高地應力深部巷道變形破壞特征的相似模擬實驗研究

薛光武

(1.呂梁學院 礦業工程系，山西 呂梁 033001；2.太原理工大學 礦業工程學院，太原 030024)

隨著我國煤炭開采強度的不斷增大，地下淺埋深煤炭資源日益枯竭，急需發展深部煤層開采工藝[1-4]。然而在開采深度增加的同時，產生了一系列復雜棘手的問題：

1) 圍巖地應力劇烈增加。圍巖在高地應力作用下發生能量集聚現象，在外界擾動的影響下就可能會發生巖爆現象。此外，在高剪切力和拉應力的作用下，圍巖會發生擠壓大變形。這些因素導致圍巖內部產生一系列復雜多變的孔裂隙，并造成圍巖的力學強度大大降低，不利于巷道的穩定性和安全性[5-7]。

2) 在深部高地應力條件下，圍巖應力的釋放以及能量的轉化致使圍巖內部產生一系列互相交替的破裂區和非破裂區，而基于傳統的連續介質彈塑性力學理論并不能對此進行合理的解釋。例如，傳統彈塑性力學僅僅能反映出巖石在峰值之前的物理力學性質，對于峰后階段巖石內部微裂隙擴展、演化以及閉合并不能如實反映出來[8-9]。

3) 深部圍巖的分區破壞方式與傳統的圍巖破壞“三帶”劃分不一致。

針對上述問題，已有學者通過室內試驗和數值模擬進行了研究。汪斌等[6]探討了深埋工程巖體開挖后圍巖的強度特征。呂穎慧等[7]基于室內試驗得出，巷道圍巖的破壞方式隨著地應力的增大逐漸由脆性向韌性轉化。趙瑜等[10]采用數值模擬探討了深埋隧道圍巖巷道的局部破壞和漸進破壞機理。上述學者的研究均是集中于對圍巖在高應力條件下的破壞方式和特征上，對于高地應力條件下巷道圍巖的整體運移規律和垮塌機理缺乏闡述和總結。此外，上述試驗現象和研究結論僅僅適用于雙向地應力條件，對于含有自由面的圍巖并不適用。綜上所述，為了保證深部高地應力巷道的穩定性和安全性，急需對圍巖的變形破壞規律進行研究。為此，本文基于高應力二維相似模擬實驗臺，對某煤礦埋深847 m的巷道進行了相似模擬實驗，重點分析了圍巖應力分布和位移分布規律。

1 實驗方案

本文以某煤礦運輸大巷為實驗原型。該巷道埋深為847 m；幾何形狀為矩形，高為4.2 m，寬為5.4 m.巷道所在的巖層為粉砂巖，平均抗壓強度為87.5 MPa.巷道頂板為細砂巖，硬度較大，顆粒之間比較致密，平均抗壓強度為56.4 MPa.底板為中砂巖，該巖層呈層狀結構，顆粒粒徑較小，平均抗壓強度為48.9 MPa.在相似模擬設計中，相似模型的幾何相似比為30，即模型巷道的寬×高=167 mm×133 mm；容重相似比為1.67，應力相似比為50，時間相似比為5.48.真實地層中垂直應力為25.23 MPa，水平應力為27.75 MPa.經計算得到油缸垂直供壓值為7.17 MPa，水平方向油缸供壓值為7.89 MPa.

圖1 位移測點布置圖Fig.1 Arrangement of displacement measuring points

應力盒在模型中的布置位置如圖2所示。按幾何相似比折算成原型尺寸。其中，巷道中線左側區域測點用來測量水平應力，巷道中線右側區域測點用來測量垂直應力。

圖2 應力測點布置圖Fig.2 Arrangement of stress measuring points

對于相似材料的制備，本文選用細小河沙和石英作為骨料，石膏和石灰作為膠結物，云母粉作為巖層層理。由于石膏遇水硬化速率較大，在材料中添加了一定含量的緩凝劑，以便于降低硬化速率。

2 實驗結果與分析

2.1 巷道圍巖位移分析

巷道圍巖的位移變化量與巷道的穩定性和安全性緊密相關。為了實時觀察圍巖的變形規律，本文在巷道圍巖四周布置了一系列的位移監測點，著重分析了巷道圍巖的頂板垂直位移、巷道底板垂直位移和巷道兩幫水平位移隨時間的變化規律。

