沖擊波作用下巷道破壞規律相似模擬研究

呂祥鋒， 潘一山， 李忠華， 代樹紅

(遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

隨著我國煤礦資源開采逐漸向深部發展，沖擊地壓的發生頻次越來越多，其危害性也愈加增大，造成巷道圍巖破壞、垮塌及人員傷亡事故，對煤礦安全生產造成極大的危害［1，2]。因此，沖擊地壓巷道圍巖破壞問題成為我國深部資源開發亟需解決的研究課題。近些年來，我國力學工作者對爆炸載荷作用下巖石裂紋擴展、變形及破壞方面做了大量有意義的理論和試驗研究。中國礦業大學(北京)李清等［3]分析了爆炸沖擊載荷作用下裂紋的擴展規律，初步得到了裂紋擴展是爆炸卸載破壞的結論;錢七虎、王明洋等［4]考慮巖石的構造特點，對爆炸沖擊載荷作用下巖石的動力變形與破壞特征進行了理論分析，并利用數值手段研究了爆炸荷載作用下塊體運動和變形的基本規律。但對于高速沖擊載荷作用下的巷道圍巖裂縫發展、變形和破壞試驗研究還很少，其機理和破壞規律還不夠清晰。因此，研究高速沖擊載荷作用下巷道破壞規律，對于深部煤礦安全開采具有指導意義。

通過高速沖擊載荷作用下巷道變形與破壞規律的試驗研究，分析不同炮孔位置和不同藥量對巷道變形、破壞的影響，再現深部煤礦開采過程中沖擊地壓巷道破壞特征，尋求沖擊載荷作用下巷道裂縫發展、變形和破壞規律。從而為深部煤礦安全開采提供技術支持。

1 相似模擬試驗模型

1.1 相似模型

(1)幾何相似

根據研究的實際情況和試驗條件［5－8]，模擬巷道試驗模型選擇比尺為1∶30，即將原模型縮小為1/30，各基本物理量滿足以下比例關系:

式中，LH和LM分別代表原型和模型長度，m。αL為相似長度比尺。

(2)動力相似

考慮重力作用影響，要求重力相似。在幾何相似條件下對重力相似，還要求 γH和 γM的比尺 αγ為常數，則:

式中，γH和γM分別為原型和模型的巖層視密度，g/m3;σH和σM分別為原型和模型巖層單向抗壓強度，MPa;αγ為視密度比尺;ασ為抗壓強度比尺。

設PH、VH和PM、VM分別表示原型和模型對應部分的重力和體積，可知:

則:

模型配比滿足上式(1)、式(2)、式(3)和式(6)，即可滿足動力相似條件。

根據以上各參數比尺關系，可得模型上相應的參數量:

(3)相似材料配比

相似材料模型選取硅砂、碳酸鈣和石膏按照規定的抗壓強度配比作為骨料，加以適量配有緩凝劑的蒸餾水溶液，攪拌均勻后，按照模型尺寸進行填裝建模。模型從下至上分為粉砂巖、中粗砂巖、細砂巖、煤層、細砂巖、中粒砂巖、礫巖和泥巖，視密度為1.5 g/cm3。硅砂粒徑在50目～100目，層間云母粉分層，每次裝填厚度為5 mm～20 mm。

(4)模擬方案模型尺寸及炮孔布置

相似模擬模型尺寸為:1 500 mm×1 100 mm×200 mm，巷道尺寸為:￠150 mm×200 mm。試驗模型幾何相似比為1∶30，模擬了實際開采煤層長度為45 m，圓形巷道直徑為4.5 m，與煤礦現場情況基本一致?？紤]到試驗中的尺寸效應問題，巷道特征尺寸與巷道距模型邊界的距離之比值偏大，可減小試驗結果誤差。模擬巷道上方沖擊來壓作用，炮孔均勻布置巷道上方區域，共設置4個炮孔，間距為50 mm，炮孔軸向與巷道軸向平行，根據不同爆炸方案要求，每炮孔裝藥量為1.5 g～4.0 g，炮孔長度為60 mm，距模型正背面各70 mm，也降低鋼護板對應力波傳播作用的影響。模型炮孔布置如圖1所示，模擬方案如表1所示。

圖1 炮孔位置示意圖Fig.1 Sketch map of the loaded holes

表1 相似模擬試驗方案Tab.1 Analogy simulation testing programs

(5)相似模擬模型

模型兩側面全約束，正面為自由面，背面為水平約束。爆炸試驗中，炮孔位置作用力最大，為防止破碎塊體四處飛濺影響散斑觀測結果，正面和背面鋼護板與模型表面略微接觸，但不會影響沖擊載荷對模型材料的破壞作用。模型前、后兩面采用寬200 mm的可拆卸槽鋼護板對模型進行定型，并利用巖層自重模擬初試地應力。相似模型如圖2所示。

1.2 爆炸參數確定

爆破相似模擬試驗需要滿足動力相似，假設爆炸應力場和變形場只受爆炸能量的影響，原型和模型在幾何、時間和強度上相似，即:

圖2 相似材料模型簡圖Fig.2 Diagram of model experiment

式中，RH、RM，tH、tM和 σ'H、σ'M分別為原型和模型爆炸中的長度、時間和應力。

相似試驗中，選擇比尺為1∶30，用能量相似定律確定用藥量，即:

