煤巷與支護(hù)相互作用的沖擊破壞試驗(yàn)與數(shù)值分析

呂祥鋒，潘一山，唐巨鵬，肖曉春

（1.中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，北京 100190；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

1 引 言

我國(guó)煤礦資源開(kāi)采逐漸向深部發(fā)展，沖擊地壓的發(fā)生頻次越來(lái)越多，其危害性也愈加增大，造成煤巖巷道破壞、垮塌及人員傷亡事故，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成極大的危害[1－3]。因此，沖擊地壓巷道圍巖安全支護(hù)問(wèn)題成為我國(guó)深部資源開(kāi)發(fā)亟需解決的問(wèn)題。近些年來(lái)，許多學(xué)者針對(duì)巷道支護(hù)方法開(kāi)展了多方面的研究工作，主要形成了錨網(wǎng)錨桿、U型鋼支護(hù)等主動(dòng)和被動(dòng)支護(hù)方式。上述支護(hù)方法主要是通過(guò)增強(qiáng)圍巖體強(qiáng)度或者提高支護(hù)自身承載能力以實(shí)現(xiàn)承擔(dān)上部載荷的作用[4－5]。但這些支護(hù)方法對(duì)于提高支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力是有限的，更不能承擔(dān)深部開(kāi)采過(guò)程中強(qiáng)動(dòng)力載荷的沖擊作用。

吸能支護(hù)應(yīng)用到?jīng)_擊地壓巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)中，能有效地緩沖和吸收沖擊地壓能，降低沖擊地壓巷道破壞程度，為沖擊地壓巷道提供一種可靠的支護(hù)新方法。通過(guò)對(duì)錨網(wǎng)錨桿、U型鋼和吸能支護(hù)條件下煤巖巷道沖擊破壞過(guò)程的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，研究不同支護(hù)作用下煤巖巷道沖擊破壞規(guī)律，揭示煤巖與支護(hù)相互作用下的巷道沖擊破壞機(jī)制，這也是成功地將吸能支護(hù)應(yīng)用到?jīng)_擊地壓巷道支護(hù)中的關(guān)鍵，同時(shí)也證明吸能支護(hù)應(yīng)用于沖擊地壓巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)中的有效性。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 相似模擬理論[6]

根據(jù)沖擊地壓判別準(zhǔn)則可知，在應(yīng)力-位移曲線中的極大值點(diǎn)即為沖擊地壓發(fā)生點(diǎn)。因此，只要繪制出應(yīng)力-位移曲線，就可對(duì)沖擊地壓發(fā)生和破壞規(guī)律進(jìn)行定量分析。

2.2 試驗(yàn)材料及配比

沖擊地壓相似模擬試驗(yàn)[6－8]中，主要材料包括砂、石膏。制備相似材料的方法為：將一定量的松香溶于酒精中，再按照一定比例加入配制的砂、石膏、水混合物中，材料的比例為砂：水泥：石膏：水：松香：酒精=50：10：15：5：0.8：1，配制后的材料強(qiáng)度低，破壞前應(yīng)變小于 3%，脆性破壞特征明顯，其抗壓強(qiáng)度σc=0.85 MPa，彈性模量E=90 MPa，材料密度ρ=1.54 g/cm3。此材料適宜于模擬巷道沖擊情況。

錨桿強(qiáng)度為300 MPa，錨網(wǎng)強(qiáng)度為10 MPa，強(qiáng)度換算比例為0.02，在相似試驗(yàn)中使用6 MPa左右的鉚釘和0.2 MPa左右的網(wǎng)片；U型鋼支架強(qiáng)度約為400 MPa左右，則使用8 MPa左右的鋼絲；吸能材料強(qiáng)度為25 MPa左右，用強(qiáng)度為0.5 MPa左右的泡沫鋁。吸能支護(hù)實(shí)質(zhì)為剛-柔耦合吸能支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用吸能材料作為柔性材料，相似強(qiáng)度的鋼絲作為剛性材料，支撐吸能材料形成吸能支護(hù)結(jié)構(gòu)。在相似模型制作中，首先將巷道大小的預(yù)制塊體放入模型中，待模型具有一定強(qiáng)度后抽出，實(shí)現(xiàn)先加載后開(kāi)挖的過(guò)程，同時(shí)與各支護(hù)實(shí)際工序保持一致。

