采动影响下深埋巷道围岩力学响应特征

王国强，谢 磊

(榆林市榆神煤炭榆树湾煤矿有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

深部岩体开挖工程需要面对高地温、高地压和高渗透压等难题，因此深埋巷道围岩的变形与破坏特征更加复杂[1-3]。在采动应力和原地应力的作用下，矿井围岩极易发生变形破坏，且其变形具有明显的流变特性，对巷道安全造成极大的威胁[4-5]。因此，研究采动影响下煤矿深埋巷道围岩的力学性质和变形特性对保证煤矿安全具有重要意义。

马念杰等[6]系统分析了深部采动巷道冒顶事故原因和影响因素，并指出顶板稳定性是由围岩最大破坏深度和潜在冒落高度决定的；进一步提出一种可接长锚杆支护技术，起到了有效控制顶板变形的效果。谢福星等[7]深入研究了开挖影响下煤巷围岩变形特征，并指出煤巷围岩破坏具有明显的不对称性；进一步提出新型高预应力锚杆索桁架非对称控制技术，有效控制了煤巷围岩的变形。王猛等[8]指出迎采动面巷道围岩的大变形特性，并指出提高煤柱及顶板的支护强度能够有效提升巷道整体稳定性。

综上，现有成果多缺乏对采动荷载影响下围岩力学特性和变形特征的研究。因此，以榆树湾煤矿某开采面运输巷道为例深入分析深埋巷道的围岩应力分布特征，并展开3种不同应力路径下的围岩真三轴试验，以期得到不同影响因素下深埋巷道围岩的力学参数和变形特征。

1 工程背景

1.1 工程概况

榆树湾煤矿位于我国鄂尔多斯高原东北部，是我国的特大型矿井之一。煤矿内5层可采煤层共获得保有资源储量170 615万t，设计生产能力8.0 Mt/a。榆神矿区榆树湾井田勘探面积113.82 km2，榆树湾煤矿含煤地层倾角在1°～3°之间，平均倾角1.5°，有小断层发育。构造复杂程度为简单构造。此外，矿井水害来源主要是煤系上覆基岩裂隙水和老空区积水，榆树湾煤矿采区抽排措施可以保障矿井的安全。

1.2 深埋巷道变形行为分析

深部岩体开挖工程需要面对高地温、高地压和高渗透压等难题，因此深埋巷道围岩的变形与破坏特征更加复杂。在采动应力和原地应力的作用下，矿井围岩极易发生变形破坏，且其变形具有明显的流变特性。图1为榆树湾煤矿某工作面上巷道的变形特征示意图，该运输巷的底板及两帮发生了明显的变形，其中，底板下沉变形量达600 mm，帮部鼓出变形量达到1 200 mm。此外，该巷道也出现了台阶式帮鼓和顶板下沉等问题，巷道围岩的大变形导致锚杆、锚索等支护结构的破坏失效，严重影响矿井长期生产的安全性和稳定性。

图1 深埋巷道大变形行为

2 煤岩力学响应试验

2.1 试验设计

在巷道开挖和强采动荷载的作用下，深埋巷道处于应力加卸载状态[9]，因此导致巷道围岩损伤破裂，如图2所示。考虑到巷道围岩所处的力学状态，利用GCTS岩石真三轴试验设备对巷道围岩试样展开了3种不同应力路径下的力学试验，加载应力路径分别为：σ2=0.45σc，σ3=0，轴向荷载σ1按照20 kN/min的加载速率加载；σ2=0.45σc，σ3=0.20σc，轴向荷载σ1按照20 kN/min的加载速率加载；σ2=0.45σc，σ3=0.20σc，轴向荷载σ1按照20 kN/min的加载速率加载到80%σc后卸轴压σ1、增围压σ2、保持σ3不变。巷道围岩试样为取自榆树湾煤矿深部的泥岩试样，室内参考《工程岩体试验方法标准》[10]，将其精加工成高度为150 mm的立方体岩石试样。

