礦巖接觸帶巷道頂板沉降變形相似模擬試驗(yàn)研究*

劉曉云，葉義成,2，劉 洋，李玉飛，王為琪，陳 虎

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430081)

0 引言

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，巷道圍巖變形是由彈性區(qū)產(chǎn)生的彈性變形和塑性破壞產(chǎn)生的塑性變形組成，其中彈性變形占圍巖變形總量較少的一部分[1-3]。當(dāng)巷道巖體環(huán)境和應(yīng)力條件一定時(shí)，提高巷道的支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂板沉降量和塑性破壞范圍的控制效果有限，一部分圍巖變形和破壞在工程上是不可控的[3]。如礦巖接觸帶巷道，其頂板的破壞形式受接觸帶賦存條件的影響呈現(xiàn)諸多差異，在忽視其特殊性情況下的支護(hù)效果難以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，因此，開展接觸帶巷道變形規(guī)律研究對(duì)保證接觸帶巷道安全穩(wěn)定具有重要意義。

唐禮忠等[4]針對(duì)冬瓜山銅礦接觸帶位于巷道頂板、側(cè)幫2種工況提出了不同支護(hù)優(yōu)化方案；王劍波等[5]以武鋼金山店鐵礦二采區(qū)Ⅰ#礦體為對(duì)象，提出在礦巖接觸帶地段掘進(jìn)出礦進(jìn)路，采用全斷面一次光面爆破技術(shù)的方法；趙義來(lái)等[6]采用數(shù)值模擬的方法探討了巖體接觸帶的動(dòng)力學(xué)機(jī)制和主要的控制因素；Yassaghia等[7]通過(guò)接觸帶巖體壓縮試驗(yàn)，揭示出接觸帶巖體力學(xué)性能降低，且在擠壓條件下接觸帶巷道圍巖塑性區(qū)范圍增大的規(guī)律；Feng等[8]發(fā)現(xiàn)接觸帶巷道兩側(cè)圍巖應(yīng)力集中，軟巖側(cè)塑性區(qū)范圍較硬巖側(cè)塑性區(qū)范圍明顯增大；王其虎、魯方、盧琪雅等[9-11]分別對(duì)接觸帶巷道非協(xié)調(diào)變形特征及破壞機(jī)理、接觸帶巷道變形破壞特征、接觸帶巷道頂板變形預(yù)測(cè)開展了研究。

以上研究對(duì)礦巖接觸帶巷道穩(wěn)定性進(jìn)行了積極探索，取得了諸多的研究成果。但由于巷道頂板變形破壞具有一定的隱蔽性和突發(fā)性[12-15]，尤其是2種巖體構(gòu)成的接觸帶巷道，其頂板變形破壞的方式和規(guī)律更加復(fù)雜，有必要對(duì)接觸帶巷道頂板變形開展研究。由于接觸帶巷道頂板變形破壞受賦存條件影響較大，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)缺少可重復(fù)性，數(shù)值模擬較難真實(shí)還原實(shí)際工況，而物理相似模擬試驗(yàn)具有較好的可操作性和可重復(fù)性。因此，采用相似模擬試驗(yàn)研究接觸帶巷道頂板沉降變形規(guī)律。

1 大冶鐵礦工程地質(zhì)概況

大冶鐵礦位于湖北省黃石市鐵山區(qū)，是典型的矽卡巖接觸交代型礦山。接觸帶走向?yàn)槲鞅?東西方向，接觸帶寬50～70 m，由強(qiáng)烈的接觸交代和熱液蝕變作用形成。礦體與圍巖的接觸帶上斷裂破碎構(gòu)造較為發(fā)育，礦巖極不穩(wěn)固，開采時(shí)易發(fā)生冒頂片幫等地質(zhì)災(zāi)害。試驗(yàn)?zāi)M大冶鐵礦尖林山-90 m水平2#平巷和-110 m水平11-14#進(jìn)路接觸帶巷道。巷道斷面形狀為三心拱形，其斷面尺寸為3.6 m×3.2 m，巷道拱頂高為3.2 m。巷道間距16 m，階段高度14 m，，接觸帶巷道兩側(cè)巖體為鐵礦和大理巖，如圖1所示，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 接觸帶巷道示意Fig.1 Contact roadway

2 相似模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

2.1 相似原理參數(shù)確定

根據(jù)相似原理和試驗(yàn)條件確定試驗(yàn)參數(shù)，其中幾何相似常數(shù)Cl：

表1 礦巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of ore and rock mass

Cl=30

(1)