2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸?/h3>

沖擊地壓[9－12]相似模擬試驗(yàn)中模型的尺寸為200 mm×200 mm×100 mm（長(zhǎng)×寬×厚），巷道截面尺寸為40 mm×30 mm，巷道上部巖層厚度為50 mm，下部巖層厚度為20 mm。模型使用6 mm厚鋼板加工而成，為能觀測(cè)巷道截面變形情況，在模型前后側(cè)均采用12 mm厚的鋼化玻璃代替鋼板。實(shí)驗(yàn)室制備脆性材料，加載后材料體內(nèi)能量積聚，突然脆性破壞，模擬頂板型沖擊地壓的發(fā)生和破壞過(guò)程是可行的。在模擬沖擊地壓發(fā)生過(guò)程中，由于相似材料會(huì)塌落到巷道內(nèi)，所以沿巷道設(shè)置一層聚酯薄膜防止對(duì)傳感器影響。同時(shí)，聚酯薄膜也可反映巷道變形情況。相似材料模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦聢D1所示。

圖1 相似材料模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Simulation model for similar material

模擬試驗(yàn)中，在模型頂面加垂直載荷，四周水平約束，且不考慮相似材料與模型側(cè)壁的摩擦作用。在液壓式試驗(yàn)機(jī)加壓裝置上進(jìn)行沖擊地壓相似材料試驗(yàn)，在加載過(guò)程中，裝置四周水平位移約束，實(shí)驗(yàn)機(jī)載荷由壓力傳感器接到記錄儀的Y坐標(biāo)上，通過(guò)位移傳感器，將位移信號(hào)接入記錄儀的X坐標(biāo)。通過(guò)應(yīng)力和位移傳感器就可以把加載過(guò)程中的應(yīng)力σ和位移u的關(guān)系曲線自動(dòng)繪制出來(lái)。巷道應(yīng)變測(cè)量采用自行研制的內(nèi)卡式傳感器，該傳感器采用雙懸臂梁電阻應(yīng)變片全橋測(cè)量，自行研制的傳感器精度高，線性重復(fù)性好，量程大，1號(hào)和2號(hào)通道（測(cè)量?jī)蓭停┝砍炭蛇_(dá)6 mm左右，3號(hào)和4號(hào)通道（測(cè)量頂板）量程可達(dá)12 mm左右。利用彈性好的鋼片固定在傳感器底座上，在鋼片上分別貼好應(yīng)變片，鋼片與巷道頂板及兩幫緊密接觸，應(yīng)變片具有很高的變形敏感性，充分利用鋼片強(qiáng)剛度，巷道微小變形直接反映到應(yīng)變片上，通過(guò)讀取應(yīng)變片數(shù)據(jù)表征巷道變形的大小，這樣使得巷道微小變形就能準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)。應(yīng)變的測(cè)量共4個(gè)通道，1號(hào)和2號(hào)通道分別表示為巷道上幫和下幫測(cè)量應(yīng)變數(shù)據(jù)，3號(hào)和4號(hào)通道分別測(cè)量巷道頂板處應(yīng)變數(shù)據(jù)，其中，3號(hào)通道測(cè)量巷道深度為14.5 cm處應(yīng)變數(shù)據(jù)，4號(hào)通道為深度為5.5 cm處應(yīng)變數(shù)據(jù)。沖擊地壓試驗(yàn)原理如圖2所示。

圖2 沖擊地壓模擬試驗(yàn)原理示意圖Fig.2 Sketch of rockburst test

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 錨網(wǎng)錨桿支護(hù)條件下沖擊地壓巷道破裂相似模擬研究

