深部层状岩体巷道承载特性的物理模拟试验研究

苏士龙，顾晓伟，张 力,史新帅

(1.华晋焦煤有限责任公司，山西 吕梁 033000；2.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

随着浅部煤炭资源日趋枯竭，煤矿开采深度逐年增大，受“三高一扰动”影响，深部巷道围岩变形破坏特征明显不同于浅部煤炭开采，深部开采的安全等问题日益突出[1-3]。层状岩体作为一种广泛存在于矿井围岩中的地质体，其变形和破坏特征具有明显的各向异性，特别在大埋深条件下，受深部高应力影响，层状岩体的应力分布及变形破坏特征相比其他岩体更加复杂，揭示深部高应力条件下层状围岩巷道承载特性及变形破坏特征，对于确保矿井安全高效生产具有重要的指导意义[4-6]。相似材料模拟试验作为一种研究工程岩体特性的有效手段，具有直观、可靠性高、经济环保等优点，被广泛应用于矿业工程领域[7-8]。本文结合某深部矿井西翼轨道大巷特殊地质条件，利用相似模拟试验研究了深部层状岩体巷道不同锚固支护方式下的巷道围岩应力演化规律和变形破坏特征。

1 相似材料模拟试验设计

1.1 相似材料模型设计

模型试验以某深部矿井的矩形轨道大巷为研究背景，巷道掘进断面尺寸为5 100 mm×4 200 mm，埋深742～877 m，巷道围岩以粉砂岩、细砂岩为主，层理发育，具有明显的各向异性特性。考虑实际地质情况、试验设备尺寸等具体条件，依据相似理论，确定几何相似比Cl=30，容重相似比Cγ=1.4，应力相似比Cp=42。据此，将模拟巷道断面尺寸确定为宽×高=170 mm×140 mm，模型所需施加的垂直应力为0.52 MPa、水平应力为0.63 MPa，模拟试验中选取河砂作为骨料，石膏、碳酸钙作为胶结材料，各岩层间采用云母粉进行分层铺设，层状岩体分层厚度确定为30 mm。为研究层状岩体巷道不同锚固支护方式下巷道围岩变形破坏特征及应力演化规律，共设计三组相似模拟试验，即无支护、锚杆支护、锚杆索支护。其中，锚杆、锚索分别采用破断力为33 N和51 N的保险丝和铝丝模拟，根据相似理论，确定锚杆长度为83 mm，直径1.67 mm，间排距50 mm×50 mm，每排布置4根锚杆；锚索长度206 mm，直径1.0 mm，间排距100 mm×50 mm，每排布置两根锚索。

1.2 试验设备

本次物理试验采用中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室WYQ1000-I型地下工程二维平面应变综合试验模拟系统(图1)。该实验系统主要包括试验台架、计算机控制系统、伺服系统、开挖系统和和测量系统五部分。试验台架的整体尺寸为：宽×高×厚=2.1 m×2.1 m×0.6 m，模型体尺寸为：宽×高×厚=1.03 m×0.96 m×0.25 m，加载板尺寸为：宽×高=0.9 m×0.25 m，每个加载板上有3个油缸，单个油缸加载压力为300 kN，行程为5 cm。在试验台架正面挡板板上预留开挖洞口，当系统加载至设计载荷后，卸下螺栓撤走铁板,对模型进行开挖。试验系统背面中央部位留设观察窗口，采用厚度为3 cm透明的亚克力板，便于实验过程中数字照相及观察围岩的破坏情况(图1(b))。

1.3 试验数据监测

1.3.1 围岩应力监测

试验过程中采用自制的单元应变砖对围岩应力变化进行监测，应变砖采用聚氨酯立方块为母体，在其某顶点相邻三个面上分别贴三个45°应变花制作而成(图2)。该应变砖能够测得其埋设点的6个应变分量，通过计算可求得该位置的径向应力、切向应力和切应力。考虑试验台的尺寸、锚杆长度及模型的对称性，本次试验分别巷道顶板、肩部、右帮各埋设3个应变砖，具体位置如图2所示。

