深部巷道圍巖錨固結構失穩(wěn)破壞全過程試驗研究

靖洪文，尹 乾，朱 棟，孫彥景，王 勃

(1.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學 信息與控制工程學院，江蘇 徐州 221116)

深部巷道圍巖在高應力、強卸荷環(huán)境下發(fā)生變形破裂，成為結構及力學性質更為復雜的破裂巖體，其破裂失穩(wěn)過程實質上是巖石從連續(xù)到非連續(xù)，從彈塑性小變形到結構性大變形的過程[1-3]。錨桿索支護由于其主動加固調動圍巖承載能力及對變形適應性良好等優(yōu)點，在煤礦工程中得到廣泛應用。從圍巖支護形成的錨固結構考慮巷道圍巖穩(wěn)定問題，是從一個新的角度審視和揭示深部巷道圍巖失穩(wěn)破壞機理，具有重要的理論意義[4-6]。

為了探索錨固結構承載特性及破裂演化特征，JING等[7]通過模型試驗研究發(fā)現(xiàn)含斷續(xù)節(jié)理錨固體強度主要由巖體強度及錨桿初始預緊力決定，并建立了錨固體峰值強度與裂隙傾角及錨桿密度之間的函數關系;蘇學貴等[8]通過大斷面矩形巷道頂板錨固承載結構模型試驗，發(fā)現(xiàn)錨桿支護作用下淺部巖層形成組合梁，深部復合巖層在錨索預應力作用下形成壓縮拱，建立“拱-梁”耦合承載結構;王其洲等[9]針對峰后錨固體力學特性和再破壞特征，通過預制峰后破裂巖體進行相似模擬試驗，研究了不同錨桿間排距和預緊力條件下錨固體載荷演化規(guī)律及變形破壞特征。譚云亮等[10]通過離散元數值模擬研究了全長錨固錨桿對節(jié)理圍巖穩(wěn)定性的影響，分析了不同錨固時刻圍巖的破壞特征;張元超等[11]通過數值計算對比分析了加錨支護前后深井沿空掘巷圍巖變形和應力演化規(guī)律，并根據模擬和現(xiàn)場實測結果確定了加錨支護參數。翟英達[12]發(fā)現(xiàn)預應力錨桿在圍巖中產生橫向擠壓作用是形成錨固結構的必要條件，并分析了橫向擠壓作用與圍巖泊松比、錨桿密度及有效長度的關系;韓立軍等[13]在分析錨注加固結構承載機理的基礎上提出了錨注支護條件下巷道圍巖的多重組合拱結構，并對其極限承載能力進行理論分析。上述研究成果為本文順利開展深部巷道圍巖大尺度錨固結構力學特性及失穩(wěn)破壞機理探討提供參考。

此外，近年來多源信息融合技術已在礦山安全預測預警方面取得了一些研究進展，如劉增輝等[14]將電磁輻射技術應用到近距離煤層開采對卸壓區(qū)圍巖應力演化影響的監(jiān)測中，結果表明電磁輻射強度和脈沖數與煤巖體裂隙擴展演化具有較好的耦合關系;周輝等[15]為分析合理終采線的結構，通過模型試驗方法，利用聲發(fā)射監(jiān)測上方工作面回采過程對垂直于回采方向下方巷道圍巖的擾動影響;許昭勇[16]提出利用直流電法技術進行采動圍巖應力分布探測的思路，試驗測試分析煤樣在不同應力和裂隙條件下煤層視電阻率的響應特征，并通過現(xiàn)場測試揭示采動圍巖應力分布的電法響應規(guī)律。但上述信息化探測手段在巷道圍巖錨固結構破裂演化大尺度地質力學模型試驗方面的研究卻相對較少。

基于此，筆者以口孜東礦-967 m水平西翼軌道大巷為工程背景，通過自主研發(fā)圍巖結構失穩(wěn)全過程試驗系統(tǒng)開展不同支護巷道圍巖錨固結構荷載-位移全過程模型試驗，揭示巷道開挖至加載破壞過程中錨固結構承載特性、位移場演化規(guī)律及變形破裂特征。分析錨固結構破壞過程中電磁輻射、聲發(fā)射和電阻率等地球物理信息響應規(guī)律及與荷載-位移曲線的耦合關系，為深部巷道圍巖變形破裂監(jiān)測及穩(wěn)定控制提供一個新的研究思路。