圖3給出了巷道沖擊破壞過(guò)程中各階段的破壞圖，圖4、5分別給出了巷道應(yīng)變曲線和應(yīng)力-位移關(guān)系曲線。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在加載應(yīng)力σ=0.56 MPa時(shí)，巷道發(fā)生第1次沖擊，在各關(guān)系曲線中表現(xiàn)為出現(xiàn)明顯的跳躍，此跳躍可以視為“沖擊點(diǎn)”。在巷道破壞圖中，可以看到巷道頂板和兩幫壁面上出現(xiàn)沖擊裂縫。在加載應(yīng)力σ=0.68 MPa時(shí)，巷道發(fā)生第2次明顯沖擊，曲線上有明顯的波動(dòng)，在應(yīng)力-位移曲線上出現(xiàn)大的跳躍，并伴有明顯的聲響。巷道內(nèi)部變形破壞[13－14]觀測(cè)結(jié)果表明，在巷道頂板和兩幫均有明顯的沖擊破壞裂縫開(kāi)展，由于巷道中增加了錨網(wǎng)錨桿支護(hù)，因此，表現(xiàn)出巷道頂板和兩幫有較小的破碎片剝離脫落，且巷道發(fā)生整體的傾斜變形，當(dāng)加載應(yīng)力繼續(xù)增加，隨著彈性能的不斷積聚，類似的沖擊破壞現(xiàn)象會(huì)不斷發(fā)生，并且沖擊破壞程度也會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。當(dāng)加載應(yīng)力σ=0.97 MPa時(shí)，巷道壁面上發(fā)生第3次沖擊破壞，此時(shí)，巷道變形破壞已經(jīng)比較嚴(yán)重，應(yīng)力降低非常明顯，頂板位移下沉迅速，位移值達(dá)到約11.5 mm，此時(shí)，巷道內(nèi)卡式傳感器失效。在應(yīng)變曲線中表現(xiàn)為波動(dòng)的原因主要在于巷道頂板和兩幫剝離物拋出后壁面不平整，傳感器探頭進(jìn)入凹坑或跳出。

圖3 巷道變形破壞圖 (錨網(wǎng)錨桿支護(hù))Fig.3 The diagram of roadway damage (anchor bolting)

圖4 巷道破裂應(yīng)變曲線 (錨網(wǎng)錨桿支護(hù))Fig.4 The strain curves of roadway deformation(anchor bolting)

圖5 巷道沖擊破壞應(yīng)力-位移曲線 (錨網(wǎng)錨桿支護(hù))Fig.5 Stress-displacement curve of roadway by impact loads (anchor bolting)

3.2 U型鋼支護(hù)條件下巷道沖擊破壞相似模擬研究

圖6 巷道變形破壞圖 (U型鋼支護(hù))Fig.6 The diagram of roadway damage(U-steel supporting)

圖7 巷道破裂應(yīng)變曲線(U型鋼支護(hù))Fig.7 The strain curves of roadway deformation(U-steel supporting)

圖8 巷道沖擊破壞應(yīng)力-位移曲線 (U型鋼支護(hù))Fig.8 Stress-displacement curve of roadway by impact loads (U-steel supporting)

圖6示出了巷道沖擊破壞過(guò)程中各階段的破壞圖，圖7、8分別給出了巷道應(yīng)變曲線和應(yīng)力-位移關(guān)系曲線。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)時(shí)間t=26 s時(shí)，加載應(yīng)力達(dá)到σ=0.03 MPa時(shí)，在應(yīng)變和應(yīng)力-位移曲線上均出現(xiàn)第1次跳躍，但巷道內(nèi)部觀測(cè)中無(wú)明顯沖擊破裂發(fā)生，巷道頂板和兩幫壁面完整性好。在t=100 s時(shí)，位移和應(yīng)力曲線中出現(xiàn)第2次跳躍，但巷道頂板和兩幫壁面也無(wú)沖擊破壞和明顯變形。分析其原因在于采用U型鋼支護(hù)后提高了整體支護(hù)能力以及模型初始孔隙和裂縫壓實(shí)影響等。隨著加載應(yīng)力的不斷增加，在t=240 s時(shí)，加載應(yīng)力達(dá)到σ=1 MPa時(shí)，在應(yīng)力-位移曲線上出現(xiàn)跳躍，此次跳躍可以認(rèn)為是第1次沖擊，并伴有一定的聲響。巷道頂板和兩幫壁面均出現(xiàn)明顯的裂縫擴(kuò)展，且有整塊破碎體沿頂板和巷道兩幫剝離脫落。在σ=1.27 MPa時(shí)，巷道發(fā)生第2次明顯沖擊，曲線上有明顯的跳躍。巷道內(nèi)部變形破壞觀測(cè)結(jié)果表明，在巷道頂板和兩幫均有明顯的沖擊破壞特征，且出現(xiàn)局部或一定面積的破碎體沖入巷道內(nèi)。當(dāng)t＝270 s時(shí)，巷道變形破壞已經(jīng)比較嚴(yán)重，應(yīng)力降低非常明顯，頂板位移下沉迅速，位移值達(dá)到約15.2 mm，此時(shí)，巷道內(nèi)卡式傳感器也已失效。