幾何相似常數(shù)Cl，密度相似常數(shù)Cρ和應(yīng)力相似常數(shù)Cσ需滿足：

(2)

密度相似常數(shù)Cρ為：

(3)

應(yīng)力相似常數(shù)Cσ為：

(4)

式中：ρ1，ρ2分別為模擬巖體的密度和模擬材料的密度，kg/m3;σ1，σ2分別為模擬巖體的應(yīng)力值和模擬材料的應(yīng)力值，MPa。

根據(jù)圣維南原理，構(gòu)建模型尺寸為2 000 mm×400 mm×2 000 mm(長(zhǎng)×寬×高)；由幾何相似常數(shù)確定巷道開挖尺寸為120 mm×107 mm×400 mm(寬×高×長(zhǎng))，巷道間距550 mm，階段高度460 mm；試驗(yàn)?zāi)M距離地表90～110 m的接觸帶巷道。相似模型材料根據(jù)其物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算和配比試驗(yàn)擬合得到，見表2。

表2 模型材料物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Simulation of physical and mechanical parameters of material

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在武漢科技大學(xué)自主研發(fā)的可調(diào)節(jié)相似模擬試驗(yàn)裝置[16]上進(jìn)行。裝置尺寸可調(diào)節(jié)，最大尺寸為4.0 m×0.6 m×2.4 m(長(zhǎng)×寬×高)。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足多種范圍、不同對(duì)象的模擬試驗(yàn)研究，適用于地下開采巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律、井下巷道和硐室圍巖應(yīng)力應(yīng)變等相似模擬試驗(yàn)。

2.3 模型澆筑

根據(jù)已有研究成果[17-18]，選取沙、水泥和石膏作為相似材料，確定模型巖體1(大理巖)的沙∶水泥∶石膏比值為8∶8∶2；模型巖體2(鐵礦)的沙∶水泥∶石膏比值為7∶9∶1；膠結(jié)劑水的質(zhì)量控制在相似材料總質(zhì)量的10%。設(shè)計(jì)開挖礦巖接觸帶巷道3條，分別對(duì)應(yīng)-90 m水平(1條)和-110 m水平(2條)。

模型澆筑步驟分別為模型準(zhǔn)備、材料配比、現(xiàn)場(chǎng)澆筑、基地鋪墊、分開澆筑、材料夯實(shí)。模型澆筑完成，模型尺寸為2.0 m×0.4 m×2.0 m，累計(jì)澆筑材料為1.6 m3，其中2種材料體積各0.8 m3，用不同顏色區(qū)分。

巷道開挖模擬巷道掘進(jìn)實(shí)際，采用人工開挖。巷道開挖完成后立即布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中：1#和2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在大理巖一側(cè)；3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在接觸帶處；4#和5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在鐵礦一側(cè)。監(jiān)測(cè)設(shè)備采用自主研發(fā)設(shè)計(jì)的位移傳感器，試驗(yàn)中位移傳感器監(jiān)測(cè)過(guò)程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)中位移傳感器監(jiān)測(cè)過(guò)程Fig.2 Monitoring process of displacement sensor in test

3 相似模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 -90 m水平巷道頂板沉降變形規(guī)律

圖3為巷道開挖9 d內(nèi)位移傳感器測(cè)得巷道頂板1～5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量-時(shí)間變化情況。

圖3 1～5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板沉降量-時(shí)間曲線Fig.3 Settlement of the roof-time curve at 1～5# monitoring point

橫向分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板沉降情況，位于巖體1(大理巖)外側(cè)1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處巷道頂板沉降速率最快，沉降量最大。在巷道開挖75 h后頂板沉降量達(dá)到最大值0.081 mm，巷道沉降開始趨于穩(wěn)定；位于巖體2(鐵礦)外側(cè)5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)處巷道頂板沉降速率最慢，沉降量最小，在巷道開挖約110 h后頂板沉降量達(dá)到0.035 mm，此后沉降量緩慢增長(zhǎng)。在開挖143 h時(shí)達(dá)到最大值0.039 mm。沿巷道軸向縱向分析，從1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)到5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)，巷道開挖初期頂板沉降速率逐漸減小；沉降過(guò)程中巷道頂板沉降速率減小速度逐漸變小；沉降量趨于穩(wěn)定所需時(shí)間逐漸增長(zhǎng)；最終沉降量逐漸減小。