1 圍巖結構失穩(wěn)全過程試驗系統(tǒng)研制

1.1 試驗系統(tǒng)研發(fā)

為了探索深部巷道圍巖結構整體失穩(wěn)過程，揭示巷道圍巖破壞形態(tài)、內部應力演化等宏細觀規(guī)律，課題組自主研制了深部巷道圍巖結構整體失穩(wěn)全過程模型試驗系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)能夠精確模擬深部巷道圍巖從開始承載至整體失穩(wěn)全受力過程，得到不同支護參數條件下圍巖結構荷載-位移全過程特征曲線，從而研究深部巷道的力學承載特性、變形破壞規(guī)律以及支護與圍巖共同作用效果，為評價不同結構地下工程穩(wěn)定性提供依據。

圖1 試驗系統(tǒng)研發(fā)Fig.1 Development of the test system

試驗系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成。其中液壓加載系統(tǒng)由螺母、前蓋底座、前蓋組件、送料裝置、拉桿、環(huán)形支座、后蓋組件、底座組件、液壓螺母、安裝機架、舉升油缸、伺服加載器等組成。電控系統(tǒng)主要由電路系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)組成。此外，在該試驗平臺上，可綜合運用數字照相、電磁輻射、聲發(fā)射和雙模式并行電法等多源地球物理信息監(jiān)測技術分析巷道圍巖錨固結構變形破壞過程中的物理信息響應。系統(tǒng)主要技術參數如下:

(1)準平面應變模型，水平和垂直兩個方向單獨控制加載，最大加載能力為10 MPa;

(2)前后端面采用Q345-B型鋼板被動約束，最大允許變形0.002 mm(最大撓度為0.3 mm);

(3)頂部油缸分五路獨立控制，可采用壓力和位移兩種控制方式加載，最低加載速率0.01 mm/s;

(4)側向加載分四路獨立控制，可實現(xiàn)任意梯度加載;

(5)液壓加載系統(tǒng)能夠實現(xiàn)加載→穩(wěn)壓→卸載過程的自動化控制，穩(wěn)壓時間96 h，應力波動幅度不大于穩(wěn)壓設定值的±2%F.S;

(6)硐室位移傳感器可以閉環(huán)控制頂部伺服加載器，獲取巷道及圍巖錨固結構荷載-位移特性曲線;

(7)主體承載結構框架采用組合結構，允許模型尺寸1 200 mm×1 200 mm×300 mm，預留多源信息采集數據線出口;

(8)采用多通道全數字控制器，配備Windows環(huán)境下的操作軟件，主要控制參數帶有模擬輸出，可供給數據采集系統(tǒng)同步采集。

試驗系統(tǒng)配有3套前端面約束擋板，并在中心留有圓形、半圓拱形和矩形孔洞以便開挖不同巷道斷面形狀。模型正面安裝1塊厚3 cm的亞克力板，提供觀望窗口的被動約束，模型側面，背面及上面貼減摩紙減少摩擦力。其他輔助設備主要包括模型澆筑模具、模型推送裝置和數據采集系統(tǒng)，其中:

(1)澆筑模具由U型鋼板拼裝組成，底板設有可吊裝的活動底座，模具內側表面光滑，澆筑前涂抹脫模劑;

(2)模型推送裝置由送料小車和操作平臺組成。推送裝置軸線和試驗系統(tǒng)中心軸線重合，確保推送過程不發(fā)生偏離;

(3)數據采集系統(tǒng)包括TST3826E靜態(tài)應變測試分析系統(tǒng)、PC以及數字照相位移量測系統(tǒng)等，監(jiān)測錨固結構應力場、位移場及多源地球物理信息。

試驗系統(tǒng)總重量達34 t，因此需對基礎進行硬化處理，在混凝土強度標號C35的地板上鋪設鋼板，鋼板尺寸為3 m×5 m，厚度2 cm。采用地腳螺栓將系統(tǒng)與鋼板基礎進行連接。

