截面形式對巷道不同位置的地震動力穩(wěn)定性的影響，筆者分別在不同截面形式的煤礦巷道的相似位置選取5個監(jiān)測點(diǎn)（圖3），以便深入分析研究和對比煤礦巷道不同位置的抗震性能。

2.2 地震波的選取

由《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）、《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50909—2014）、《地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51336—2018）可知，在對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析時(shí)，應(yīng)遵循以下原則選取地震波：①地震波的持續(xù)時(shí)間應(yīng)包含地震波振動最強(qiáng)烈的部分;②地震波的持續(xù)時(shí)間一般為工程結(jié)構(gòu)基本自振周期的5～10倍;③持續(xù)時(shí)間的選擇，根據(jù)是否進(jìn)行彈塑性分析而確定。

根據(jù)所建立的煤礦巷道結(jié)構(gòu)的自振周期以及規(guī)范的要求，本文選取20 s的El Centro地震波，最大加速度為150 cm/s2，其加速度時(shí)程曲線如圖4所示。地震波的輸入方式采用由基巖輸入的水平向地震動形式。

3 煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)分析

3.1 截面形式對煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)的影響

截面形式對煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)地震動力響應(yīng)的影響不容忽視，通過監(jiān)測巷道不同截面、不同位置的內(nèi)力分布及位移變形，可以較好地衡量煤礦巷道的力學(xué)性能及其穩(wěn)定性。圖5為不同截面形式的煤礦巷道的第一主應(yīng)力S1及平面剪切應(yīng)力SXY分布。

由圖5a可以看出：矩形截面形式的煤礦巷道的峰值第一主應(yīng)力S1的高應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在煤礦巷道的幫部，且峰值應(yīng)力明顯高于其他截面形式煤礦巷道。矩形煤礦巷道高應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力集聚明顯、波動劇烈（橙色、黃色交界區(qū)域集中）;拱形煤礦巷道高應(yīng)力集中分布區(qū)域相對弱化;圓形煤礦巷道的最小。以上現(xiàn)象說明截面形式對煤礦巷道抗震性能的影響不容忽視：矩形截面形式煤礦巷道抗震性能相對較差，高應(yīng)力集中區(qū)域應(yīng)力波動現(xiàn)象明顯，說明在高應(yīng)力集中區(qū)域容易發(fā)生巖層動力失穩(wěn)現(xiàn)象;圓形截面形式煤礦巷道的抗震性能相對較為理想。

由圖5b可以看出：與第一主應(yīng)力的峰值應(yīng)力分布明顯不同，矩形截面形式煤礦巷道的平面剪切應(yīng)力SXY峰值應(yīng)力的高應(yīng)力集中現(xiàn)象大面積出現(xiàn)在煤礦巷道的頂板、底板、幫部等位置，在圓形及拱形形式截面煤礦巷道也多處出現(xiàn);矩形巷道的高應(yīng)力集中區(qū)域面積較大，拱形巷道次之，圓形巷道最小，且高應(yīng)力集中區(qū)域與普通應(yīng)力集中區(qū)域交替出現(xiàn)，所以矩形截面形式煤礦巷道的抗震性能相對較差，圓形截面形式煤礦巷道抗震性能相對較好。由于巖石是典型的抗拉抗剪性能較弱的脆性材料，所以煤礦巷道的頂板、底板及幫部屬于重點(diǎn)防護(hù)位置，應(yīng)采取合理的防護(hù)加固措施來保證煤礦巷道的地震動力穩(wěn)定性。

通過分析地震作用下不同截面形式煤礦巷道不同位置的X向峰值位移（圖6）可知：不同截面形式下煤礦巷道結(jié)構(gòu)整體峰值位移響應(yīng)差異不大，主要與其具體位置密切相關(guān)。峰值位移在煤礦巷道頂板最大，從該位置開始，沿著順時(shí)針方向逐漸減小。在頂板位置，矩形截面形式煤礦巷道的峰值位移最大，圓形與拱形截面形式煤礦巷道的峰值位移則比較接近;在拱腰的位置，3種截面形式的煤礦巷道峰值位移響應(yīng)差別不大。矩形截面形式的煤礦巷道頂板與底板峰值位移差最大，說明矩形巷道變形較大，拱形巷道次之，圓形巷道最小。煤礦巷道圍巖的移動變形較大，不利于維持其動力穩(wěn)定性。