試驗(yàn)表明，2種巖體中巷道頂板沉降量存在明顯的差異。受外部環(huán)境干擾及數(shù)據(jù)采集限制，所測(cè)數(shù)據(jù)在局部存在波動(dòng)，但對(duì)沉降量變化趨勢(shì)影響較小。根據(jù)圖3分析結(jié)果，分析開挖25，50，100和150 h時(shí)接觸帶巷道沿走向頂板沉降量分布情況，如圖4所示。

圖4 沿巷道走向巷道頂板沉降量分布Fig.4 Along the roadway to the roadway roof settlement distribution

沿接觸帶巷道走向，2種巖體中巷道頂板沉降量在空間上存在明顯的非協(xié)調(diào)性，開挖25 h后巖體1內(nèi)巷道頂板最大沉降量為0.052 mm，巖體2內(nèi)頂板的最大沉降量0.013 mm，接觸帶兩側(cè)頂板沉降量顯現(xiàn)出明顯的差異。

開挖50 h后巷道頂板沉降量整體增大，接觸帶兩側(cè)頂板沉降量差異程度增大，開挖100 h后頂板沉降量整體增大，接觸帶兩側(cè)頂板沉降量差異程度有所減小。開挖150 h后頂板沉降量小幅增大，接觸帶兩側(cè)頂板沉降量差異程度進(jìn)一步減小，沿巷道呈線性過(guò)渡。

開挖80 h后巖體1內(nèi)巷道頂板沉降變形首先趨于穩(wěn)定，接觸帶兩側(cè)不同巖體頂板沉降量差異程度隨著巖體2內(nèi)巷道頂板沉降量的增大而減小。開挖143 h后巖體2內(nèi)巷道頂板沉降變形趨于穩(wěn)定，此時(shí)接觸帶兩側(cè)不同巖體頂板沉降量沿巷道走向近似呈線性過(guò)渡。即接觸帶巷道頂板不協(xié)調(diào)變形主要發(fā)生在巷道開挖初期，隨著開挖時(shí)間增長(zhǎng)，不協(xié)調(diào)沉降程度先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定。

3.2 -90 m水平巷道頂板受擾動(dòng)沉降變形規(guī)律

在-90 m水平巷道開挖監(jiān)測(cè)9 d后，開展-110 m水平巷道的開挖工作，同時(shí)繼續(xù)對(duì)-90 m水平巷道頂板沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。圖5為-110 m水平巷道開挖后-90 m水平巷道在9 d內(nèi)的頂板沉降量-時(shí)間變化情況。

圖5 開挖擾動(dòng)下1～5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板沉降量-時(shí)間曲線Fig.5 Settlement of the roof-time curve at 1～5# monitoring point under excavation disturbance

由圖5可知，由于受到-110 m水平巷道開挖擾動(dòng)的影響，已經(jīng)處于二次平衡狀態(tài)的-90 m水平巷道頂板再次發(fā)生沉降。頂板沉降量在開挖初期增大較快，隨著開挖時(shí)間的延長(zhǎng)，沉降速率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。同時(shí)，與-90 m水平巷道開挖相比，-110 m水平巷道開挖擾動(dòng)對(duì)-90 m水平巷道頂板沉降影響減弱，-90 m水平巷道二次沉降巷道頂板最大沉降量約0.017 mm，為初次沉降頂板最大沉降量的21%。

沿巷道走向，接觸帶兩側(cè)不同巖體頂板沉降量不同。受開挖影響，接觸帶巷道大理巖側(cè)頂板沉降速率較快、沉降量較大。鐵礦側(cè)頂板沉降速率較慢，累積沉降量較小。通過(guò)分析沿巷道走向監(jiān)測(cè)點(diǎn)處頂板沉降過(guò)程發(fā)現(xiàn)，在巷道接觸帶處由大理巖側(cè)至鐵礦側(cè)，巷道頂板沉降速率逐漸減小，累積沉降量逐漸減小，表明接觸帶巷道頂板存在過(guò)渡型不協(xié)調(diào)沉降現(xiàn)象。