2.1.1巷道頂板垂直位移

由圖3可知，巷道頂板的沉降量隨著時間的增加而逐漸增大，然而每排測點的位移監測數據卻有較大的差異。圖3(a)中，第一排的位移監測點(測點1-5)從開始監測到監測結束，位移變化量較小，最大位移下沉量為9.2 mm.圖3(b)為第二排的位移監測數據(測點6-10)，在開挖12 d內變化不明顯；在開挖12 d之后位移發生突變，下沉量出現了較大的變化；在開挖42 d時位移絕對值達到最大值，該值為234 mm.

圖3 巷道頂板不同層位圍巖的垂直位移Fig.3 Vertical displacement of surrounding rock in different layers of tunnel roof

2.1.2巷道兩幫水平位移

圖4為巷道圍巖兩幫中部監測點(測點11-14)的位移量隨時間的變化曲線。從圖中可以得出：隨著開挖時間的增加，圍巖兩幫向內部移進量逐漸增大，然而不同監測點處的位移變化程度大為不同。監測點11與14從開挖之初至開挖12 d，位移變化量相對較小，最大變化量分別為18.4 mm與18.8 mm.對于監測點12與13來說，圍巖位移變化量非常明顯，其最大移進量分別為162 mm與154 mm.由此可以得出，越接近于巷道兩幫的位置，其位移變化程度越明顯。

圖4 巷道兩幫不同部位圍巖的水平位移Fig.4 Horizontal displacement of surrounding rock in different parts of tunnel

2.1.3巷道底板垂直位移

圖5分別為第四排位移監測點(測點15-19，在巷道底板下方0.7 m處設定)和第五排位移監測點(測點20-24，在巷道底板下方1.5 m處設定)的垂直位移隨時間的變化曲線。從圖5可以得出：隨著開挖時間的增加，地板向上鼓起量逐漸增大；不同監測點的位移變化程度大為不同。圖5(a)顯示：在開挖12 d之前底板鼓變形不明顯；12 d之后巷道底板鼓起量迅速增大，并且在42 d時達到最大值(154 mm).圖5(b)顯示：從巷道開挖之初到開挖12 d的位移變化量均非常小；在42 d之后，位移絕對值最大值約為10.3 mm.需要注意的是，底板右半部分的移進量要大于底板左半部分，這主要是因為底板發生了剪切變形破壞。

對照組患兒采用沙美特羅替卡松結合糠酸莫米松治療,沙美特羅替卡松吸入劑(Glaxo Operations UK Limited國藥準字H20150242規格50ug/500ug*60泡),早晚1次。糠酸莫米松鼻劑(Schering-Plough Labo N.V.(比利時)國藥準字H20140100),每側鼻孔1撳,每日1次,持續治療30d。

圖5 巷道底板不同層位圍巖的垂直位移Fig.5 Vertical displacement of surrounding rock in different layers of tunnel floor

2.2 巷道圍巖應力分析

巷道開挖之后，每隔10 min對各個監測點的水平應變量和垂直應變量進行統計，然后再將該應變量代入到相應的公式中反算，得出水平應力值和垂直應力值。本節重點分析了巷道頂底板、巷道兩幫的應力變化規律。

2.2.1巷道頂板應力

圖6(a)為巷道頂板兩個不同監測點的垂直應力隨時間的變化圖。監測點4′處的垂直應力絕對值從整體上看隨時間的增加而逐漸降低；在開挖12 d之前，下降率比較大；在開挖12 d之后下降趨勢逐漸緩和；在巷道開挖20 d后應力趨于穩定，絕對值達到11.17 MPa.監測點2′處的垂直應力絕對值從整體上看隨著時間的增加逐漸降低，在巷道開挖42 d后其值達到27.60 MPa.

