大断面矩形和六边形煤巷围岩变形破坏试验对比研究

任智敏，胡耀青

(1.太原理工大学采矿工艺研究所，山西太原030024;2.山西煤炭职业技术学院采矿系，山西太原030031)

随着我国厚煤层综采放顶煤及中厚煤层一次采全高开采方法的大面积应用［1］，要求回采巷道断面随之扩大，关注大断面煤巷稳定性已成为现实问题［2］。目前，对巷道稳定性研究主要集中在围岩应力和支护方式的选择上，但一直没能有效地改变巷道变形量大、支护困难的现状［3－4］。因此，需要转变思路，从巷道断面形状与围岩应力分布关系方面着手研究，找到一种能符合特定围岩状态的巷道断面形态，但有关大断面巷道断面形状与围岩稳定性之间的关系研究有限。鉴于上述现实，设计了相似材料模型试验方案。模拟宽×高=5.5m×5.0m的大断面矩形和六边形巷道，模拟埋深为400m，600m及800m、侧应力系数0.75，1.00及1.25的地应力。通过相似材料模型试验对比分析这两种巷断面形状对巷道围岩稳定性的影响规律。

1 相似材料模型试验系统及方案

为进行相似材料模拟试验，研制了相似材料模型试验系统。模拟试验根据巷道尺寸 (宽×高= 5500mm×5000mm的矩形和六边形断面)和试验模拟架有效大小 (长×宽×高=1800mm×160mm× 1500mm)，以及测点观测窗口尺寸 (长×宽= 750mm×580mm)，并结合“模拟范围至少3～5倍开挖空间”的要求布置巷道，以更真实地反映围岩变形破坏演化过程。

1.1 相似材料模型试验系统

试验系统由试验台、试验加载系统和试验量测系统组成，见图1。

图1 相似材料模型试验系统

试验台主要承载结构为由槽钢焊接成的矩形框架，框架前后各有10根槽钢通过螺母与架体相连，用来固定模型。试验台前后各有2根回形立柱用于约束材料模型的横向变形。试验台前方设计了长×高为1400mm×580mm的观测窗口，后方设计有开挖窗口。试验加载系统是由手压泵、蓄能器和油缸组成。用2个手压泵分别给顶部油缸和侧部油缸供液，蓄能器稳压，围岩变形及破坏数据通过数字照相技术采集［5］。

1.2 相似材料配比及用量

试验采用大比例相似模型，选择几何比1∶30，容重比0.6，强度比0.02。按几何相似比换算后将各岩层的几何参数和主要物理力学参数换算成相似材料模型参数，见表1。根据模拟材料的容重和抗拉压强度来逐层选取材料配比［6］。材料配比是参考阜新矿院、东北工程学院及淮南矿业学院所提供的相似材料配比表选取的。由此确定模拟材料的成分是:河沙、石灰、石膏。根据所选材料配比和岩层物理力学参数，计算各层材料用量，见表2。

表1 煤层及顶底板岩石的物理力学性质

表2 相似材料模拟试验配比及用量

1.3 试验测点布置

位移测点采用大头针，将大头针的针体部分剪断一半，针头处用油漆涂染成红色，晾干后按设计位置插入到模型表面。试验测点布置的原则是横向为排，纵向为列，排列结合成网状布置。排的编号是由下往上依次布置，排距1m;列的编号是以巷道中心线为基准左右分列，命名巷道中心线为第0列，左右侧由中心线向外依次为第1列、第2列……，顶板列距1.5m。

2 巷道围岩变形破坏对比分析

2.1 巷表面位移对比分析

矩形和六边形巷道的表面位移随顶压及侧压的变化规律见图2，从中可知:

(1)由图2(a)所示，随外载增加，六边形巷道顶底板移近量约是矩形巷道顶底板移近量的57%，显然与矩形巷相比埋深越浅六边形巷顶底板越稳定。此外，两种巷道均在埋深400m和600m、侧压力系数大于1时顶底板移近量明显增大，而埋深800m时顶底板移近量随侧压力系数的增大均匀增加。

图2 巷道表面位移

(2)如图2(b)所示，随外载增加，六边形巷道两帮移近量约是矩形巷道两帮移近量的76%，显示在埋深800m时六边形巷道两帮移近量较600m时要小，说明六边形巷道的近似弧帮在深埋深下表现出更好地稳定性。矩形巷两帮移近量随侧压力系数的增加而增大;六边形巷两帮移近量随侧压力系数的增加在埋深400m与600m时增大、埋深800m时先减小后增大。

(3)整体看，随埋深的增加，矩形巷道表面收敛率从11.12%增至33.8%，六边形巷道表面收敛率从3.28%增至16.48%，可知，六边形巷道表面收敛率约是矩形巷道表面收敛率的30%～50%。

2.2 巷围岩深部位移对比分析

矩形和六边形巷深部平均位移随埋深及侧压力系数的变化曲线如图3所示。可以看出:

(1)由图3(a)可见矩形巷顶板平均垂直位移为“盆形”分布，在巷宽范围内表现为整体下沉。埋深越大，顶板下沉的不均匀性越大。在同一埋深下随侧压力系数的增加顶板下沉量增大，且埋深越大侧压力系数对顶板下沉的影响越小。图3 (b)为六边形巷顶板平均垂直位移，结果显示六边形巷顶板垂直位移与矩形巷相比更加平缓，约是相同条件下矩形巷的67%。