-110 m水平巷道開挖90 h后，大理巖側(cè)巷道頂板(1#監(jiān)測(cè)點(diǎn))沉降量達(dá)到0.016 mm，此后逐漸趨于穩(wěn)定，最終達(dá)到0.017 mm；開挖120 h后，鐵礦側(cè)巷道頂板沉降量達(dá)到0.008 mm，最終穩(wěn)定時(shí)沉降量為0.009 mm。分析表明接觸帶處巷道頂板不協(xié)調(diào)沉降變形現(xiàn)象較明顯，兩側(cè)巖體最大變形差值為0.007 mm。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，鄰近巷道開挖造成的擾動(dòng)對(duì)巷道沉降變形有較大影響，接觸帶巷道兩側(cè)巖體的不協(xié)調(diào)沉降變形增大。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步分析開挖后巷道變形破壞過(guò)程，繪制二次開挖25，50，100 和150 h時(shí)接觸帶巷道沿走向頂板沉降量的分布圖，如圖6所示。

圖6 開挖擾動(dòng)下沿巷道走向巷道頂板沉降量分布Fig.6 Along the roadway to the roadway roof settlement distribution under excavation disturbance

由圖6可知，-110 m水平巷道開挖后，受其擾動(dòng)影響，-90 m水平巷道頂板發(fā)生沉降。沿巷道走向接觸帶巷道頂板呈現(xiàn)過(guò)渡型沉降現(xiàn)象。大理巖側(cè)頂板沉降速率較快，累積沉降量較大，鐵礦側(cè)頂板沉降速率較小，累積沉降量較小。

巷道開挖25 h后，大理巖側(cè)頂板最大沉降量為0.006 mm，接觸帶處頂板沉降量為0.003 mm，鐵礦側(cè)頂板最大沉降量為0.002 mm，相對(duì)差異量為0.004 mm；開挖50 h后，巷道頂板累積沉降量進(jìn)一步增大，大理巖側(cè)頂板最大沉降量為0.013 mm，接觸帶處頂板沉降量為0.008 mm，鐵礦側(cè)頂板最大沉降量為0.005 mm，相對(duì)差異量為0.008 mm，差異程度進(jìn)一步增大；開挖100 h后，巷道頂板沉降量進(jìn)一步增大，但由于大理巖側(cè)頂板沉降趨于穩(wěn)定，鐵礦側(cè)頂板進(jìn)一步增大，接觸帶兩側(cè)頂板沉降量差異程度沒(méi)有較大變化，相對(duì)差異量為0.008 mm；開挖150 h后，由于鐵礦側(cè)頂板沉降量進(jìn)一步增大，接觸帶處頂板沉降量差異程度小幅減小，相對(duì)差異量為0.007 mm。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

以大冶鐵礦尖林山-90 m水平2#平巷為試驗(yàn)巷道，在巷道進(jìn)行玻璃鋼錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，在11～14#進(jìn)路沿巷道方向距離接觸帶前后5.00 m的大理巖側(cè)和鐵礦側(cè)對(duì)稱布置測(cè)點(diǎn)，采用JSS20A型收斂計(jì)進(jìn)行巷道收斂監(jiān)測(cè)。

4.1 巷道頂板累計(jì)沉降量

11～14#進(jìn)路接觸帶大理巖側(cè)巷道頂板累計(jì)沉降-時(shí)間曲線，如圖7所示，從大理巖側(cè)頂板累計(jì)沉降量看，12#進(jìn)路﹥11#進(jìn)路﹥13#進(jìn)路﹥14#進(jìn)路。

圖7 11～14#進(jìn)路接觸帶大理巖側(cè)巷道頂板累計(jì)沉降-時(shí)間曲線Fig.7 Cumulative settlement time curve of the roof of a marble side roadway in the contact belt of 11～14# route

11～14#進(jìn)路接觸帶鐵礦側(cè)巷道頂板累計(jì)沉降-時(shí)間曲線，如圖8所示，從鐵礦側(cè)頂板累計(jì)沉降量看，12#進(jìn)路﹥11#進(jìn)路﹥13#進(jìn)路﹥14#進(jìn)路。

圖8 11～14#進(jìn)路接觸帶鐵礦側(cè)巷道頂板累計(jì)沉降-時(shí)間曲線Fig.8 Cumulative settlement time curve of the roof of an iron ore side roadway in the contact belt of 11～14# route

就同一進(jìn)路而言，11～14#進(jìn)路頂板沉降量鐵礦側(cè)較大理巖側(cè)分別減少了34.03%，55.59%，39.93%和44.89%，平均減少量為43.61%。

4.2 巷道頂板沉降速率

11～14#進(jìn)路接觸帶大理巖側(cè)巷道頂板沉降速率-時(shí)間曲線，如圖9所示，按最大沉降速率看，12#進(jìn)路﹥11#進(jìn)路﹥13#進(jìn)路﹥14#進(jìn)路。巷道頂板沉降速率最大值出現(xiàn)時(shí)間并不相同，接觸帶巷道大理巖側(cè)頂板沉降速率呈先增大后減小的趨勢(shì)。