1.3.2 巷道位移及围岩表面变形监测

采用位移计分别对巷道顶板的下沉量、帮部的收敛量以及底板位移量进行监测。位移计量程30 mm，位移计数据通过TST3826E动静态应变测试分析系统采集。试验过程中同时采用数字照相系统监测试验过程中围岩的变形破坏过程，数字照相量测精度高、操作方便，后期可结合PhotoInfor和PostViewer后处理软件对模型位移场变化规律进行分析。

图2 应力监测布置

1.4 试验过程

试验模型采用分层铺设、分层压实的方法制作，铺设过程中预埋应变砖、锚杆等，模型浇筑完成静置两天左右，拆去试验台架的前后挡板，将模型放置3 d在自然条件下进行风干，在此期间连接检查各检测装置。试验加载前，安装试验台架的前后挡板，采用阶梯加载的方式，其中,垂直应力每次加载12 kN，水平应力每次加载14.4 kN，相邻两次加载时间间隔约为15 min，分10次完成，如图3所示。当模型加载至设定荷载后，对其稳压约1.5～2 h，随后进行巷道开挖，开挖分两次进行，首次开挖约15 cm，第二次开挖约10 cm，并对巷道开挖过程中围岩应力及变形破坏情况进行监测，待巷道变形破坏基本稳定后结束试验。

2 试验结果分析

2.1 变形破坏特征分析

试验完成后不同支护方式下巷道围岩变形破坏情况如图4所示。从试验结果看出，无支护层状围岩巷道的失稳机制类型属于弱面控制型，巷道围岩以剪切滑移破坏为主，顶板大面积垮落，呈现倒V型破坏区，帮部片帮及底鼓严重，巷道围岩整体变形破坏显著；锚杆支护下，巷道围岩的承载能力得到提高，巷道顶板及两帮变形得到有效控制，巷道底鼓较为严重；锚杆索支护条件下，巷道底板发生剪切滑移破坏，顶板及两帮较为完整，巷道围岩变形得到有效控制。通过对比不同支护方式下巷道的破坏模式可知，锚杆或锚索在一定程度上能够控制围岩的破坏变形，控制破碎变形的持续发展，对松散破碎区范围内的围岩起到了控制作用，并改善了围岩的受力状态，从而起到了稳定巷道围岩的作用。

图3 分级加载过程

图4 巷道围岩变形破坏特征

2.2 位移分析

为了监测开挖后巷道表面的变形情况，试验过程中采用量程为30 mm的YHD-30B型位移计分别对巷道表面顶板的下沉量、帮部收敛量以及底板位移量进行了测量记录，监测结果见图5和图6。

由图5和图6可以看出，无支护条件下巷道顶板位移量大于两帮及底板，在开挖初期，巷道顶板即出现了较大变形，而后巷道两帮及底板也逐渐发生较大变形，至观测后期，由于巷道变形量较大，超过位移量程，观测结束。锚杆支护条件下，巷道开挖初期，巷道顶板、两帮及底板变形量均较小，开挖后3 300 s左右时，巷道底板变形量开始显著增大，至观测结束，巷道底板变形量大于顶板及两帮。锚杆索支护条件下，整个监测过程中，巷道顶板、两帮及底板位移变化量相差不大，巷道围岩变形明显小于无支护和仅使用锚杆支护条件下，巷道围岩变形得到控制。

图5 巷道位移曲线

图6 巷道最终破坏位移场对比

2.3 围岩应力演化规律

采用应变砖对试验过程中的围岩应力数据进行采集，分析不同位置围岩的径向应力、切向应力的演化特征及规律，进一步研究围岩的变形破坏情况。为便于对比分析，将测得的应力值进行归一化处理。考虑到文章篇幅限制，本文仅对巷道围岩顶板应力演化规律进行分析，巷道帮部及肩部均呈现大致类似的规律。不同支护方案下顶板各测点径向应力、切向应力变化规律如图7和图8所示。