3.3 吸能支護(hù)條件下沖擊地壓巷道變形規(guī)律相似模擬研究

圖9給出了吸能支護(hù)巷道沖擊破壞過(guò)程中各階段的破壞圖，圖10、11分別給出了巷道應(yīng)變曲線和應(yīng)力-位移關(guān)系曲線。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在加載時(shí)間t=36 s時(shí)，應(yīng)力-位移曲線表現(xiàn)為向上彎曲趨勢(shì)，出現(xiàn)一次跳躍。在巷道宏觀變形破壞圖中可以看出，巷道頂?shù)装搴蛢蓭捅诿嫱暾院茫瑹o(wú)明顯沖擊發(fā)生。隨著加載應(yīng)力的增加，在t=75 s時(shí)，加載應(yīng)力σ=0.3 MPa，應(yīng)力-位移曲線上出現(xiàn)第1次明顯跳躍，此次跳躍可以認(rèn)為是一次沖擊發(fā)生。巷道頂?shù)装搴蛢蓭捅诿嫔蠠o(wú)明顯的沖擊破壞特征，但巷道頂?shù)装搴蛢蓭捅诿媛杂形⒘芽p出現(xiàn)，分析其原因主要是由于設(shè)置吸能材料為柔性，能起到抗緩沖作用。當(dāng)t=110 s時(shí)，加載應(yīng)力σ=0.56 MPa，在應(yīng)力-位移曲線上出現(xiàn)跳躍，此次跳躍可認(rèn)為是巷道發(fā)生第 2次沖擊，并伴有微小的聲響。吸能材料受到?jīng)_擊載荷作用后被壓密收縮，同時(shí)頂板向下彎曲變形，兩幫壁面也受沖擊作用后向巷道內(nèi)側(cè)方向彎曲變形，在巷道頂板和兩幫有沖擊破壞裂縫開(kāi)展，并有較小的破碎塊體從頂板和兩幫壁面剝離脫落。當(dāng)加載應(yīng)力繼續(xù)增加時(shí)，頂板位移下沉迅速，位移值達(dá)到約11 mm，此時(shí)內(nèi)卡式傳感器也將失效，在應(yīng)變曲線中表現(xiàn)為波動(dòng)主要是因?yàn)槲懿牧显趶椥噪A段具有可恢復(fù)性以及沖擊作用使得小破碎塊體剝離脫落造成的。隨著加載應(yīng)力增加，吸能材料具有良好的抗沖擊作用，沖擊發(fā)生時(shí)巷道無(wú)沖擊破壞。當(dāng)載荷繼續(xù)增加，沖擊更嚴(yán)重，吸能材料吸收大量沖擊能后巷道頂板和兩幫發(fā)生彎曲變形并整體傾斜，但巷道完整性較好。同樣也說(shuō)明了吸能材料應(yīng)用于沖擊地壓巷道支護(hù)中起到了緩沖吸能作用。

圖9 巷道變形破壞圖(吸能支護(hù))Fig.9 The diagram of roadway damage(energy absorbing support)

圖10 巷道破裂應(yīng)變曲線 (吸能支護(hù))Fig.10 The strain curves of roadway deformation(energy absorbing support)

圖11 巷道沖擊破壞應(yīng)力-位移曲線(吸能支護(hù))Fig.11 Stress-displacement curve of roadway by impact loads (energy absorbing support)

4 沖擊載荷作用下巷道破壞數(shù)值模擬

利用FLAC3D計(jì)算軟件，建立三維計(jì)算模型[15－17]，模型尺寸為24 m×17 m×25 m，巷道尺寸為4 m×3 m×25 m，模擬巷道距離地面深度為1000 m。計(jì)算中，采用彈塑性模型，同樣模擬了錨網(wǎng)錨桿、U型鋼支護(hù)和吸能支護(hù)（吸能材料+鋼支架組合體）條件下巷道沖擊變形規(guī)律，將沖擊波作為離散的動(dòng)態(tài)沖擊載荷施加在模型內(nèi)部節(jié)點(diǎn)上，沖擊波作用位置距離頂面5 m模型中心處。在頂板上方自巷道頂開(kāi)始垂直方向共設(shè)置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間距為0.3 m。施加沖擊載荷速度時(shí)程曲線如圖12所示。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)截面選擇在模型中心截面，監(jiān)測(cè)時(shí)間取2.0 s，監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、5號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和9號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)）進(jìn)行作用力和位移的全程監(jiān)測(cè)，不同支護(hù)條件監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果曲線如圖16～18所示。