結(jié)合不同截面形式的煤礦巷道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)圓形截面形式的煤礦巷道的抗震性能相對較好，為了較好地保證煤礦巷道結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲備，后續(xù)分析中筆者選取圓形截面形式的煤礦巷道作為研究對象，分析探討地應(yīng)力、內(nèi)力分布及位移變形對其抗震性能的影響，為其他截面形式煤礦巷道的動力穩(wěn)定性研究提供參考。

3.2 地應(yīng)力對煤礦巷道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響

由于煤礦巷道處于巖層之中，地應(yīng)力對其內(nèi)力的影響不可忽視。地應(yīng)力分為自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)力。對于處于正常生產(chǎn)環(huán)境的煤礦巷道，其周圍巖（土）層自重應(yīng)力場的分布對其內(nèi)力分布的影響不容忽視。鑒于此，本文只計(jì)算自重應(yīng)力對煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響。

煤礦巷道結(jié)構(gòu)的襯砌結(jié)構(gòu)以混凝土居多，混凝土材料抗壓能力較強(qiáng)、抗拉能力較弱，所以第一主應(yīng)力S1、平面剪切應(yīng)力SXY以及等效應(yīng)力對混凝土材料的力學(xué)性能影響較大，所以筆者重點(diǎn)考察了圍巖介質(zhì)在不同本構(gòu)模型（線彈性本構(gòu)及DP本構(gòu)）條件下對煤礦巷道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響（圖7）。

由圖7可見：在圍巖介質(zhì)自重應(yīng)力的作用下，煤礦巷道結(jié)構(gòu)的S1主要出現(xiàn)在煤礦巷道襯砌結(jié)構(gòu)的頂板和底板位置，并且其應(yīng)力值為正值，說明在自重應(yīng)力作用下煤礦巷道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的底板和頂板處于受拉狀態(tài)，由于巖石及混凝土材料的抗拉性能較弱，因此頂板及底板屬于薄弱部位。

煤礦巷道襯砌結(jié)構(gòu)的SXY在30°、150°、210°和330°位置密集分布且呈正負(fù)交替出現(xiàn)，由此可以發(fā)現(xiàn)，煤礦巷道及圍巖介質(zhì)在上述4個位置上交替出現(xiàn)的剪應(yīng)力對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較大，這4個位置屬于應(yīng)力高度集中的巷道結(jié)構(gòu)薄弱位置;襯砌結(jié)構(gòu)的峰值等效應(yīng)力密集出現(xiàn)在巷道結(jié)構(gòu)的腰部中點(diǎn)處。通過對比發(fā)現(xiàn)：采用DP彈塑性本構(gòu)模型的煤礦巷道S1明顯低于線彈性本構(gòu)模型下的S1，而SXY和等效應(yīng)力略高于線彈性本構(gòu)模型下的SXY和等效應(yīng)力，說明在考慮巖層塑性變形性能后，其吸能耗能能力有所提高，比較符合巖層的實(shí)際工作狀態(tài)。

3.3 地震作用下煤礦巷道的內(nèi)力分布分析

分析圖8a所示的地震作用下煤礦巷道的最大

S1應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)：煤礦巷道的S1在地震荷載與自重應(yīng)力作用下的區(qū)別較大，其峰值由煤礦巷道的90°（頂板和底板）位置向0°和180°（巷道的腰部）位置轉(zhuǎn)移，并且S1峰值也逐漸變大，在0°和180°（巷道的腰部）位置達(dá)到最大，其應(yīng)力值分布位置圍成類似于蜜蜂翅膀的“雙翼”形狀，并呈對稱分布，說明在動力擾動荷載作用下煤礦巷道的腰部容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，從而嚴(yán)重削弱了煤礦巷道的整體力學(xué)性能。

分析圖8b所示的煤礦巷道的最大SXY應(yīng)力分布可以發(fā)現(xiàn)：地震作用下煤礦巷道的SXY分布明顯區(qū)別于自重應(yīng)力作用下的SXY的分布，尤其是45°和225°位置上的SXY明顯大于其對稱位置135°和325°位置的SXY;其應(yīng)力值分布位置圍成類似于“燕子形”的形狀，并呈對稱分布，說明SXY峰值出現(xiàn)的位置主要集中于煤礦巷道的上下幫部等容易發(fā)生剪切破壞并引發(fā)巷道整體失穩(wěn)的地方。