由图7可知，不同支护方式下，巷道顶板各测点径向应力变化规律大致相似，均随时间的增长而不断减小并最终趋于稳定，整个开挖过程中径向应力的大小规律为：锚杆索支护>锚杆支护>无支护。说明采用锚杆支护的巷道围岩承载能力有所提高，径向应力大于无支护条件下，有一定支护效果，同时采用锚杆索联合支护后围岩的径向应力下降幅度进一步减小，围岩的应力损失最小，对围岩的控制效果更加明显。从图8可以看出，巷道浅部区域(d1测点)围岩切向应力随时间不断减小并趋于稳定，且无支护条件下降幅最为明显，而巷道围岩深部位置(d2测点、d3测点)切向应力则随时间增长呈现先降低后增大并趋于稳定的趋势，说明巷道浅部区域变形破坏严重，深部区域较为完整，切向应力较大。同时可以看出，巷道变形破坏稳定后，锚杆索支护条件下巷道顶板各位置切向应力均大于无支护及锚杆支护巷道，大幅提高了巷道围岩承载性能。

2.4 围岩成拱特性分析

压力拱是地下工程开挖引起应力转移的一种常见形式，它不仅存在于顶板上，而且存在于两帮和底板上[9-10]。如果把围岩作为一种结构来看，处于压力拱中的岩体承担着自身和其上覆岩体的荷载，是确保其上方岩体不会塌落的一个具有拱的力学特性的结构。

本文采用成拱系数k作为压力拱的成拱判据，判断公式为式(1)。

(1)

式中：k为成拱系数；σθ0和σθ分别为开挖前围岩的切向应力和开挖后围岩的切向应力。将k=0所处的位置确定为切向应力升高区与降低区的分界点，即压力拱的内边界和外边界。通过分析成拱系数k从巷道表面到围岩深部的分布规律，进而揭示不同支护方式巷道围岩成拱特性。

二次开挖稳定后成拱系数k沿顶板、肩部、帮部分布规律如图9所示。不同支护方案中成拱系数k=0的点距巷道表面距离见表1。

从图9及表1可以看出，巷道无支护时，由于围岩破碎程度较大，顶板及帮部成拱系数k均小于0，无法形成压力拱结构；采取一定支护措施(锚杆、锚索)后，围岩的完整程度及承载力增大，均形成了压力拱结构，仅采取锚杆支护措施时，分别在距离巷道顶板18.43 cm、肩部9.21 cm、底板9.26 cm的位置

图8 切向应力演化规律

图9 巷道围岩成拱特性

表1 压力拱边界分布规律

形成了有效压力拱结构；而采取锚杆索支护后，压力拱边界向巷道表面移近，巷道围岩卸压区范围减小，巷道围岩承载能力进一步提高。

对于锚杆支护及锚杆索支护下的层状岩体巷道，在其顶板破坏前，顶板承载结构为组合梁，当顶板应力超过其极限承载强度后，顶板组合梁底部开始破坏，浅部围岩破坏并逐步垮落形成塌落拱，相应的承载结构也由组合梁转变为压力拱。由此可见，为保证层状破碎围岩或支护较弱的围岩稳定性，应通过提高其支护强度或设法增加其围岩完整性，来保证巷道顶板初次承载结构组合梁的稳定。组合梁破坏失稳后，应保证压力拱的稳定。

3 结 论

1) 巷道在无支护条件下顶板发生大面积垮落，两帮收敛量大，底鼓严重，巷道顶板形成倒V型破坏区；采取一定支护措施后，巷道围岩变形明显减小，局部区域出现剪切滑移破坏。

2) 不同支护方式下，巷道顶板各测点径向应力不断减小并最终趋于稳定，而对于顶板径向应力，巷道浅部区域切向应力随时间不断减小并趋于稳定，而巷道围岩深部位置切向应力则呈现先降低后增大的趋势，最终状态时，锚杆、锚杆索支护条件下巷道围岩径向应力、切向应力均大于无支护状态时，巷道围岩应力状态得到改善。

3) 对不同支护方案的围岩成拱特性进行了分析，巷道无支护时围岩破碎程度较大，无法形成压力拱，而采取一定支护措施后巷道围岩能够形成一定范围的压力拱结构。