圖6(b)為巷道頂板兩個不同監測點水平應力隨時間的變化圖。監測點3′處的水平應力絕對值從整體上看隨時間的增加而逐漸降低；在開挖12 d之前，下降比較劇烈；在開挖12 d之后下降趨勢逐漸緩和；在巷道開挖20 d后趨于穩定，絕對值達到15.37 MPa.監測點1′處的水平應力絕對值在開挖10 d以內隨著時間的增加出現下降的趨勢；在開挖12 d之后應力絕對值逐漸增大；在開挖42 d之后趨于緩和，應力絕對值達到56.50 MPa.由此可以得出，監測點3′處的巖體發生了屈服破壞，而監測點1′處的巖層處于應力集中區域。

圖6 巷道頂板垂直應力和水平應力與時間的關系曲線Fig.6 Change of vertical stress and horizontal stress of tunnel roof with the time

2.2.2巷道兩幫應力

圖7(a)為巷道圍巖兩幫不同監測位置處的垂直應力隨時間的變化曲線。監測點7′處的垂直應力絕對值從整體上看隨著時間的增加而逐漸下降；在開挖42 d之后逐漸趨于穩定，達到15.55 MPa.監測點8′處的垂直應力絕對值在巷道開挖15 d之內隨著時間的增加而逐漸降低；在開挖15 d之后隨著時間的增加又逐漸增大，并在開挖42 d后趨于穩定，達到76.50 MPa.由此可知，監測點7′處的巖層已經發生了屈服破壞，應力逐漸向深部轉移，而監測點8′處的巖層屬于應力集中區域。

圖7(b)為巷道圍巖兩幫不同監測位置處的水平應力隨時間的變化曲線。從整體上看，監測點6′處的水平應力絕對值隨著時間的增加而逐漸下降；開挖16 d之前下降程度比較劇烈；開挖16 d之后下降速率緩和；在開挖42 d之后趨于穩定(絕對值達到4.52 MPa).監測點5′處的水平應力絕對值隨著時間的增加而逐漸降低，并且在開挖42 d后趨于穩定，達到13.90 MPa.

圖7 巷道兩幫垂直應力和水平應力隨時間的變化Fig.7 Change of vertical stress and horizontal stress of two sideways in tunnel with the time

2.2.3巷道底板應力

圖8(a)為巷道底板不同監測位置處(10'和12')的垂直應力隨時間的變化曲線。兩個監測點處的垂直應力絕對值均隨著時間的增加而逐漸下降；在開挖17 d以內下降程度比較劇烈；在開挖17 d之后下降程度趨于緩和；在開挖42 d后趨于穩定，應力絕對值分別為4.35 MPa(測點12′)和18.60 MPa(測點10′).

圖8(b)為巷道底板不同監測位置處的水平應力隨時間的變化規律。監測點9′處的應力絕對值隨著時間的增加而逐漸下降，并在開挖42 d后趨于穩定，達到16.30 MPa.監測點11′的水平應力絕對值在開挖15 d以內逐漸下降；在開挖15 d之后又逐漸增大；在開挖42 d后趨于穩定，達到51.60 MPa.由此可知，監測點9′處的巖層已經發生了屈服破壞，而監測點11′處的巖層屬于應力集中區域。

3 結論

針對某煤礦深部高地應力巷道的安全支護問題，本文通過自行設計的二維高應力相似模擬實驗平臺，對該巷道圍巖的破壞變形規律，以及位移和應力分布規律進行了試驗研究，主要結論如下:

圖8 巷道底板垂直應力和水平應力隨時間的變化Fig.8 Change of vertical and horizontal stress of tunnel floor with the time

1) 該巷道在開挖完畢之后，隨著時間的增加，變形破壞范圍逐漸增大。在頂板的冒落范圍延伸到上覆第二巖層的位置處，冒落區域呈現拱形。巷道兩幫由于擠壓發生嚴重的變形；在頂板和圍巖兩幫局部位置出現了一系列相互交叉貫通的復雜裂隙帶；底板由于剪切錯動發生了底鼓現象。

2) 巷道頂板上方1.5 m處的巖層位移下沉量約為 234 mm；巷道圍巖左右兩幫0.5 m處的巖層向內部移進量分別為162 mm，154 mm； 底板下方0.7 m處的巖層向內鼓起量為154 mm.

3) 巷道頂板上方2.5 m處的巖層穩定后的水平應力絕對值為15.37 MPa；巷道兩幫1.5 m處的巖層穩定后的垂直應力絕對值為15.55 MPa；底板下方1.5 m處的巖層穩定后的水平應力絕對值為16.30 MPa.