圖13給出了錨網(wǎng)錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，從作用力曲線可知，垂直力最大達(dá) 2500 kN以上，在t=0.25 s前波動(dòng)較小，在t=0.25 s后波動(dòng)劇烈，說(shuō)明錨網(wǎng)錨桿支護(hù)后巷道受沖擊作用也較明顯且主要集中在第2次明顯沖擊，初次沖擊對(duì)載荷削弱較小。頂板垂直位移有下沉趨勢(shì)，在t=0.25 s前，下沉位移較緩慢，在t=0.25 s時(shí)，出現(xiàn)明顯的跳躍，下沉位移急劇增大，最大下沉位移約為0.25 m，在沖擊載荷反復(fù)作用下，圍巖體發(fā)生破壞。

圖12 沖擊波速度時(shí)程曲線Fig.12 Velocity-time curve for impact wave

圖13 錨網(wǎng)錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.13 The monitoring results of anchor bolting

圖14給出了U型鋼支護(hù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，垂直力最大達(dá)5000 kN左右，在t=0.5 s前波動(dòng)較小，在t=0.5 s后波動(dòng)劇烈，說(shuō)明U型鋼支護(hù)后巷道受沖擊作用也較明顯且主要集中在第2次沖擊，U型鋼支護(hù)對(duì)沖擊載荷削弱也較小。在t=0.5 s前，下沉位移較緩慢，在t=0.5 s時(shí)，出現(xiàn)明顯跳躍點(diǎn)，最大下沉位移約為 0.2 m，下沉位移值減小，被動(dòng)支護(hù)對(duì)巷道支撐作用較好，抵抗沖擊載荷能力提高較小。

圖15給出了吸能支護(hù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果，垂直力最大達(dá) 950 kN左右，在t=0.25 s前波動(dòng)很大，在t=0.25 s后波動(dòng)反而減低，且作用力明顯降低，說(shuō)明吸能材料首先起到了緩沖作用，有效地降低了沖擊載荷作用。頂板垂直位移首先出現(xiàn)明顯下沉，在t=0.25 s前，下沉位移迅速。在t=0.25 s時(shí)，出現(xiàn)明顯跳躍點(diǎn)，位移出現(xiàn)快速向上，在沖擊載荷作用下，位移逐漸向下發(fā)展并逐漸趨于穩(wěn)定，頂板總體向下位移值最大約為 0.023 m。說(shuō)明吸能材料作為弱剛度材料，起到良好緩沖作用。

圖14 U型鋼支護(hù)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.14 The monitoring results of U-steel supporting

圖15 吸能支護(hù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果Fig.15 The monitoring results of energy absorbing support

5 結(jié) 論

（1）相似材料試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，巷道頂板有明顯下沉，底板出現(xiàn)起鼓現(xiàn)象，兩邊幫均向巷道內(nèi)部方向發(fā)生彎曲變形形成裂縫，進(jìn)而擴(kuò)展和貫通，并有拋出物沖入巷道內(nèi)。不同支護(hù)表現(xiàn)為沖擊破壞程度不同，吸能支護(hù)表現(xiàn)為開(kāi)始階段緩沖作用明顯，后期沖擊作用大幅降低，巷道整體性較好。

（2）數(shù)值計(jì)算監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，錨桿支護(hù)后圍巖體強(qiáng)度提高，主動(dòng)支護(hù)后巷道受沖擊作用也較明顯；U型鋼支護(hù)后，對(duì)沖擊載荷削弱也較小，被動(dòng)支護(hù)對(duì)提高巷道支撐作用較好，抵抗沖擊載荷能力提高較小；吸能支護(hù)后，開(kāi)始階段緩沖作用明顯，后期沖擊作用大幅度降低，垂直作用力和位移也明顯減小，說(shuō)明吸能支護(hù)更適合用于沖擊地壓巷道的支護(hù)。

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