不同巖體結(jié)構(gòu)巷道沖擊地壓破壞特征的模型試驗(yàn)研究

顧 洋 陳 杰

（1.華北水利水電大學(xué)河南省巖土力學(xué)與結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450045；2.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610）

沖擊地壓是煤礦深部巖石工程遇到的一個(gè)重要問(wèn)題，隨著采礦等工程進(jìn)一步向深部發(fā)展，其對(duì)巷道造成的危害日益嚴(yán)重。沖擊地壓巷道致災(zāi)機(jī)理研究是目前熱點(diǎn)之一[1-2]，王飛[3]以新景煤礦3213工作面為對(duì)象，采用理論分析和數(shù)值模擬手段研究了深部大采高工作面頂板巖層對(duì)沖擊地壓的影響規(guī)律。然而由于深部巖體物理力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性、多變性，致使很難準(zhǔn)確全面地確定巖體的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則，這樣采用數(shù)值分析方法和解析方法研究沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理存在極大的困難，采用物理模型試驗(yàn)[4]可以避開(kāi)上述難點(diǎn)，是一種有效的研究手段。目前，在室內(nèi)主要采用兩類(lèi)方法模擬沖擊地壓，一類(lèi)采用靜力加載[5-8]，另一類(lèi)采用炸藥模擬動(dòng)力荷載[9-10]。然而沖擊地壓災(zāi)害調(diào)查結(jié)果表明，其產(chǎn)生既有靜力又有動(dòng)力作用，因此僅僅利用單一的靜載或動(dòng)載作用不能真實(shí)模擬沖擊地壓發(fā)生的實(shí)際破壞特征，同時(shí)巷道巖體結(jié)構(gòu)組成不同直接影響了沖擊地壓的發(fā)生。上述研究均采用均質(zhì)材料模擬，沒(méi)有考慮巖體結(jié)構(gòu)變化對(duì)巷道沖擊地壓產(chǎn)生機(jī)理的影響，故采用層狀巖體巷道和小塊狀巖體巷道兩種試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑诒ê挽o力荷載共同作用下研究沖擊地壓的破壞特征。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)備采用YDM-D型巖土多功能試驗(yàn)機(jī)，該裝置可以通過(guò)施加不同大小的水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力來(lái)模擬靜載作用下洞室的破壞特征，相似材料采用低強(qiáng)度水泥砂漿。根據(jù)實(shí)際工程中深部煤巷常用的設(shè)計(jì)尺寸以及弗洛德相似定律的要求，本次模型試驗(yàn)長(zhǎng)度相似比尺選取為1/20，共完成4組試驗(yàn)，其中一組層狀巖體巷道和一組小塊狀巖體巷道模型體尺寸設(shè)計(jì)為160 cm×130 cm×40 cm（后文簡(jiǎn)稱(chēng)小模型體），洞室位于模型體中間部位，形狀為直墻拱形，尺寸設(shè)計(jì)為墻高20 cm，拱高8 cm，底寬40 cm，模型體養(yǎng)護(hù)時(shí)均采取豎直放置；兩組小塊狀巖體巷道模型體尺寸設(shè)計(jì)為160 cm×160 cm×40 cm（后文簡(jiǎn)稱(chēng)大模型體），洞室位于模型體中間部位，形狀為直墻拱形，尺寸設(shè)計(jì)為墻高8 cm，拱高15 cm，底寬30 cm，模型體養(yǎng)護(hù)時(shí)一組采取水平放置，一組采取豎向放置。由于巖體重度相似比尺對(duì)本試驗(yàn)研究問(wèn)題影響較小，應(yīng)力比尺選取為1/10即可滿足本次試驗(yàn)精度的要求。巖體與相似材料的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體及相似材料物理力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

層狀巖體巷道的模型體制作時(shí)，為提高擊實(shí)效果采用分層擊實(shí)的方式，每層厚度為3 cm，層與層之間做刮毛處理。小塊狀巖體巷道的模型體制作時(shí)，模型體中間區(qū)域80 cm×80 cm制作為小塊狀，尺寸為2.5 cm×2.5 cm×3 cm，其余區(qū)域均進(jìn)行分層擊實(shí)處理。在模型體制作完成后，加上約束鋼板和約束梁，以不同的放置方式養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)首先分級(jí)施加靜力荷載，側(cè)壓系數(shù)為1/3，在施加6次靜力荷載后，豎向應(yīng)力達(dá)到2.1 MPa，水平應(yīng)力達(dá)到0.7 MPa。保持恒定的靜力荷載，在模型體右側(cè)造孔，安裝導(dǎo)爆索+10 gTNT，釋放爆炸荷載。爆炸結(jié)束后形成的爆炸空腔用濕黃土填塞處理，保持靜力荷載恒定，分4步開(kāi)挖洞室，每步10 cm。洞室開(kāi)挖完成后，在模型體的左側(cè)造孔，安裝導(dǎo)爆索+10 gTNT、導(dǎo)爆索+15 gTNT和導(dǎo)爆索+20 gTNT，依次進(jìn)行爆破，觀察模型體和洞室的破壞特征。爆炸孔布置如圖1。