圖9 11～14#進(jìn)路接觸帶大理巖側(cè)巷道頂板沉降速率-時(shí)間曲線Fig.9 Rate-time curve of the roof settlement of the marble side roadway in the contact belt of 11～14# route

11～14#進(jìn)路接觸帶鐵礦側(cè)巷道頂板沉降速率-時(shí)間曲線，如圖10所示，按最大沉降速率看，11#進(jìn)路﹥12#進(jìn)路﹥13#進(jìn)路﹥14#進(jìn)路。鐵礦側(cè)與大理巖側(cè)并不相同，接觸帶巷道鐵礦側(cè)頂板沉降速率呈先增大后減小再增大再減小的變化趨勢(shì)。

圖10 11～14#進(jìn)路接觸帶鐵礦側(cè)巷道頂板沉降速率-時(shí)間曲線Fig.10 Rate-time curve of the roof subsidence of an iron ore side roadway in the contact belt of 11～14# route

11～14#進(jìn)路接觸帶巷道大理巖側(cè)和鐵礦側(cè)頂板沉降速率-時(shí)間曲線，如圖11所示，從同一進(jìn)路巷道頂板沉降速率最大值出現(xiàn)時(shí)間的角度分析，鐵礦側(cè)頂板沉降速率最大值出現(xiàn)時(shí)間早于大理巖側(cè)；從最大沉降速率的角度分析，大理巖側(cè)頂板沉降速率大于鐵礦側(cè)頂板沉降速率。11～14#進(jìn)路頂板沉降量鐵礦側(cè)較大理巖側(cè)分別減少10.31%，56.76%，29.05%和44.06%，平均減少量為35.05%。

圖11 11～14#進(jìn)路接觸帶巷道大理巖側(cè)和鐵礦側(cè)頂板沉降速率-時(shí)間曲線Fig.11 11～14# road contact belt roadway marble side and iron ore side roof settlement rate-time curve

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)表明，就同一進(jìn)路而言，大理巖側(cè)頂板沉降量和沉降速率均大于鐵礦側(cè)。接觸帶巷道大理巖側(cè)頂板沉降速率呈先增大后減小趨勢(shì)，鐵礦側(cè)頂板沉降速率呈先增大后減小再增大再減小趨勢(shì)。不同進(jìn)路的接觸帶巷道大理巖側(cè)與鐵礦側(cè)頂板沉降速率并不相同，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)論與相似模擬試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了相似模擬試驗(yàn)在接觸帶巷道頂板穩(wěn)定性研究中的適用性。

5 結(jié)論

1)相似模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，巷道開挖后，隨著頂板暴露時(shí)間的增長(zhǎng)，接觸帶巷道頂板兩側(cè)巖體沉降量先增大后小幅減小，最終趨于穩(wěn)定，且接觸帶巷道大理巖側(cè)頂板沉降量和沉降速率均大于鐵礦側(cè)。

2)受-110 m水平巷道開挖擾動(dòng)的影響，已經(jīng)處于二次平衡狀態(tài)的-90 m水平巷道頂板再次發(fā)生沉降，沉降位移為初次沉降的21%。同時(shí)，二次沉降造成既有接觸帶巷道的不協(xié)調(diào)程度增大。

3)接觸帶巷道大理巖側(cè)比鐵礦側(cè)頂板沉降先進(jìn)入穩(wěn)定，且下一水平巷道開挖造成的既有巷道二次沉降變形時(shí)長(zhǎng)大于一次沉降變形。2#巷道開挖75 h后大理巖側(cè)頂板沉降先進(jìn)入穩(wěn)定，2#巷道開挖90 h后鐵礦側(cè)頂板沉降進(jìn)入穩(wěn)定。下一水平巷道開挖后90 h，2#巷道大理巖側(cè)頂板沉降進(jìn)入穩(wěn)定，下一水平巷道開挖后120 h，2#巷道鐵礦側(cè)頂板沉降進(jìn)入穩(wěn)定。

4)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)表明，巷道大理巖側(cè)頂板沉降速率呈“Λ”型，即先增大后減小；鐵礦側(cè)頂板沉降速率呈“M”型，即先增大后減小再增大再減小。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了相似模擬試驗(yàn)在接觸帶巷道頂板穩(wěn)定性研究中的適用性。