式中，WH、WM和QH、QM分別為原型和模型爆炸用藥量和炸藥能量。

試驗過程中，選用硝銨炸藥作為試驗用藥，并采用特制雷管為起爆用藥。模型爆破區域為400 mm×400 mm×200 mm，沖擊地壓釋放能量約為 2.0 MJ～20.0MJ，根據能量相似條件，采用衡量炸藥對外做功的爆力值代替炸藥能量進行相似計算，實際計算模型起爆硝銨炸藥總藥量為 6.0 g～16.0 g。

2 試驗結果與分析

對不同炮孔位置和裝藥量條件下沖擊地壓巷道破壞規律進行了研究，通過試驗結果分析可知，隨著炮孔距離巷道位置的接近，巷道破壞越加嚴重，經歷了頂板裂縫出現、發育和開裂以及破壞和坍塌階段。隨著裝藥量的增加，對巷道的破壞程度也明顯增加，當炸藥量較小時，沖擊應力波首先向巷道方向傳播，表現為裂縫出現和逐漸擴展;當裝藥量增加到足夠大時，應力波的重復作用造成巖體破壞甚至巷道坍塌，同時其破壞向頂板上部巖層轉移，分析其原因在于，在高速沖擊波作用下頂板上部巖層出現裂縫，并不斷發展，頂板垮塌后上部巖層在自重力作用下而整體塌落。高速沖擊載荷作用下巷道破壞規律研究結果表明巖體的破壞經歷了拉剪裂縫、重復拉剪破碎和破壞三個階段，與黃潤秋等對震裂變形破壞形式機制的研究結果具有一致性［9]。

方案一:炮孔距離巷道為450 mm，裝藥量為6.0 g。巷道頂板附近出現裂縫，屬于拉剪裂縫，引爆后［10]巷道上方頂板裂縫如圖3所示。由于炮孔距離巷道較遠，且裝藥量小，引爆后沖擊應力波向巷道方向傳遞為主，在頂板處形成裂縫，但裂縫未能貫通，條數較少，裂縫寬度也較小。

圖3 巷道頂板裂縫發展Fig.3 The processes of cracking at tunnel roof

方案二:炮孔距離巷道為300 mm，裝藥量為6.0 g。如圖4和圖5所示，巷道頂板附近裂縫較為發育，且巷道頂層出現部分塌落，屬于重復拉剪破壞。與方案一試驗結果對比可知，隨著炮孔距離巷道位置的接近，頂板裂縫逐漸發育且模型頂部也略有裂縫出現，表現為巷道頂部有局部塌落現象。

方案三:炮孔距離巷道為200 mm，裝藥量為8.0 g。圖6和圖7表示巷道坍塌和模型頂面裂縫開展情況。由圖示結果可知，巷道頂板出現大面積塌落，四周破壞，屬于拉剪破壞。與方案三試驗結果對比可知，裝藥量增加對巷道破壞形式影響很大，巷道上部頂板發生整體破壞坍塌。由試驗結果分析還可得，高速沖擊載荷對周圍巖體具有破壞的作用，表現為頂板巖體的破碎塌落，且模型上部裂縫發展明顯，出現兩條貫通裂縫。

方案四:炮孔距離巷道為200 mm，裝藥量為16.0 g。巷道頂板及上部巖體出現破壞坍塌，也屬于拉剪破壞，如圖8和圖9所示。當裝藥量足夠大時，高速沖擊載荷對巷道具有破壞性作用，表現為上部頂板和巖層整體破壞塌落，巷道底板和底部巖層同樣發生破壞，且表現為對上部巖層破壞力增強。

數字散斑結果如圖10所示，同樣表明高速沖擊載荷作用下巷道頂板變形和位移最大，巷道頂板附近有剝落現象(圖中白色空白)。巷道頂板巖層首先產生裂縫，在重復拉剪作用下有局部巖體發生破碎，脫離巖層表面。同時沖擊波向巷道四周傳播，巷道產生向下位移，當沖擊能較小時，巷道頂板和四周圍巖發生變形，表現為由頂板向兩幫逐漸擴展。

隨著炮孔距離巷道的接近和裝藥量增加，沖擊載荷作用下巷道頂板裂縫迅速，且逐漸向頂板上部巖層擴展。巷道破壞形式表現為裂縫出現、擴展和坍塌，當炸藥量足夠大時，對巷道巖體具有破碎的作用。試驗結果還表明，模型正、背面采用鋼護板略微接觸方式，防止了破碎塊體四處飛濺發生。同時，不同方案條件下模型破壞結果說明，試驗消除了尺寸效應影響，模型破壞不受鋼護板影響。因此，鋼護板反射作用對試驗結果影響不大，可忽略不計。

圖10 散斑場各觀測點計算云圖Fig.10 Nephogram of roadway speckle field

3 結論

通過對高速沖擊載荷作用下巷道破壞規律的相似模擬試驗研究，得到以下主要結論:

(1) 沖擊應力波以巷道方向傳遞為主，在巷道頂板附近形成裂紋、破碎或坍塌區;當裝藥量足夠大時，應力波對上部巖體破壞力明顯增強，沖擊能是影響巷道破壞程度的主要因素。

(2) 高速沖擊載荷作用下巷道圍巖體破壞可分為拉剪裂縫、重復拉剪破碎和破壞三個階段，與黃潤秋等對震裂變形破壞形式機制研究具有一致性。

(3) 巷道破壞表現為巷道頂板附近首先出現裂縫，屬于拉剪裂縫階段;裂縫繼續發育，巷道頂層出現部分塌落，屬于重復拉剪破壞;巷道頂板出現大面積塌落，且頂板上部巖層開裂，巷道四周破壞，屬于破壞階段。研究結果為沖擊地壓巷道破壞預測和防治提供有力參考。

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