采動影響下深埋巷道圍巖力學(xué)響應(yīng)特征

王國強(qiáng)，謝 磊

(榆林市榆神煤炭榆樹灣煤礦有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

深部巖體開挖工程需要面對高地溫、高地壓和高滲透壓等難題，因此深埋巷道圍巖的變形與破壞特征更加復(fù)雜[1-3]。在采動應(yīng)力和原地應(yīng)力的作用下，礦井圍巖極易發(fā)生變形破壞，且其變形具有明顯的流變特性，對巷道安全造成極大的威脅[4-5]。因此，研究采動影響下煤礦深埋巷道圍巖的力學(xué)性質(zhì)和變形特性對保證煤礦安全具有重要意義。

馬念杰等[6]系統(tǒng)分析了深部采動巷道冒頂事故原因和影響因素，并指出頂板穩(wěn)定性是由圍巖最大破壞深度和潛在冒落高度決定的；進(jìn)一步提出一種可接長錨桿支護(hù)技術(shù)，起到了有效控制頂板變形的效果。謝福星等[7]深入研究了開挖影響下煤巷圍巖變形特征，并指出煤巷圍巖破壞具有明顯的不對稱性；進(jìn)一步提出新型高預(yù)應(yīng)力錨桿索桁架非對稱控制技術(shù)，有效控制了煤巷圍巖的變形。王猛等[8]指出迎采動面巷道圍巖的大變形特性，并指出提高煤柱及頂板的支護(hù)強(qiáng)度能夠有效提升巷道整體穩(wěn)定性。

綜上，現(xiàn)有成果多缺乏對采動荷載影響下圍巖力學(xué)特性和變形特征的研究。因此，以榆樹灣煤礦某開采面運(yùn)輸巷道為例深入分析深埋巷道的圍巖應(yīng)力分布特征，并展開3種不同應(yīng)力路徑下的圍巖真三軸試驗(yàn)，以期得到不同影響因素下深埋巷道圍巖的力學(xué)參數(shù)和變形特征。

1 工程背景

1.1 工程概況

榆樹灣煤礦位于我國鄂爾多斯高原東北部，是我國的特大型礦井之一。煤礦內(nèi)5層可采煤層共獲得保有資源儲量170 615萬t，設(shè)計生產(chǎn)能力8.0 Mt/a。榆神礦區(qū)榆樹灣井田勘探面積113.82 km2，榆樹灣煤礦含煤地層傾角在1°～3°之間，平均傾角1.5°，有小斷層發(fā)育。構(gòu)造復(fù)雜程度為簡單構(gòu)造。此外，礦井水害來源主要是煤系上覆基巖裂隙水和老空區(qū)積水，榆樹灣煤礦采區(qū)抽排措施可以保障礦井的安全。

1.2 深埋巷道變形行為分析

深部巖體開挖工程需要面對高地溫、高地壓和高滲透壓等難題，因此深埋巷道圍巖的變形與破壞特征更加復(fù)雜。在采動應(yīng)力和原地應(yīng)力的作用下，礦井圍巖極易發(fā)生變形破壞，且其變形具有明顯的流變特性。圖1為榆樹灣煤礦某工作面上巷道的變形特征示意圖，該運(yùn)輸巷的底板及兩幫發(fā)生了明顯的變形，其中，底板下沉變形量達(dá)600 mm，幫部鼓出變形量達(dá)到1 200 mm。此外，該巷道也出現(xiàn)了臺階式幫鼓和頂板下沉等問題，巷道圍巖的大變形導(dǎo)致錨桿、錨索等支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞失效，嚴(yán)重影響礦井長期生產(chǎn)的安全性和穩(wěn)定性。

圖1 深埋巷道大變形行為

2 煤巖力學(xué)響應(yīng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計

在巷道開挖和強(qiáng)采動荷載的作用下，深埋巷道處于應(yīng)力加卸載狀態(tài)[9]，因此導(dǎo)致巷道圍巖損傷破裂，如圖2所示?？紤]到巷道圍巖所處的力學(xué)狀態(tài)，利用GCTS巖石真三軸試驗(yàn)設(shè)備對巷道圍巖試樣展開了3種不同應(yīng)力路徑下的力學(xué)試驗(yàn)，加載應(yīng)力路徑分別為：σ2=0.45σc，σ3=0，軸向荷載σ1按照20 kN/min的加載速率加載；σ2=0.45σc，σ3=0.20σc，軸向荷載σ1按照20 kN/min的加載速率加載；σ2=0.45σc，σ3=0.20σc，軸向荷載σ1按照20 kN/min的加載速率加載到80%σc后卸軸壓σ1、增圍壓σ2、保持σ3不變。巷道圍巖試樣為取自榆樹灣煤礦深部的泥巖試樣，室內(nèi)參考《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]，將其精加工成高度為150 mm的立方體巖石試樣。