(2)图3(c)，3(d)分别为矩形和六边形巷道巷帮平均水平位移。随距巷帮距离的增大，矩形和六边形巷道的帮水平位移均由大变小最后在距帮2m处趋于平缓，但随埋深的增加，六边形巷道与矩形巷道巷帮平均水平位移之比从93%降到60%，这说明六边形巷的折边帮比矩形巷的直边帮更能有效地抵御巷帮内移，且埋深越大，六边形巷道巷帮的稳定性体现得越明显。

图3 巷深部位移

2.3 巷围岩破坏演化对比分析

图4表示不同埋深、不同侧压力系数下两类巷道围岩的破坏演化情况。为了使试验结果更清楚，在试验架视窗的有机玻璃上对围岩裂隙进行了描红。对于六边形巷道，为更好地观察围岩的裂隙演化过程而给模型表面涂上了一层薄白粉。

图4 巷道围岩破坏演化

从图中可以看出:

(1)矩形巷道顶板发生弯曲变形，最先在巷道两顶角处产生与顶板平行的裂隙，随着应力的不断调整变化，裂隙与水平方向成20°角向顶板中部延伸，最后顶板沿层理方向冒顶，形成“平顶”冒落拱。冒落后的顶板继续发生弯曲下沉，于是在其上方进一步形成一个拱形裂隙区，裂隙区内是一组与水平方向平行的细小裂隙，随着埋深的增加，细小裂隙增多变宽，最终拱形裂隙区内的岩石发生冒落，形成高度为1.6m的冒落拱。

(2)矩形巷道巷帮的破坏首先以剪切裂隙的形式出现在帮中部，之后在右帮顶和左帮脚处出现裂隙，并向帮中部延伸形成弧形裂隙带。随侧压力系数的增大，从右帮顶和左帮脚处会再生出第二圈弧形裂隙带。埋深400m时帮上出现大块楔形体。继续增加埋深至600m，帮顶向巷内倾斜，楔形体与巷帮脱离，楔形体背后还有一部分也成疏松状态，这表明在大块破裂楔形体形成后巷帮继续破坏。当埋深达到800m时，帮上第一圈弧形裂隙带已延伸到帮顶、帮脚处。同时裂隙宽度大大增加，帮岩块沿弧形裂隙带滑落，形成弧形帮。

(3)随埋深增加，六边形巷道顶板裂隙先在巷宽范围内由顶角向巷中部扩展呈环形一圈圈分布。之后在距顶角1.9m处出现裂隙并与水平成98°角向上扩展至顶板上方3.5m后方向发生改变并朝巷中部扩展，形成裂隙拱。在裂隙拱内左、右两侧各有5条裂隙，从顶板两侧向顶板中部扩展并相连交叉，形成环状裂隙，每个环状裂隙相距约0.72m。最终顶板右侧出现高度1.3m的局部冒顶。

(4)随埋深增加，六边形巷巷帮裂隙也是最先出现在帮中部，以后发展至帮下部及底角，裂隙在帮中部为弧形状、在帮下部为与水平成65°角的线形状。随后帮中部裂隙变宽变长并与帮下部裂隙相连。最后帮上部开始出现与中部裂隙近乎垂直同时与下部裂隙方向一致的裂隙并与顶板裂隙相连。巷帮由原来的折边形被压成弧形，巷帮只是部分出现楔形体脱落，没有像矩形巷道那样出现大范围片帮，说明折边巷帮比直边巷帮要有益于巷道稳定。

(5)巷道围岩破坏是一个渐进、突变的过程。由开挖后破坏发展可以发现，由于周围材料的不均一性，破坏总是由薄弱的部位开始，先产生细小裂隙，之后裂隙增长变宽，岩块沿充分发育的大裂隙突然脱落。试验显示两类巷道均在侧压力系数为0.75时，围岩突变破坏相对缓和，而侧压力系数为1.25时，围岩突变破坏较剧烈、破坏程度最大。

3 结论与讨论

通过相似模型试验得到的矩形和六边形巷道围岩变形破坏规律主要有:

(1)随埋深的增加，六边形巷表面收敛率约是矩形巷道表面收敛率的30%～50%;帮深部平均水平位移与矩形巷道平均水平位移之比从93%降至60%;巷顶板深部平均垂直位移是矩形巷道的67%。

(2)矩形巷顶板最后形成高度1.6m的冒落拱;六边形巷顶板右侧靠近顶角处有部分冒顶。矩形巷道巷帮出现大块楔形体并与帮脱离形成弧形帮;六边形巷道的折边巷帮被压成弧帮，且只是部分出现楔形体脱落，片帮范围小于矩形巷巷帮。

(3)巷围岩破坏具有突变性，破坏程度与侧压力系数有一定关系。侧压力系数为0.75时，围岩突变破坏相对缓和，而侧压力系数为1.25时，围岩突变破坏较剧烈、破坏程度最大。

从上述围岩变形破坏的角度分析可知，六边形巷较矩形巷更有利于围岩稳定，特别是六边形巷的近似弧帮能减小巷帮变形破坏程度。此外，近似弧帮与煤层层理斜交，使其帮上的支护锚杆也与煤层层理斜交，可提高巷帮的锚固强度。再者，煤巷掘进主要由掘进机完成，而由掘进机掘出近似弧帮是完全可行的。综上，六边形巷在保证围岩稳定、提高巷帮锚固强度等方面都比矩形巷道更有优越性，且成巷施工容易，因此具有很好的推广使用价值。

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