圖1 靜力荷載以及炸藥布置（mm）

2 破壞特征分析

2.1 小模型體洞室的破壞特征

2.1.1 層狀巖體洞室的破壞特征

在洞壁處破壞特征主要為，在距離爆心最近的洞壁產(chǎn)生較大變形，右側(cè)拱腳附近表層掉塊，而距離爆心較遠(yuǎn)的洞壁在爆炸荷載作用下無(wú)明顯變形，模型體破壞主要表現(xiàn)為在炸藥埋設(shè)附近出現(xiàn)較大爆炸空腔。

2.1.2 小塊狀巖體洞室的破壞特征

隨著第三次爆炸荷載施加，洞頂沖出物應(yīng)聲而落，速度極快，沖出物主要為較小的塊體。室內(nèi)再現(xiàn)了沖擊地壓致災(zāi)破壞現(xiàn)象，類(lèi)似于巷道沖擊地壓致災(zāi)的破壞特征。在軸向方向，破壞主要分布在洞室中間部位，寬度為10 cm；在徑向方向，破壞位置開(kāi)始于左側(cè)拱圈的底部，結(jié)束于拱圈頂部偏右位置，破壞深度最大約為7 cm。

2.2 大模型體洞室的破壞特征

2.2.1 模型體豎直養(yǎng)護(hù)下的破壞特征

在模型體豎直養(yǎng)護(hù)條件下，第三次爆炸荷載施加后，洞室內(nèi)有煙霧產(chǎn)生，并伴有大量沖出物。沖出物主要包括3個(gè)較大的塊體，其尺寸分別為15 cm×15 cm、15 cm×7 cm、17 cm×7 cm，厚度均為3 cm左右，2個(gè)較小的塊體和一些較破碎體，總重7.95 kg，為典型的拋擲型沖擊地壓。沿著軸向方向，破壞主要分布在中間拱圈部位，厚度約10 cm，沿著徑向方向，破壞主要分布在左側(cè)壁的頂部至右側(cè)拱頂上部。

塌落空腔特征：從爆心到洞壁的最短距離約30 cm，其寬度從爆心到洞壁逐步增大，在爆心附近寬度為14 cm，在中間位置約為15 cm，在洞壁附近增加至21 cm，空腔上部破壞面平直，幾乎完全平行于洞頂?shù)那芯€方向。

2.2.2 模型體水平養(yǎng)護(hù)條件下的破壞特征

在模型體水平養(yǎng)護(hù)條件下，依次施加10 g和15 gTNT炸藥后，模型體沒(méi)有破壞，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，有約1/2厚度的模型體的洞壁明顯向洞內(nèi)變形，并逐漸增大，最終導(dǎo)致剪切破壞。

3 結(jié)果分析

大模型體小塊狀巖體巷道在水平養(yǎng)護(hù)條件下，洞室最終出現(xiàn)靜力破壞原因如下：養(yǎng)護(hù)時(shí)模型體四周均有2層四氟乙烯膜、傳力鋼板和鋼梁約束，模型體內(nèi)水分蒸發(fā)量較小，同時(shí)本次養(yǎng)護(hù)周期過(guò)長(zhǎng)，約70 d，致使模型體上下兩部分強(qiáng)度不均。在2次爆炸荷載作用后，模型體內(nèi)材料受到損傷，強(qiáng)度降低，原有靜力場(chǎng)的穩(wěn)定性受到破壞，進(jìn)而引起強(qiáng)度較弱的洞壁在恒定靜壓力下開(kāi)始出現(xiàn)過(guò)大變形，進(jìn)而破壞，破壞從洞壁表層開(kāi)始逐漸向圍巖深部延伸。試驗(yàn)結(jié)果表明，在靜力和動(dòng)力荷載作用下，模型體并不一定產(chǎn)生動(dòng)力沖擊破壞，其破壞特征與模型體的均勻性也密切相關(guān)。

洞室在爆炸荷載作用下破壞主要位于模型中間部位，原因：20 gTNT的炸藥包制成直徑2.5 cm、長(zhǎng)7 cm的圓柱狀炸藥包，其剛好埋設(shè)在模型體中間部位，而模型體前后兩側(cè)受鋼板及鋼梁約束，模型體四周均受穩(wěn)定靜壓力作用，故在爆炸荷載與靜載共同作用下，其破壞主要發(fā)生在洞室的中間部位。

4 結(jié)論

在小模型體試驗(yàn)中，小塊狀巖體巷道在靜力荷載和爆炸荷載的共同作用下，成功再現(xiàn)了沖擊地壓現(xiàn)象，模擬了沖擊地壓致災(zāi)的過(guò)程；而在同樣荷載作用下，層狀巖體巷道則沒(méi)有出現(xiàn)沖擊地壓致災(zāi)現(xiàn)象。

在大模型體試驗(yàn)中，采用水平放置養(yǎng)護(hù)的小塊狀巖體巷道，養(yǎng)護(hù)使得模型體強(qiáng)度不均，洞室發(fā)生靜力作用下剪切破壞，未出現(xiàn)沖擊地壓破壞特征。

沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生與巖體的結(jié)構(gòu)特征、靜載、外部沖擊荷載等密切相關(guān)，只有滿足一定條件，才可能導(dǎo)致沖擊地壓災(zāi)害，并不是具有高地應(yīng)力和外部沖擊荷載就一定發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。