煤矿巷道围岩卸荷变形及破坏规律试验研究

麻晓东

（山西焦煤霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿，山西 吕梁 033000）

煤矿的巷道对于煤炭的开采、运输起到了关键性的作用[1-2]。巷道的建成集运输、排水、通风、通行等于一体，在实际工程中巷道在挖掘过程中存在的安全问题也引起了关注[3]。近年来，由于巷道围岩处渗水或变形引起的承载能力降低从而导致的巷道垮塌等工程事故屡见不鲜，最大的原因在于对于目前巷道在卸荷变形下的破坏规律、应力特征与岩体破坏机制的研究不够深入，相关研究理论不能应用于巷道围岩支护[4]。由于不同的岩体对应的施工方式不同，相对应的开挖卸荷路径也不相同，由于缺乏相关的统一规定，目前对于不同施工方式下的开挖卸荷难以有效判断其路径[5]。在此条件下之下随着施工的进行，岩体所承受的地应力逐渐增大，巷道的维护也愈发困难。因此，深入了解巷道围岩卸荷变形与其破坏规律迫在眉睫。虽然学者们对于岩体的卸荷变形及内在应力分布进行了大量研究论证，但相关研究能否直接应用于工程实际仍需要一定的考究。

本文以山西省方山县店坪煤矿巷道围岩为研究对象，采用三维有限元差分模拟软件FLAC3D对巷道围岩在卸荷条件下的变形及破坏规律进行研究分析，与已有的室内试验结果相对比，为巷道围岩的安全支护提供一定的理论参考依据。

1 概况

方山县店坪煤矿3 煤层平均煤厚度16.4 m，夹矸为砂质泥岩，煤层总体由西南至东北方向埋深逐渐增大，倾角5°。

2 研究方法

2.1 模型建立

利用三维有限元差分模拟软件FLAC3D，以制作室内小型围岩试件为标准，按照1:1 的比例拟定模型的长度为260 mm，外径拟定为200 mm。由于试验需要控制不同内径进行研究，因此将内径分别设置为100 mm、150 mm、200 mm。为了控制与室内试验环境相一致，计算模型中力的施加情况保持与室内试验力的施加量相同，具体设置：在计算模型的左右侧施加压应力，并在其表面施加围压；在其内表面施加围压；且模型未设置其他边界约束条件。所绘制的巷道围岩试件如图1。

图1 巷道围岩试件计算模型网格划分

2.2 本构模型及其材料参数确定

针对煤矿井田的巷道围岩，其主要组成类型为岩石，由于岩石的破坏与岩石的类型以及环境相关性较高，表现为结构完整的岩体在环境应力较低时呈现出脆性的张破裂，而在环境应力较高时表现为柔性的剪切破坏或流动变形。因此本文采用的莫尔-库伦（Mohr-Coulomb）强度准则为本次模拟研究的本构模型，由于岩石的破坏条件与土力学中的相似，本文为了将计算式简化，将莫尔应力圆包络线简化为直线的形式，采用库伦方程组可以表示为：

式中：τf为岩石的抗剪强度；c为岩体的凝聚力；σ为岩石剪切面上的法向应力；φ为岩体的内摩擦角。

通过图2 可以得知：

图2 莫尔-库伦强度破坏条件

式中：σ1为最大主应力；σ3为最小主应力。

其中岩石剪切面上的法向应力由最大和最小主应力可表示为：

通过联立式（1）、（2）、（3）可得到莫尔库伦强度破坏条件为：

室内试验过程及结果采用文献[5]中的天然砂试验标准以及三轴压缩试验结果。为了保证模拟结果与室内试验结果的一致性，其关键参数取值均与[5]中的参数相同。具体的力学参数取值见表1。

