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(tuán)，山西 大同 037000；3.大同煤礦集團(tuán)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

隨著我國(guó)地下開(kāi)采深度的不斷增加，高應(yīng)力的環(huán)境對(duì)巷道支護(hù)有了更高要求。U 型鋼可縮性支架由于具有承載能力強(qiáng)和可縮性等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于礦山中，但U 型鋼可縮性支架在實(shí)際使用時(shí)支架會(huì)因豎向荷載過(guò)大而產(chǎn)生較大變形，支架架設(shè)后無(wú)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(hù)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(dòng)圈，給出了開(kāi)挖前后圍巖和巷道的強(qiáng)度、應(yīng)力以及位移變化特性。谷栓成等[2]通過(guò)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(guò)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(dòng)方程，提出了U 型鋼與圍巖的耦合公式，用于評(píng)估U 型鋼支架的實(shí)際穩(wěn)定性。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于圍巖的變形方面研究重點(diǎn)主要集中在理論研究和接觸式試驗(yàn)破壞測(cè)試方面，非接觸式測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，對(duì)U 型鋼支架支護(hù)狀態(tài)下巷道圍巖變形特性進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)U 型鋼支架的力學(xué)性能開(kāi)展了大量室內(nèi)模型試驗(yàn)[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(shí)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(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比無(wú)支護(hù)、普通支護(hù)和U型鋼支架三種不同支護(hù)情況下巷道模型豎向受壓后應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的位移、裂紋分析，系統(tǒng)闡述U 型鋼支架支護(hù)狀態(tài)下巷道圍巖變形特性。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文試驗(yàn)在遼寧石油化工大學(xué)大型煤巖模型實(shí)驗(yàn)室完成。采用DGS-4 四通道電液伺服相似材料試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)研究，試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)場(chǎng)地、加載系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)包括VIC-3D 非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)試儀和XJTUDP 工業(yè)非接觸式近景攝影測(cè)量?jī)x。該試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐廨喞叽鐬?200 mm×1150 mm×300 mm（長(zhǎng)×高×寬），為整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)長(zhǎng)度的1/2?？紤]到模型制作完成后便于搬運(yùn)至平臺(tái)，模型高度低于平臺(tái)高度50 mm，即1150 mm，模型厚度與平臺(tái)厚度一致。模型試驗(yàn)示意圖如圖1。

圖1 巷道圍巖試驗(yàn)系統(tǒng)（mm）

本相似模擬試驗(yàn)采用的VIC-3D 系統(tǒng)為低速系統(tǒng)，選用GS3-U3-89S6M-C 型號(hào)相機(jī)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(guò)程中通過(guò)“十字”中心線調(diào)整相機(jī)觀察角度，使模型巖樣出現(xiàn)在相機(jī)的中間位置。通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)成像效果進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估，實(shí)時(shí)獲取模型圍巖上任意點(diǎn)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(shí)間，從而捕捉更多試驗(yàn)細(xì)節(jié)，提高試驗(yàn)精度，試驗(yàn)中采取分段設(shè)置采集速率的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

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

1.2 試驗(yàn)材料

本模型試驗(yàn)采用縮尺試驗(yàn)，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(shí)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(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上組裝成型。

U 型鋼采用U29 型鋼，試驗(yàn)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(hù)28 d 后脫模，以此來(lái)模擬圍巖、其模型制作過(guò)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(guò)計(jì)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(qiáng)度為2.983 MPa。

1.3 試驗(yàn)加載

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

2 試驗(yàn)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(hù)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(dá)到40 kN 時(shí)出現(xiàn)1 條裂紋，60 kN 時(shí)出現(xiàn)2 條裂紋并且支架產(chǎn)生滑動(dòng)位移，70 kN 時(shí)出現(xiàn)4 條裂紋。圍巖上裂紋數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 圍巖裂紋數(shù)量

2）裂紋長(zhǎng)度分析

U 型鋼支架進(jìn)行支護(hù)試驗(yàn)時(shí)，加壓到40 kN 開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，隨著壓力逐漸增大裂紋也在延長(zhǎng)并且縫隙加大直至模型破壞。加載過(guò)程中U 型鋼支架支護(hù)時(shí)圍巖裂紋長(zhǎng)度變化如圖2。

圖2 U 型鋼支架支護(hù)時(shí)圍巖模型裂紋長(zhǎng)度

2.2 微觀分析

1）XJTUDP 非接觸式近景攝影測(cè)量分析

通過(guò)XJTUDP 非接觸式近景攝影測(cè)量系統(tǒng)分別觀察豎向荷載為30 kN、50 kN、70 kN、90 kN 時(shí)圍巖位移場(chǎng)的變化情況，得到U 型鋼支架支護(hù)狀態(tài)下豎向荷載為90 kN 時(shí)模型場(chǎng)位移。測(cè)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(jī)的壓力在10～80 kN 時(shí)，巷道圍巖模型呈現(xiàn)緩慢變形的趨勢(shì)；達(dá)到90 kN 時(shí)巷道模型位移場(chǎng)發(fā)生驟變，位移迅速達(dá)到19.867 mm，模塊被完全壓壞。

2）VIC-3D 非接觸全場(chǎng)應(yīng)變分析

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

U 型鋼支護(hù)狀態(tài)下應(yīng)變場(chǎng)演化過(guò)程如圖4 所示。隨著加載載荷的不斷增加，首先在30 kN 時(shí)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(shí)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(zhǎng)。

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

對(duì)圍巖應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)值進(jìn)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(jiàn)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(hù)情況下應(yīng)變值

U 型鋼支護(hù)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(shí)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(zhǎng)速度較緩慢。

圖5 U 型鋼支護(hù)下圍巖模型應(yīng)變變化曲線

2.3 荷載下U 型膨脹支護(hù)情況的應(yīng)變變化

為了比較分析不同支護(hù)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(jiàn)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(wú)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(shí)頂部拉應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到了849，說(shuō)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(jìn)而拱頂開(kāi)始向兩側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)變。

經(jīng)過(guò)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(wú)支護(hù)；壓應(yīng)變絕對(duì)值的變化規(guī)律為：U 型膨脹支架＞普通支架＞無(wú)支護(hù)。由此可見(jiàn)，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(jìn)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(shuō)明，U 型膨脹支架可以保證有效接頂，增強(qiáng)巷道頂板的支護(hù)作用。

3 基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的巷道圍巖變形特性驗(yàn)證

選取有代表性的某煤礦的巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料[9-10]來(lái)驗(yàn)證U 型鋼支架支護(hù)狀態(tài)下巷道圍巖變形特性。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(chǎng)監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形曲線

對(duì)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(cè)得到的圍巖應(yīng)變值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值的相似精度R2達(dá)到0.9 以上，驗(yàn)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(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行了U 型鋼支護(hù)下圍巖模型豎向抗壓力學(xué)試驗(yàn)。結(jié)果表明：隨著豎向荷載的增大，裂紋數(shù)量和裂紋長(zhǎng)度逐漸增大，圍巖最大承壓為90 kN。

2）通過(guò)XJTUDP 非接觸式近景攝影測(cè)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(chǎng)和位移場(chǎng)?？梢?jiàn)，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(shì)，達(dá)到90 kN 時(shí)巷道模型位移場(chǎng)發(fā)生驟變，位移迅速達(dá)到19.867 mm，模塊被完全壓壞。

3）在0～90 kN 加載過(guò)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(guò)對(duì)位移場(chǎng)的數(shù)值進(jìn)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。