“擠壓-撓曲”復(fù)合底鼓機(jī)理及相似模擬技術(shù)研究

崔 健

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

國內(nèi)外專家學(xué)者對巷道底鼓機(jī)理及控制技術(shù)做過大量的研究，并取得了一定的成果，但是對于深部巷道底鼓問題研究較少，特別是受兩側(cè)掘進(jìn)影響的巷道。一方面煤礦深部巷道底板巖層呈層狀分布且有明顯的軟巖特性，巷道開挖后，圍巖應(yīng)力平衡結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生二次或多次應(yīng)力重新分布，造成底板淺部巖層固有裂隙貫通形成破碎巖體；另一方面隨著相鄰巷道的掘進(jìn)影響，對底板深部完整層狀巖層二次擠壓，形成了底鼓峰值位置不在底板中央的“擠壓-撓曲”復(fù)合底鼓的特殊現(xiàn)象，加之深部巷道受地下水影響明顯，使得底鼓機(jī)理更加復(fù)雜。正是由于現(xiàn)有理論不能全面細(xì)致地分析這類深部巷道復(fù)合底鼓機(jī)理，從而難以有效地控制底鼓量，不能保證巷道的正常使用，所以，繼續(xù)對這類非對稱條件深部巷道層狀底板“擠壓-撓曲”復(fù)合底鼓穩(wěn)定性研究很有必要。

1 工程概況

陽煤五礦皮帶運(yùn)輸巷位于+211水平(地面標(biāo)高+1 040 m)，巷道兩側(cè)為南軌道運(yùn)輸巷和北軌道運(yùn)輸巷，其空間布置位置見圖1。由于底板呈層狀分布，表層為強(qiáng)度較低的泥巖，深部為砂巖，巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重分布，底板表層巖層強(qiáng)度較低，受到支承壓力的影響最先折曲、破壞。隨著北軌道巷和南軌道巷的先后掘進(jìn)，擠壓淺部由開挖造成的破碎巖體以及深部還處于完整層狀的巖體，產(chǎn)生了擠壓流動性和撓曲褶皺性的復(fù)合底鼓，同時底鼓峰值位置靠近一幫。

圖1 皮帶運(yùn)輸巷的空間位置圖

2 非對稱條件下“擠壓-撓曲”復(fù)合底鼓機(jī)理分析

2.1 巷道兩幫傳遞機(jī)理

確定巷道圍巖結(jié)構(gòu)時，以關(guān)鍵層理論及上覆巖層砌體梁理論為基礎(chǔ)確定上邊界[1-3]。當(dāng)巷道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，兩幫在支承壓力的作用下發(fā)生變形甚至破壞形成極限平衡區(qū)。由于兩幫的支承壓力近似對稱，在巷道斷面中心建立直角坐標(biāo)系，分析巷道右斷面，見圖2。

圖2 一幫受力計(jì)算模型圖

由于兩幫松軟，泊松比也相對較大，而幫部與頂板、底板的交界面處內(nèi)聚力c0和內(nèi)摩擦角φ0比幫部巖體低，此時極限平衡區(qū)巖體趨向于從頂板、底板擠出。假設(shè)：極限平衡區(qū)與彈性區(qū)交界處滿足：

σy│x=x0=kγH，σx|x=x0=λkγH

(1)

式中：

k—應(yīng)力集中系數(shù)；

γH—原巖應(yīng)力；

λ—極限平衡區(qū)邊界側(cè)壓力系數(shù)。

縱向選取巷道單位長度的巖體作為研究對象，進(jìn)而可以得到極限平衡區(qū)ABCD水平方向的合力：

P=mAkγH-mPi

(2)

式中：

m—幫部高度；

mPi—幫上由支架提供的水平支護(hù)力。

由于支承壓力和水平合力P的共同作用，使得極限平衡區(qū)內(nèi)巖體經(jīng)歷了彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變、蠕變應(yīng)變。這里忽略蠕變應(yīng)變，得到巖體變形位移S1為

S1=Se+Ss+Sd

(3)

式中：

Se—巖體的彈性位移；

Ss—巖體剪脹后與頂板、底板間的剪切位移；

Sd—巖體擴(kuò)容引起的變形量。

2.2 底板最大破壞深度

底板破壞深度的計(jì)算，一般可采用土力學(xué)中地基計(jì)算方法，由塑性理論可知在底板上極限平衡區(qū)分為3個區(qū)，見圖3。

隨著支承壓力的持續(xù)增加，當(dāng)超過底板主動區(qū)(Ⅰ區(qū))極限強(qiáng)度時，極限平衡區(qū)寬度內(nèi)的底板將在底腳處與巖體分離。主動區(qū)的巖體受到上方垂直壓力的作用而發(fā)生變形破壞，形成破碎區(qū)。同時，由于水平作用力的影響將巖體進(jìn)一步擠壓到過渡區(qū)(Ⅱ區(qū))，并把應(yīng)力傳遞于這一區(qū)域。過渡區(qū)繼續(xù)擠壓被動區(qū)(Ⅲ區(qū))，使得巖體在主動區(qū)支承壓力的影響下向巷道內(nèi)移動，并形成剪切滑移面，形成不同程度的底鼓。

