考慮彈性核作用下的沖擊地壓形成機(jī)理模型試驗(yàn)

許海亮，孫金斗，覃吉寧，任合歡

(北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

沖擊地壓是發(fā)生在煤礦井開采過程中的典型動(dòng)力災(zāi)害，大量工程實(shí)踐證明[1-6]，上覆巖層壓力與頂板斷裂等導(dǎo)致的垂直載荷極易引起沖擊地壓、礦震等災(zāi)害。實(shí)際工程中，沖擊地壓發(fā)生由多種因素共同導(dǎo)致，且其發(fā)生毫無預(yù)兆性，難以監(jiān)測(cè)其發(fā)生的時(shí)空演化規(guī)律。因此，通過室內(nèi)試驗(yàn)近似還原其發(fā)生過程，揭示沖擊地壓發(fā)生的時(shí)空演化過程，對(duì)工程及地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)警具有一定的理論和實(shí)踐價(jià)值。

沖擊地壓的孕災(zāi)及致災(zāi)機(jī)理十分復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)沖擊地壓進(jìn)行了大量的研究工作，并提出了一系列重要理論。如在沖擊地壓早期研究中具有代表性的強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論[7]，以及其后變形失穩(wěn)理論[8-9]、“三準(zhǔn)則”機(jī)理[10]、“三因素”機(jī)理[11]、強(qiáng)度弱化減沖機(jī)理[12]。不同學(xué)者從不同角度對(duì)沖擊地壓進(jìn)行了研究，提出了不同的理論，推動(dòng)了沖擊地壓發(fā)生研究進(jìn)程。但目前的理論研究相對(duì)抽象，還缺乏和地下工程結(jié)構(gòu)的相結(jié)合，很難和沖擊地壓發(fā)生后的現(xiàn)象相互佐證，如沖擊地壓發(fā)生后煤層頂?shù)装宀⒉话l(fā)生明顯的破壞和變形，而煤層卻發(fā)生破壞和整體移出，在煤層和頂板之間存在明顯的滑動(dòng)擦痕和離層[11]。而已有的研究指出，在頂板來壓過程中，由煤壁至深處將形成破壞區(qū)、彈性承壓區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，該劃分方法雖相對(duì)理想化，但煤體深部具有可釋放的變形能的事實(shí)是毋庸置疑的[13-15]。

通過上述問題及分析，本文從煤體幫部彈性承壓區(qū)釋放變形能推動(dòng)塑性破壞區(qū)向采空區(qū)滑移的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)專項(xiàng)試驗(yàn)。選用一種花崗巖和一種紅砂巖，由兩種巖石試件組合還原巖層結(jié)構(gòu)模型，采用單軸壓縮加載方式模擬頂板來壓過程，分析煤巖層變形及破壞的演化規(guī)律，還原彈性承壓區(qū)的能量積累和釋放的過程，分析了軟巖層的變形破壞過程及能量時(shí)空演化規(guī)律。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

煤體開采后形成采空區(qū)，隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，煤巖層長(zhǎng)度逐漸減小，其所承荷載均值逐漸增加，在所承荷載增加過程中，煤巖側(cè)壁出現(xiàn)片幫或沖擊，如圖1(a)所示。由此，通過試驗(yàn)還原沖擊地壓的關(guān)鍵首先在于形成煤體開挖后的結(jié)構(gòu)形式，其次，頂?shù)装鍘r層與煤巖層之間應(yīng)存在合理的巖性差異?；谏鲜鲂枨?，完成試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱?，如圖1(b)所示。

模型為上、中、下三層巖石組成的層狀結(jié)構(gòu)，其中上層和下層巖石為花崗巖，模擬頂?shù)装澹鋸椥阅Ａ考s為101.29 GPa，泊松比約為0.27。中間層為紅砂巖，模擬軟巖層(煤層)，其彈性模量58.07 GPa，泊松比約為0.32。