图2 采动影响下巷道围岩应力路径

2.2 力学试验结果分析

2.2.1 试验结果

基于采动影响下不同部位围岩所处的应力状态设置了3种不同应力路径下的真三轴试验，试验结果如图3所示。由图可知，不同应力路径下泥岩的应力应变曲线均可以划分为4个阶段：孔隙压密阶段、弹性阶段、屈服阶段和峰后残余阶段。在构造作用、采动影响、取样等因素的影响下，室内泥岩试样内部产生了一定数量的原生孔隙，因此在三向荷载的作用下内部孔隙逐渐压密。随着最大主应力的提高，围岩进入弹性变形阶段，应力-应变曲线近似直线，此阶段岩石内部裂纹生长缓慢。屈服阶段岩石内部裂纹快速扩展并相互贯通，直至达到峰值强度后泥岩试样出现宏观断裂，试样完全破坏。破坏后的泥岩试样仍具有一定的承载力，但泥岩的残余强度较低[11-12]。

2.2.2 结果分析

进一步对比不同应力路径下泥岩的承载能力和变形特性。由图3可知，在双轴加载应力条件下，泥岩的抗压强度为15.52 MPa，残余强度为2.75 MPa，峰值点应变为1.95%；在三轴加载应力条件下，泥岩试样的抗压强度为20.08 MPa，残余强度为12.17 MPa，峰值点应变为2.21%；在三轴加卸载应力条件下，泥岩试样的抗压强度为16.15 MPa，峰值点应变为2.32%。综上所述可知，受开挖影响，巷道自由面围岩的承载能力最差，其抗压强度较三向地应力条件下岩石低22.71%、残余强度仅达22.60%，由此可见，对巷道围岩进行支护十分重要。此外，巷道围岩的脆性程度较高，其峰值点应变仅达到1.95%，小于三轴应力条件下的泥岩试样。此外，受采动应力影响，三轴加卸载条件下泥岩的抗压强度较三轴应力条件下降低19.57%，这表明采动应力对围岩的承载能力造成了显著的劣化作用，在采动应力的作用下，围岩具有更强的失稳破坏倾向性。

图3 不同应力路径下围岩应力-应变曲线

2.3 围岩破坏特征分析

图4为不同应力路径下围岩的破坏形态，由图可知，双轴加载条件下泥岩呈现出明显的分层破坏现象，且其主要破坏方式剪切破坏以及张拉破坏，泥岩试样表面出现明显的张拉和剪切裂纹，试样破化程度较高。真三轴加载条件下，试样的破坏裂纹呈X型共轭剪切裂纹，泥岩的破坏形式仍为张拉和剪切的综合，但可以观察到，相较于双轴加载试样，三轴试样的完整度较高、表面裂纹数目较少，这表明三轴条件下试样的脆性程度要低于双轴加载，这也与试样的残余强度更高的试验结果相一致。在真三轴加卸载条件下，泥岩同样出现分层破坏现象，且破坏后试样表面裂纹数目较多、贯通程度高，试样破坏严重。综上所述可知，在不同应力路径条件下，三轴加载破坏后的泥岩试样完整性较高且残余强度较高，而双轴加载和加卸载条件下的试样表现出明显的脆性破坏现象，岩石变形破坏特征明显。因此可见，在深埋巷道中，自由面的围岩容易发生变形破坏，且采用应力加剧了围岩的变形破坏倾向，需要大幅加强巷道支护。

图4 不同应力路径下围岩破坏特征示意

3 结论

(1)榆树湾煤矿某工作面运输巷的底板及两帮发生了明显的变形，其中，底板下沉变形量达600 mm，帮部鼓出变形量达到1 200 mm。此外，该巷道也出现了台阶式帮鼓和顶板下沉等问题。

(2)巷道自由面围岩的承载能力与变形特性均劣于三向应力条件下的围岩，且采动荷载能够大幅劣化围岩的力学性质。

(3)双轴加载和三轴加卸载条件下泥岩破坏后试样破碎化程度高，且出现明显的分层破坏现象。三轴加载条件下泥岩破坏后完整性强，表面仅有一组X型共轭裂纹。