圖3 底板中的極限平衡區(qū)圖

2.3 “擠壓-撓曲”復(fù)合底鼓模型

陽煤五礦皮帶運(yùn)輸巷開挖后淺部底板受支承壓力影響，發(fā)生折曲、破碎；深部底板尚未發(fā)生破壞，巖層呈層狀分布。隨后經(jīng)歷了南北軌道巷的掘進(jìn)影響，其中北軌道巷先掘進(jìn)，在二次水平應(yīng)力的作用下，淺部破碎巖體受擠壓發(fā)生擠壓流動性底鼓，深部完整層狀巖體發(fā)生撓曲褶皺性底鼓；隨后的南軌道巷掘進(jìn)也會促使這類復(fù)合底鼓的產(chǎn)生，只是第二次影響更為激烈，其幫部應(yīng)力包括了此次掘進(jìn)產(chǎn)生的支承壓力及上次掘進(jìn)后殘余的支承壓力，其力學(xué)環(huán)境見圖4。巷道底鼓模型見圖5，其中x01與x02分別為兩幫的極限平衡區(qū)長度。

k1—北軌道巷掘進(jìn)支承壓力形成的高支承壓力區(qū)應(yīng)力集中系數(shù) γ—上覆巖層平均容重，N/m3 k2—南軌道巷掘進(jìn)支承壓力和殘余支承壓力疊加形成的高支承壓力集中系數(shù)

圖5 巷道底鼓模型

3 深埋巷道底鼓相似材料模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 模型相似常數(shù)和基本參數(shù)

根據(jù)原型尺寸和模型實(shí)驗(yàn)條件，確定了幾何相似比為CL=1∶20，容重比為Cr=1∶1.25，則其應(yīng)力比為Cσ=CL·Cγ=1∶25。因此，σv、σh、σc、σt及E的相似常數(shù)也均為25。實(shí)際圍巖區(qū)域?yàn)?0 m×20 m×4 m,巷道斷面為5 m×3.5 m,模型中斷面大小為25 cm×17.5 cm。模型模擬了埋深800 m的巷道，巷道的原巖垂直應(yīng)力為20 MPa，水平應(yīng)力為10 MPa，而模型中的垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分別為0.8 MPa、0.4 MPa，對應(yīng)的相似材料見表1。

實(shí)驗(yàn)加載方案：1)用預(yù)先設(shè)定好的木條制成矩形巷道形狀，按照設(shè)計(jì)的相似配比配制材料，裝入模擬架，并將壓力加到預(yù)定值，放置1周左右，使得模型固化完全后，打開巷道窗口。2)當(dāng)加載應(yīng)力小于巷道圍巖的原巖應(yīng)力時(σ<0.8 MPa)，采用水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力同時加載的方式。3)當(dāng)加載應(yīng)力大于原巖應(yīng)力且小于3倍原巖應(yīng)力時(0.8 MPa<σ<2.5 MPa)，水平應(yīng)力按照垂直應(yīng)力的0.5倍加載，過程采用先加垂直應(yīng)力再加水平應(yīng)力且水平應(yīng)力持續(xù)增大。4)當(dāng)加載應(yīng)力大于3倍原巖應(yīng)力時(σ>2.5 MPa)，水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力同時加載。

表1 模擬材料配比表

3.2 相似材料模擬結(jié)果分析

采用高清晰度單反照相機(jī)固定在同一位置進(jìn)行拍攝，然后用CAD處理照片，計(jì)算圍巖測點(diǎn)的變形量，通過DH3815靜態(tài)應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測應(yīng)力變化。底板上測點(diǎn)布置圖見圖6，共布置了3排測點(diǎn)，第1排測點(diǎn)與底板下邊界相距0.5 m(這里均表示為實(shí)際尺寸)，每排測點(diǎn)橫向豎向間距均為1 m,其中1-2、2-3、3-2布置在巷道的中心位置。巷道加載后底板的破壞情況見圖7，由圖7可以看出靠近巷道底板的兩角處產(chǎn)生了與水平呈35°左右的剪切錯位，由于巖層被自由面和破壞面切割，加之水平力的作用，底板巖層發(fā)生破壞形成菱形塊體，巷道底板發(fā)生明顯底鼓，這是巖層水平位移和豎直位移的合成結(jié)果[4]。