結(jié)合試驗(yàn)機(jī)大小及采空區(qū)對(duì)周圍巖體的影響范圍[16]，使用的模型尺寸如下：

頂板層尺寸為300 mm×100 mm×50 mm；底板尺寸為300 mm×50 mm×50 mm；軟巖層尺寸為250 mm×50 mm×50 mm，軟巖層部分為本文的興趣區(qū)域。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪吔绾图虞d條件為：模型左側(cè)邊界施加水平方向的位移約束；模型右側(cè)邊界，僅對(duì)頂?shù)装鍘r層施加水平位移約束。使用RLJW-2000液壓伺服試驗(yàn)機(jī)分別在頂、底板巖層的上、下表面施加垂直方向的壓力。本次實(shí)驗(yàn)中采用位移控制加載方式，加載速率為0.25 mm/min；使用CCD相機(jī)搭建圖像采集系統(tǒng)，圖像采集速度為5幀/s，圖像分辨率為1600pixel×1200pixel，物面分辨率為0.2 mm/pixel。

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷纳邎?chǎng)，其中花崗巖試塊使用天然散斑場(chǎng)，紅砂巖試塊采用黑白珍珠漆噴涂采集面制作人工散斑場(chǎng)；然后，在試驗(yàn)機(jī)上組裝實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒⑹┘宇A(yù)壓；最后，對(duì)加載系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)時(shí)確保壓機(jī)與圖像采集的時(shí)間一致性，開始加載同時(shí)開啟圖像采集。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

在相同加載方式下對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕?、中、下層巖石材料性質(zhì)進(jìn)行研究，測(cè)定試塊基本參數(shù)，每種巖石材料進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，其強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。模型試驗(yàn)共進(jìn)行了4組，繪制花崗巖、紅砂巖及模型試件的加載曲線如圖2(a)所示，選取典例的試驗(yàn)破壞圖像如圖2所示。

表1 材料強(qiáng)度表Table 1 The properties of materials

圖2 試件散斑及破壞圖像Fig.2 The destroy image of text model

模型試件出現(xiàn)破壞時(shí)，1號(hào)區(qū)域首先出現(xiàn)強(qiáng)烈的沖擊，2、3號(hào)區(qū)域向右側(cè)采空區(qū)方向依次發(fā)生沖擊且強(qiáng)度逐漸減弱。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

繪制4組實(shí)驗(yàn)中的壓機(jī)曲線，并選取較為典型的壓機(jī)曲線作為典例進(jìn)行分析如圖3所示。

圖3 模型加載曲線Fig.3 The loading curve of text model

2.1 軟巖層應(yīng)變場(chǎng)分析

利用數(shù)字散斑技術(shù)，計(jì)算軟巖層在加載過程中的豎向、水平方向應(yīng)變場(chǎng)分布情況并繪制標(biāo)識(shí)點(diǎn)1-3時(shí)刻(圖3)的應(yīng)變場(chǎng)等值線云圖，如圖4所示。

圖4 軟巖層豎直、水平方向應(yīng)變場(chǎng)Fig.4 The vertical and horizontal strain field of Soft rock

由圖4可知，在上覆巖層荷載較小時(shí)，軟巖層水平、豎直方向應(yīng)變基本呈現(xiàn)均勻分布；在上覆巖層荷載逐漸增大過程中，在采空區(qū)一側(cè)的豎向壓應(yīng)變、水平拉應(yīng)變的量值增大，最終在采空區(qū)一側(cè)形成了豎直方向受壓、水平方向受拉的局部化帶[17-18]，從能量角度講可將其解釋為彈性核。

分析認(rèn)為，頂板來壓后，軟巖層開始均勻受載，由于軟巖層側(cè)壁附近存在臨空面，易產(chǎn)生變形，導(dǎo)致其承載能力較差，頂板開始向兩幫深處尋找更為堅(jiān)實(shí)的承載區(qū)，使得軟巖層側(cè)壁至深部，逐漸形成塑性區(qū)、彈性承壓區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)(圖4(a)標(biāo)識(shí)點(diǎn)3)。隨著頂板來壓逐漸增加，軟巖層側(cè)壁附近的塑性區(qū)逐漸失效，彈性區(qū)范圍逐漸向軟巖層深部介質(zhì)延伸，彈性區(qū)介質(zhì)在頂?shù)装鎶A持及左右相鄰介質(zhì)的約束下，豎向承載能力遠(yuǎn)大于軟巖層側(cè)壁，使得荷載無法繼續(xù)向軟巖層深部傳遞；當(dāng)頂板來壓增大到一定量值時(shí)，彈性承壓區(qū)擴(kuò)容效應(yīng)、壓脹效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，彈性區(qū)介質(zhì)承載能力達(dá)到極限，軟巖層介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的沖擊，相鄰介質(zhì)依次發(fā)生破壞和沖擊，最終形成結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)和破壞。