表1 计算模型的力学参数取值

3 结果分析

3.1 不同卸荷内径破坏规律分析

在模型计算过程中，首先对模型施加三个不同方向的地应力，且地应力大小均为15 MPa。随后待地应力平衡后将地应力产生的模型位移进行归零处理。待归零处理之后，采用缓慢卸荷和瞬态卸荷两种方式将模拟时间的压力卸载至0，且在试件中设置记录点与室内试验中试件设置应变片的位置相同，用以达到同室内试验相同的过程。最终在整个模拟试验过程中记录下不同内径的试件在模拟过程中的位移变化量，绘制了如图3 所示的缓慢卸荷时不同内径围岩的切向应变试验值与模拟值对比图。

图3 缓慢卸荷时不同内径围岩的切向应变试验值与模拟值对比图

从图3 可以看出，在与室内试验设置相同位置的测点下，对比不同开挖内径，试验值与模拟值二者的应变均随着开挖内径的增大而增大。但综合试验数值与模拟数值可以看出，试验数值在不同内径上的切向应变值均大于相同条件下的模拟结果，其原因可能在于在试验过程中，存在一定的外在干扰因素，导致结果稍大于模拟条件下的理想结果。

考虑到岩石存在类似于土体的回弹特征，为了对应缓慢卸荷时不同内径围岩的位移变化特性，本文还设置了瞬态卸荷时不同内径围岩的位移变化特性。除卸荷时长外，其试验方法同缓慢卸荷的试验方法，并在整个模拟试验过程中记录下不同内径的试件在模拟过程中的位移变化量，绘制了如图4 所示的瞬态卸荷时不同内径围岩的切向应变试验值与模拟值对比图。

图4 瞬态卸荷时不同内径围岩的切向应变试验值与模拟值对比图

从图4 可以看出，在与室内试验设置相同位置的测点下，在室内试验过程中内径为100 mm 在瞬态卸荷的条件下会产生一定程度的回弹从而使试件保持稳定状态，但125 mm 与150 mm 试件在瞬态卸荷条件下无回弹产生，且随着卸荷的完成切向应变也保持不变；在模拟试验过程中内径100 mm 与内径125 mm 的试件在瞬态卸荷的条件下同样伴随略微的回弹，且在卸荷结束后应变保持不变，但150 mm 的试件在卸荷开始的瞬间应变便急剧增大直至试件破坏。其原因可能在于相较于室内试验，模拟试验过程中试验条件较为理想，未考虑其他外界影响因素，因此试件会产生破坏

3.2 不同围压下的围岩破坏规律分析

煤矿巷道围岩在实际开挖之前，岩体处于三向应力平衡的状态，巷道围岩内部存在一定的弹性应变能。随着巷道施工开挖，沿着开挖方向上的应力会逐渐减小并伴随发生径向位移。因此环绕应力即围压越大，其弹性应变能越大，卸荷时的径向位移也越大，考虑巷道围岩的卸荷变形与其破坏规律必须考虑到围压作用的影响，本文与室内试验相同，设置了三组分别为10 MPa、20 MPa、30 MPa的围压，控制内径为100 mm 的试件进行模拟试验，通过记录整个模拟试验过程中的位移量，如图5。

图5 不同初始围压下的围岩的切向应变试验值与模拟值对比图

从图5 可知，在与室内试验设置相同位置的测点下，随着卸荷比增加，室内试验与模拟试验均表现出切向应变增大的趋势，二者表现出相同的规律。但对比室内试验结果，数值模拟结果在不同围压下均比试验值小约2～3 倍，其可能原因在于，模拟试验过程中试验条件较为理想，未考虑其他外界影响因素。

4 结论

本文采用三维有限元差分模拟软件FLAC3D对方山县店坪煤矿巷道围岩在卸荷条件下的变形及破坏规律进行研究，得出了如下结论：

1）在缓慢卸荷的条件下，围岩应变均随着开挖内径的增大而增大，且相较于瞬态卸荷条件，150 mm 内径的试件会发生破坏，而瞬态卸荷条件下150 mm 内径试件未产生破坏。

2）随着初始围压的增大，围岩卸荷变形会逐渐增大，因此在实际工程中为了防止围岩受到变形破坏，所需的支护力也应随之增大。