圖2 采動影響下巷道圍巖應(yīng)力路徑

2.2 力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

基于采動影響下不同部位圍巖所處的應(yīng)力狀態(tài)設(shè)置了3種不同應(yīng)力路徑下的真三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖可知，不同應(yīng)力路徑下泥巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線均可以劃分為4個階段：孔隙壓密階段、彈性階段、屈服階段和峰后殘余階段。在構(gòu)造作用、采動影響、取樣等因素的影響下，室內(nèi)泥巖試樣內(nèi)部產(chǎn)生了一定數(shù)量的原生孔隙，因此在三向荷載的作用下內(nèi)部孔隙逐漸壓密。隨著最大主應(yīng)力的提高，圍巖進(jìn)入彈性變形階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似直線，此階段巖石內(nèi)部裂紋生長緩慢。屈服階段巖石內(nèi)部裂紋快速擴(kuò)展并相互貫通，直至達(dá)到峰值強(qiáng)度后泥巖試樣出現(xiàn)宏觀斷裂，試樣完全破壞。破壞后的泥巖試樣仍具有一定的承載力，但泥巖的殘余強(qiáng)度較低[11-12]。

2.2.2 結(jié)果分析

進(jìn)一步對比不同應(yīng)力路徑下泥巖的承載能力和變形特性。由圖3可知，在雙軸加載應(yīng)力條件下，泥巖的抗壓強(qiáng)度為15.52 MPa，殘余強(qiáng)度為2.75 MPa，峰值點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?.95%；在三軸加載應(yīng)力條件下，泥巖試樣的抗壓強(qiáng)度為20.08 MPa，殘余強(qiáng)度為12.17 MPa，峰值點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?.21%；在三軸加卸載應(yīng)力條件下，泥巖試樣的抗壓強(qiáng)度為16.15 MPa，峰值點(diǎn)應(yīng)變?yōu)?.32%。綜上所述可知，受開挖影響，巷道自由面圍巖的承載能力最差，其抗壓強(qiáng)度較三向地應(yīng)力條件下巖石低22.71%、殘余強(qiáng)度僅達(dá)22.60%，由此可見，對巷道圍巖進(jìn)行支護(hù)十分重要。此外，巷道圍巖的脆性程度較高，其峰值點(diǎn)應(yīng)變僅達(dá)到1.95%，小于三軸應(yīng)力條件下的泥巖試樣。此外，受采動應(yīng)力影響，三軸加卸載條件下泥巖的抗壓強(qiáng)度較三軸應(yīng)力條件下降低19.57%，這表明采動應(yīng)力對圍巖的承載能力造成了顯著的劣化作用，在采動應(yīng)力的作用下，圍巖具有更強(qiáng)的失穩(wěn)破壞傾向性。

圖3 不同應(yīng)力路徑下圍巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 圍巖破壞特征分析

圖4為不同應(yīng)力路徑下圍巖的破壞形態(tài)，由圖可知，雙軸加載條件下泥巖呈現(xiàn)出明顯的分層破壞現(xiàn)象，且其主要破壞方式剪切破壞以及張拉破壞，泥巖試樣表面出現(xiàn)明顯的張拉和剪切裂紋，試樣破化程度較高。真三軸加載條件下，試樣的破壞裂紋呈X型共軛剪切裂紋，泥巖的破壞形式仍為張拉和剪切的綜合，但可以觀察到，相較于雙軸加載試樣，三軸試樣的完整度較高、表面裂紋數(shù)目較少，這表明三軸條件下試樣的脆性程度要低于雙軸加載，這也與試樣的殘余強(qiáng)度更高的試驗(yàn)結(jié)果相一致。在真三軸加卸載條件下，泥巖同樣出現(xiàn)分層破壞現(xiàn)象，且破壞后試樣表面裂紋數(shù)目較多、貫通程度高，試樣破壞嚴(yán)重。綜上所述可知，在不同應(yīng)力路徑條件下，三軸加載破壞后的泥巖試樣完整性較高且殘余強(qiáng)度較高，而雙軸加載和加卸載條件下的試樣表現(xiàn)出明顯的脆性破壞現(xiàn)象，巖石變形破壞特征明顯。因此可見，在深埋巷道中，自由面的圍巖容易發(fā)生變形破壞，且采用應(yīng)力加劇了圍巖的變形破壞傾向，需要大幅加強(qiáng)巷道支護(hù)。

圖4 不同應(yīng)力路徑下圍巖破壞特征示意

3 結(jié)論

(1)榆樹灣煤礦某工作面運(yùn)輸巷的底板及兩幫發(fā)生了明顯的變形，其中，底板下沉變形量達(dá)600 mm，幫部鼓出變形量達(dá)到1 200 mm。此外，該巷道也出現(xiàn)了臺階式幫鼓和頂板下沉等問題。

(2)巷道自由面圍巖的承載能力與變形特性均劣于三向應(yīng)力條件下的圍巖，且采動荷載能夠大幅劣化圍巖的力學(xué)性質(zhì)。

(3)雙軸加載和三軸加卸載條件下泥巖破壞后試樣破碎化程度高，且出現(xiàn)明顯的分層破壞現(xiàn)象。三軸加載條件下泥巖破壞后完整性強(qiáng)，表面僅有一組X型共軛裂紋。