2.2 軟巖層彈性變形能演化分析

由前節(jié)分析可知，在頂板來壓過程中，軟巖層不同位置的應(yīng)變分布存在較大的差異且極易積累彈性應(yīng)變。變形能密度指標(biāo)綜合考慮了應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系，故本節(jié)考慮使用變形能密度指標(biāo)分析軟巖層的變形能時(shí)空演化規(guī)律。其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：U——變形能密度；

E——軟巖層試件的彈性模量；

v——軟巖層試件的泊松比；

ε1——軟巖層試件表面的第一主應(yīng)變;

ε2——軟巖層試件表面的第二主應(yīng)變。

將軟巖層劃分為250×50個(gè)計(jì)算微單元，同列50個(gè)微單元組合成1個(gè)條帶單元，自左至右總計(jì)劃分為250個(gè)條帶單元，沿弱層圍巖水平方向建立橫坐標(biāo)圖如圖5(a)所示，以條帶單元變形能密度量值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)識(shí)點(diǎn)1-3時(shí)刻(圖3)的變形能密度空間分布狀態(tài)，如圖5(b)所示。

圖5 軟巖層變形能空間分布Fig.5 The distribution of deformation energy of soft rock

由圖5可知，在加載初期，變形能密度量值較小且基本呈現(xiàn)均勻分布；在頂板來壓的過程中，采空區(qū)附近的變形能的增量開始逐漸大于原巖應(yīng)力區(qū)；且軟巖層側(cè)壁和較深部介質(zhì)之間的位置逐漸演化出變形能的極小值，較深部的變形能量值繼續(xù)增加直至破壞。

分析認(rèn)為，頂板來壓量值較小時(shí)，弱層圍巖均勻受載且變形較小，故其變形能密度基本保持一致且量值差異較小；在頂板壓力增長(zhǎng)過程中，一方面，頂?shù)装鍖?duì)軟巖層夾持作用逐漸增大，軟巖層在采空區(qū)附近的介質(zhì)出現(xiàn)應(yīng)變集中，故變形能量值較其他區(qū)域較大；另一方面，軟巖層側(cè)壁附近存在臨空面，約束弱、承載力差，不能承擔(dān)較大的豎向荷載，故在其和相鄰介質(zhì)之間出現(xiàn)極小值。從能量角度講，極小值附近亦是塑性區(qū)和彈性區(qū)劃分的“理論邊界”。

選擇彈性承壓區(qū)175-225#條帶單元(圖5(b))，進(jìn)一步分析其彈性變形能隨時(shí)間演化特征并繪圖，如圖6所示。

圖6 彈性承壓區(qū)變形能演化曲線Fig.6 The evolution deformation energy of elastic confined zone

由圖6可知，在頂板來壓較小時(shí)(0～200 s)，軟巖層彈性承壓區(qū)變形能量值較小，在頂板壓力增加過程中(200～520 s)，變形能波動(dòng)式上升，在加載峰值前(520～568 s)，變形能出現(xiàn)明波動(dòng)頻率加快且量值無明顯增幅；在加載峰值時(shí)(570 s),彈性承壓區(qū)變形能快速降低。

分析認(rèn)為，軟巖層彈性承壓區(qū)在頂板壓力增加過程中，變形能呈現(xiàn)波動(dòng)式上升而非線性增長(zhǎng)主要是由于軟巖層存在變形傳導(dǎo)和能量傳遞，在水平方向上產(chǎn)生了向采空區(qū)一側(cè)的位移，導(dǎo)致其變形能存在積累后再次釋放的過程；在加載峰值前(520～560 s)，彈性承壓區(qū)的部分介質(zhì)進(jìn)入塑性變形階段，承載能力減弱，向采空區(qū)一側(cè)滑移速度加快，故其變形能量值波動(dòng)頻率加快；在加載峰值(570 s)，彈性承壓區(qū)位置的變形能出現(xiàn)明顯的釋放過程，推動(dòng)相鄰介質(zhì)加速滑移，加塊軟巖層破壞進(jìn)程。