3.4 地震作用下煤礦巷道的動力響應(yīng)分析

通過分析圖9a所示的地震作用下煤礦巷道的第一主應(yīng)力S1動力響應(yīng)的時(shí)程曲線可以發(fā)現(xiàn)：地震

發(fā)生后，煤礦巷道不同觀測點(diǎn)的峰值第一主應(yīng)力S1均為正值，且呈現(xiàn)出交錯山峰變化的趨勢。其中3號觀測點(diǎn)峰值應(yīng)力S1明顯高于其他觀測點(diǎn)，地震發(fā)生后的前6 s內(nèi)2號觀測點(diǎn)峰值應(yīng)力S1稍微大于其他觀測點(diǎn)應(yīng)力;地震發(fā)生后的6～13 s，3號觀測點(diǎn)峰值應(yīng)力最大，13 s以后2號和4號觀測點(diǎn)的峰值應(yīng)力相對較大。不同時(shí)間段內(nèi)不同觀測點(diǎn)的峰值應(yīng)力最大值出現(xiàn)的時(shí)間不一致的主要原因是地震發(fā)生的初期以及后期，煤礦巷道的幫部屬于抗震不利的薄弱部位;地震發(fā)生中期，煤礦巷道的腰部屬于薄弱部位。地震作用下不同巖層對地震波的耗散傳播能力不同，加劇了煤礦巷道地震動力響應(yīng)的復(fù)雜性。以上現(xiàn)象說明了地震作用下煤礦巷道的幫部及腰部屬于抗震不利的薄弱部位，容易發(fā)生拉裂破壞現(xiàn)象，應(yīng)該加強(qiáng)錨固防護(hù)（錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)的剛?cè)崧?lián)合支護(hù)方式）措施。

通過分析圖9b所示的地震作用下煤礦巷道的平面剪切應(yīng)力SXY動力響應(yīng)的時(shí)程曲線可以發(fā)現(xiàn)：在地震發(fā)生的整個過程中，煤礦巷道圍巖的幫部及腰部（監(jiān)測點(diǎn)2和4）的峰值剪切應(yīng)力SXY明顯高于其他監(jiān)測點(diǎn)的峰值剪切應(yīng)力;并且監(jiān)測點(diǎn)4的剪切應(yīng)力明顯滯后并且弱于監(jiān)測點(diǎn)2的剪切應(yīng)力，說明在動力荷載作用下煤礦巷道圍巖體的幫部位置容易產(chǎn)生高應(yīng)力集中，從而引發(fā)煤礦巷道的動力失穩(wěn)破壞。

3.5 地震作用下煤礦巷道圍巖的變形分析

從內(nèi)力響應(yīng)和位移變形兩個角度分析煤礦巷道圍巖的地震動力穩(wěn)定性，能夠較好地反映出煤礦巷道圍巖體系的抗震性能。在前文分析煤礦巷道地震內(nèi)力響應(yīng)的基礎(chǔ)上，還需要對煤礦巷道圍巖的地震動力變形予以關(guān)注。