圖6 巷道底板測點(diǎn)布置情況

圖7 巷道加載后底板破壞情況

巷道底板垂直應(yīng)力為圖8。

圖8 巷道底板垂直應(yīng)力圖

分析圖8可以得出，巷道開挖后測點(diǎn)的垂直應(yīng)力迅速上升，3-2號測點(diǎn)先上升至13.7 MPa左右，然后隨著時間的推移逐漸減少直到底板破壞；同一水平線上的3-1號測點(diǎn)，其垂直應(yīng)力最大值高于3-2號測點(diǎn)的最大值，這說明巷道底板中部的垂直應(yīng)力最小，同時在水平上越遠(yuǎn)離巷道底板巖層中部其垂直應(yīng)力越大；對比豎向3-2、2-3、1-2三個測點(diǎn)后，同樣可以得到豎向方向遠(yuǎn)離底板位置的垂直應(yīng)力更大；整體應(yīng)力波動值不大，但2-1號顯示出了逐步上升的趨勢，直到底板明顯破壞，陡升至20 MPa左右，這是底腳處應(yīng)力集中造成的。

巷道底板水平應(yīng)力為圖9。

圖9 巷道底板水平應(yīng)力圖

由圖9可以看出，對于3-3測點(diǎn)的水平應(yīng)力呈現(xiàn)出先迅速上升至原巖應(yīng)力而后逐步下降，說明底板以下0.5 m左右?guī)r體為破壞區(qū)；分析2-4和2-5測點(diǎn)，巷道開挖后應(yīng)力值有所增加并穩(wěn)定了一段時間，隨后發(fā)生一次明顯的應(yīng)力升高，在同一時期的1-3測點(diǎn)卻發(fā)生突降，這是因?yàn)榈装迤茐?，水平?yīng)力轉(zhuǎn)移到深部造成深部應(yīng)力值增大。比較圖8，9可以看出，底板以下同一水平的巖層，中部屬水平應(yīng)力降低區(qū)，而兩邊一定范圍的巖體屬水平應(yīng)力升高區(qū)。巷道底板拉移分布規(guī)律見圖10。

圖10 巷道底板位移分布規(guī)律圖

由圖10可見，隨著深度的增加，垂直位移逐漸減小，最大底鼓量為605 mm，發(fā)生在巷道底板中心位置，這是由于巷道受到對稱力作用沒有水平位移；底板向下超過3 m范圍基本沒有豎向位移，而水平方向在1/2的巷道寬度范圍內(nèi)。

綜上現(xiàn)象分析說明，對于深埋巷道，隨著巷道開挖，底板垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力都會快速上升，但上升幅度不同，并且維持時間短，這是由于深埋高應(yīng)力的作用使得底鼓很快產(chǎn)生，使得應(yīng)力值降低。對底板位移分布規(guī)律的分析可以得出，深埋巷道底鼓量較大且多發(fā)生在底板中心位置，這符合一般的底鼓發(fā)生規(guī)律，但是若巷道兩側(cè)受到不同的支承壓力時，會在底板水平方向產(chǎn)生位移，與垂直位移合成會產(chǎn)生偏向一幫的底鼓。

4 結(jié) 論

1)建立一幫受力的計(jì)算模型，分析了極限平衡區(qū)內(nèi)支承壓力的分布狀態(tài)，在考慮幫部彈性位移、剪切位移的同時引入了擴(kuò)容位移，最后推導(dǎo)出幫部位移的表達(dá)式，由表達(dá)式可以看出兩幫的位移與頂?shù)椎南鄬σ平坑兄苯雨P(guān)系，可見控制幫部的位移對底鼓的防治有一定的作用。

2)建立“擠壓-撓曲”復(fù)合底鼓巷道模型，認(rèn)為此類復(fù)合底鼓發(fā)生的條件是底板呈層狀分布且較為軟弱。巷道開挖后淺部發(fā)生折曲破碎深部還保持完整，隨后經(jīng)歷了兩側(cè)相鄰巷道先后掘進(jìn)的影響，擠壓淺部破碎巖體及深部完整巖體，由于兩幫支承壓力的不對稱造成了偏向于一幫的“擠壓-撓曲”復(fù)合底鼓現(xiàn)象。

3)分析淺部擠壓流動性底鼓時，以最大破壞深度為研究范圍，將底板破碎巖體看作等效巖性參數(shù)連續(xù)介質(zhì)來處理，假設(shè)了位移為零的位置結(jié)合變分原理對此類底鼓進(jìn)行了分析；對深部撓曲褶皺性底鼓采用了薄板彎曲理論估算底鼓量。最終推導(dǎo)出非對稱條件下“擠壓-撓曲”復(fù)合底鼓峰值位置及確定底鼓量大小和形態(tài)的表達(dá)式，對底鼓量的估算及確定底鼓發(fā)生位置有一定的指導(dǎo)意義。

4)以相似材料模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析了深埋巷道底板變形、垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布的一般規(guī)律，可知深埋巷道開挖后，越遠(yuǎn)離底板中央，應(yīng)力值越大，同時底板垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力都會不同幅度的迅速增加，但持續(xù)時間短，這是由于深埋高應(yīng)力的作用使得底鼓很快產(chǎn)生，應(yīng)力值降低。至于深埋巷道底板的變形，其位置位于底板中心且垂直位移量很大。這對研究非對稱條件下深埋巷道“擠壓-撓曲”復(fù)合底板圍巖變形規(guī)律有所裨益。

參 考 文 獻(xiàn)

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