2.3 軟巖層沖擊過程相互作用

峰值荷載時(shí)軟巖層介質(zhì)出現(xiàn)了劇烈的沖擊，為分析其沖擊過程中各部分的相互作用，計(jì)算由試件最終的破壞形態(tài)劃分的1、2、3號(hào)區(qū)域(圖2)水平位移量值結(jié)合加載曲線繪圖，如圖7所示。

圖7 突出區(qū)域水平位移曲線Fig.7 The horizontal displacement of destruction area

由圖7可知，在頂板壓力較小時(shí)(0～380 s)，軟巖層各區(qū)塊的水平位移基本保持不變，在頂板來壓過程中(380～560 s)，1、2、3號(hào)區(qū)域的水平位移量值開始出現(xiàn)差異，1號(hào)區(qū)域向采空區(qū)一側(cè)滑移速度最快，2、3號(hào)區(qū)域依次遞減；上覆巖層荷載達(dá)到峰值應(yīng)力的98%時(shí)(568 s)，1號(hào)區(qū)域加速向采空區(qū)方向滑移，最終形成沖擊。同時(shí)可以看出其作用于2、3號(hào)區(qū)域向左側(cè)短暫收縮，形成強(qiáng)度較弱的沖擊；軟巖層介質(zhì)出現(xiàn)材料破壞后，最終形成結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)破壞。

分析認(rèn)為，在軟巖層沖擊過程中，彈性承壓區(qū)逐步釋放能量并向兩側(cè)發(fā)生擠壓，導(dǎo)致1、2、3號(hào)區(qū)域出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象。其位移差異主要是由約束條件的不同導(dǎo)致的，一方面，巖層交界面附近的約束能力強(qiáng)于軟巖層中間位置，另一方面，深部介質(zhì)的約束能力大于淺部圍巖，兩者共同作用下，使得在臨空面附近的介質(zhì)最先形成“反C”型突出。突出產(chǎn)生時(shí)，向采空區(qū)一側(cè)加速滑動(dòng)，由于相鄰介質(zhì)提供其沖擊力源，導(dǎo)致未突出部分向相反方向短暫收縮；同時(shí)，較深部軟巖層介質(zhì)在臨近采空區(qū)一側(cè)的水平方向約束消失，其受力狀態(tài)由帶有水平方向約束的受壓狀轉(zhuǎn)入單軸壓縮狀態(tài)，承載能力大幅度削減；另一方面，承載區(qū)面積迅速減小，導(dǎo)致其單位面積介質(zhì)所受荷載突增，造成其更大范圍的介質(zhì)破裂，形成漸進(jìn)性的沖擊和破壞。

3 結(jié)論

使用CCD相機(jī)和萬能試驗(yàn)機(jī)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用花崗巖及紅砂巖組合成地層結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行單軸加載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其變形及運(yùn)動(dòng)規(guī)律與實(shí)際工程相符，可近似還原沖擊地壓的致災(zāi)孕災(zāi)過程，對(duì)沖擊地壓孕災(zāi)致災(zāi)的演化過程進(jìn)行了應(yīng)變場(chǎng)、能量演化、沖擊過程相互作用的相關(guān)分析，得出以下結(jié)論：

(1)上覆頂板來壓時(shí)，可將軟巖層劃分為塑性破壞區(qū)、彈性承壓區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，彈性承壓區(qū)易形成較大的彈性核。

(2)軟巖層變形能在彈性承壓區(qū)大幅度積累，其積累過程是波動(dòng)式上升的；在峰值荷載前，變形能波動(dòng)頻率加快；達(dá)到峰值荷載時(shí)，彈性承壓區(qū)變形能存在明顯的釋放過程。

(3)沖擊地壓發(fā)生時(shí)，突出體發(fā)生沖擊并反作用于臨近巖體使其短暫收縮。

(4)沖擊地壓是一個(gè)漸進(jìn)性的過程；一方面，由于水平約束的消失，彈性承壓區(qū)的受力狀態(tài)由水平方向受約束的壓縮狀轉(zhuǎn)入單軸壓縮態(tài)，導(dǎo)致其承載能力大幅度減弱；另一方面，承載區(qū)面積快速減小，導(dǎo)致軟巖層承壓區(qū)域承擔(dān)的豎向荷載突增；兩者共同作用導(dǎo)致沖擊地壓出現(xiàn)漸進(jìn)性的沖擊和破壞。