通過分析圖10a所示的地震作用下煤礦巷道圍巖的X向位移響應(yīng)時(shí)程曲線可以發(fā)現(xiàn)：煤礦巷道圍巖不同監(jiān)測位置的位移響應(yīng)時(shí)程曲線變化規(guī)律趨于一致，地震發(fā)生初期煤礦巷道圍巖的位移響應(yīng)迅速達(dá)到第一次峰值;之后位移響應(yīng)改變振動方向并達(dá)到第二次峰值，地震發(fā)生13 s后其位移響應(yīng)逐漸衰減。地震發(fā)生初期（1.74 s）煤礦巷道的水平位移響應(yīng)達(dá)到第一次峰值8.45 mm（頂板）、8.02 m（右拱上幫），其他3個監(jiān)測位置的峰值位移響應(yīng)也均在6.5 mm以上;3.16 s時(shí)煤礦巷道圍巖頂板的峰值位移響應(yīng)達(dá)到11.64 mm，圍巖右拱上幫的峰值位移響應(yīng)達(dá)到11.03 mm，其他監(jiān)測位置的峰值位移響應(yīng)也均在8.79 mm以上，之后高峰值位移響應(yīng)（4.58 mm以上）一直持續(xù)到4 s前后，說明3～4 s內(nèi)煤礦巷道圍巖由于位移響應(yīng)過大，容易發(fā)生動力失穩(wěn)現(xiàn)象;之后在4.5～5.5 s又一次出現(xiàn)高峰值位移響應(yīng)。過大的水平位移響應(yīng)，說明頂板及幫部位置更容易與圍巖發(fā)生相互擠壓，產(chǎn)生動力失穩(wěn)破壞現(xiàn)象;地震發(fā)生的過程中，煤礦巷道頂板的位移響應(yīng)要稍高于底板的位移響應(yīng)，說明在擾動荷載的作用下頂板容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，需要對頂板進(jìn)行加固支護(hù)，以保證煤礦巷道的動力穩(wěn)定安全性能。

通過分析圖10b所示的地震作用下煤礦巷道圍巖的Y向位移響應(yīng)時(shí)程曲線可以發(fā)現(xiàn)：煤礦巷道圍巖的Y向位移地震動力響應(yīng)振蕩現(xiàn)象明顯比X向要密集，但其頂板位移的峰值達(dá)到6.03 mm（向下方向發(fā)生在5.6s）和6.73 mm（向上方向發(fā)生在6.34 s），明顯弱于其水平方向位移響應(yīng);與水平方向位移相比較，Y向位移響應(yīng)屬于高頻次低峰值位移響應(yīng)，容易引起煤礦巷道圍巖的拉伸、壓縮現(xiàn)象反復(fù)發(fā)生，煤礦巷道與周圍圍巖的相鄰質(zhì)點(diǎn)的相對位移差別越大，在該區(qū)域越容易產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，越容易引起巖層的屈服破壞，從而嚴(yán)重劣化了圍巖的承載能力，引發(fā)巖層大規(guī)模的失穩(wěn)破壞。

4 結(jié)論

通過建立煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)協(xié)同變形理論分析模型，研究了強(qiáng)地震動作用下煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)的動力破壞特征、機(jī)理及影響因素，得到以下結(jié)論：

（1）地應(yīng)力對于煤礦巷道及圍巖結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性影響較大。煤礦巷道的埋置深度越深，所承受的地應(yīng)力就越大，其安全穩(wěn)定性能就不容易保證，較小的擾動荷載就容易導(dǎo)致煤礦巷道的動力失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。

（2）矩形截面形式的煤礦巷道的抗震性能相對最差，圓形截面形式的煤礦巷道的抗震性能相對最好，拱形截面形式的煤礦巷道的抗震性能則介于二者之間。當(dāng)煤礦巷道的埋置深度較深時(shí)，截面形式對煤礦巷道抗震性能的影響逐漸減弱，不同截面形式的煤礦巷道的動力響應(yīng)趨于一致。

（3）在動力荷載的擾動影響下，煤礦巷道的頂板、幫部及腰部等位置屬于薄弱部位，容易發(fā)生拉裂破壞現(xiàn)象，應(yīng)該采取合理的錨固防護(hù)措施（如錨網(wǎng)噴+錨索支護(hù)的剛?cè)崧?lián)合支護(hù)方式）來實(shí)現(xiàn)煤礦巷道的安全穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

何滿潮，錢七虎.2010.深部巖體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社.

姜耀東，趙毅鑫，宋彥琦，等.2005.放炮震動誘發(fā)煤礦巷道動力失穩(wěn)機(jī)理分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，24（7）：3131-3136.

李夕兵，李地元，郭雷，等.2007.動力擾動下深部高應(yīng)力礦柱力學(xué)響應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，26（5）：922-928.

邵良杉，趙琳琳.2013.露天采礦爆破振動對民房破壞的旋轉(zhuǎn)森林預(yù)測模型[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，23（2）：58-63.

陶連金，張倬元，傅小敏.1998.在地震荷載作用下的節(jié)理巖體地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，9（1）：32-40.

魏曉剛，麻鳳海，劉書賢.2015a.爆破開采對采空區(qū)地面建筑抗震性能的影響分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，25（9）：102-108.

魏曉剛，麻鳳海，劉書賢.2015b.煤礦采空區(qū)的地震動力災(zāi)變及安全防控的研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J].地震研究，38（3）：495-507.

魏曉剛.2015c.煤礦巷道與采空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)地震動力災(zāi)變及地面建筑抗震性能劣化研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué).

魏曉剛，麻鳳海，劉書賢.2016.煤礦采空區(qū)巖體結(jié)構(gòu)及地面建筑地震安全防護(hù)[M].北京：科學(xué)出版社.

許增會，宋宏偉，趙堅(jiān).2004.地震對隧道穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，33（1）：41-44.

閆長斌，徐國元，李夕兵.2005.爆破震動對采空區(qū)穩(wěn)定性影響的FLAC3D分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，24（16）：2894-2899.

葉洲元，周志華.2005.爆破震動安全距離的優(yōu)化計(jì)算[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，15（3）：57-60.

朱萬成，左宇軍，尚世明，等.2007.動態(tài)擾動觸發(fā)深部巷道發(fā)生失穩(wěn)破裂的數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，26（5）：915-921.

朱維申，李曉靜，郭彥雙，等.2004.地下大型洞室群穩(wěn)定性的系統(tǒng)性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，23（10）：1689-1693.

GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016版）[S].

GB 50909—2014，城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

GB/T 51336—2018，地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

Research on Influence Factors of the Seismic Dynamic Instabilityof Coal Mine Roadway and Surrounding Rock Structure

WEI Xiaogang1，2，YANG Liuchuan1，3，LIU Huili1，3，WEI Yaqiang4，HUANG Daoshun5，LI Guanghui1，HU Zhikai6，QIN Sai6，GAO He7

（1. College of Civil Engineering and Architecture， Zhengzhou University of Aeronautics， Zhengzhou 450046， Henan， China）

（2. Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，Harbin 150080，Heilongjiang， China）

（3. Institute of Civil Engineering of Realization in Zhengzhou，Zhengzhou 450046， Henan， China）

（4. College of Traffic Engineering， Huanghe Jiaotong University， Jiaozuo 454002， Henan，China）

（5. Zhonghe Gangda Engineering Consulting Co. Ltd. ， Zhengzhou 450046， Henan， China）

（6.Kexing Consturction Engineering Group Co.Ltd.，Zhengzhou 450046，Henan，China）

（7.Henan Dahe Infrastructure Engineering Co.Ltd.，Zhengzhou 450046，Henan，China）

Abstract

Aiming at the influence factors of seismic dynamic instability of the coal mine roadway and the surrounding rock structure，and by the help of the finite element analysis software，ANSYS/LS-DYNA，we analyze the failure process of the coal mine roadway and the surrounding rock structure which are subjected to El Centro earthquake wave，and focus on the influence of section form，embedment depth of the roadway，and the ground stress etc.on the dynamic response of the roadway itself.We find that the aseismatic behavior of the roadway with circular cross section is far better than that of the roadway with arch section or rectangular cross section.The deeper the buried depth of the roadway is，the weaker the collaborative deformation capacity of the roadway and the surrounding rock structure will be，and the more prone to failure they will be.As the buried depth of the roadway increases，cross section forms influence on the dynamic instability of the roadway is declining.Further，the roadways weak parts，such as roof，shoulder and waist are prone to tensile cracking，so，anchoring measures are necessary to ensure the dynamic stability of the roadway.

Keywords：dynamic instability;surrounding medium;earthquake motion;coal mine roadway;numerical simulation

收稿日期：2020-09-24.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51474045，41902266），中原千人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（194200510015），河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（192102310465、202102310240、212102310275、202102310572、212102310967、212102310968），河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（19A560023）和河南省住房城鄉(xiāng)建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目（HNJS-2020-K38，K-1915）聯(lián)合資助.

第一作者簡介：魏曉剛（1984-），副教授，研究生導(dǎo)師，博士，主要從事巖土地震工程、巖層移動與控制等方面的研究.E-mail：zzxmwxg@163.com.

通訊作者簡介：李廣慧（1970-），二級教授，研究生導(dǎo)師，博士，主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震與防災(zāi)的研究.E-mail：zzulgh@163.com.