1.2 相似材料選取

此次試驗以中煤新集能源股份有限公司口孜東礦的主運輸膠帶斜巷尾部聯(lián)巷至121301工作面機巷尾部聯(lián)巷段的西翼軌道大巷為研究背景，該試驗段巷道斷面為近直墻半圓拱形，尺寸為5 100 mm×4 200 mm，位于-967 m水平，巷道主要穿越砂質泥巖，該試驗段內巷道圍巖最大水平主應力為26.45 MPa，最大垂直應力為19.36 MPa，兩者比值為1.45。具體力學參數見表1。

表1 原巖與相似材料力學參數
Table 1 Mechanical parameters of original rock andsimilar materials

試驗材料抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa黏聚力/MPa彈性模量/GPa砂質泥巖38.543.7306.009.53相似材料1.220.1180.190.30

參考文獻[17]，試驗選取純凈均勻的河砂、C32.5普通硅酸鹽水泥、石膏和水按照一定比例配置相似材料，相似材料容重γm=16.5 kN/m3。根據巷道斷面大小、開挖影響范圍的經驗預估以及試驗系統(tǒng)允許尺寸條件，選取幾何相似比CL=18。由砂質泥巖容重γp=28.8 kN/m3可得容重相似比Cγ=γp/γm=28.8/16.5=1.75，強度相似比CR=CγCL=18×1.75=31.5。根據相似比計算可得相似材料力學參數見表1。通過不同配比相似材料力學特性試驗，最終確定河砂∶水泥∶石膏=100∶16∶9。試驗模型初始垂直應力邊界為0.84 MPa，水平應力邊界為0.61 MPa。

該試驗段巷道工程現(xiàn)場用錨桿為φ20 mm×2 100 mm樹脂錨桿，屈服強度為375 MPa，伸長率為32.5%，破斷力為224.28 kN，模型錨桿選用φ1.22 mm的鉛絲模擬，破斷力為23.44 N;現(xiàn)場用錨索為φ21.6 mm×6 200 mm的1×7結構低松弛鋼絞線，抗拉強度為1 770 MPa，試驗選用φ1.2 mm的細鐵絲模擬。

1.3 試驗方案及模型澆筑

試驗主要考慮無支護、錨桿支護及錨桿索支護3種形式，其中，錨桿間排距為44.44 mm×44.44 mm，錨索只布置在肩部和頂板，間排距為89 mm×89 mm。

具體模型澆筑及安裝流程如圖2所示。模型制作完成后靜置48 h進行脫模，脫模后養(yǎng)護7 d，相似材料模型風干后進行吊裝作業(yè)。模型安裝完成后，對前擋板有機玻璃板觀測范圍以外區(qū)域均勻涂刷潤滑油，最后合上前擋板。為消除試驗模型前后面固定約束與擋板之間的自由空間，首先人工擰緊前擋板的8個螺母，然后通過液壓螺母行程使前后擋板夾緊試驗模型。將模型內部傳感器引出線與數據采集系統(tǒng)連接，架設并調試高速相機，準備系統(tǒng)加載和模型開挖。

試驗過程中，監(jiān)測巷道開挖后至圍巖錨固結構失穩(wěn)全過程圍巖應力場、表面變形場、聲發(fā)射、電磁輻射及視電阻率響應等多源異構信息。因此，模型澆筑過程中，在巷道頂板、左幫及左側肩角距離巷道表面120 mm位置處埋設應變磚;巷道開挖結束后在巷道底板固定聲發(fā)射傳感器;在左右底角處埋設電磁輻射接收天線;在模型試樣左上角和右下角分別布置參比電極N和無窮遠電極B。

試驗開始前，首先采用分級加載方式對模型施加荷載至原巖應力，豎向荷載每次施加26 kN，水平荷載每次施加40 kN，加載速率為120 N/s，達到初始應力邊界后穩(wěn)壓1.0～1.5 h。待模型內部測點應力趨于穩(wěn)定后開始巷道開挖并施加支護。為研究巷道圍巖錨固結構承載及變形破壞特征，采用硐室位移傳感器閉環(huán)同步控制加載，加載速率為0.02 mm/s，同一級豎向應力加載完畢后立即進行水平應力加載，水平應力按照系統(tǒng)豎向反饋的實時應力1.45倍施加，每級加載完成后穩(wěn)壓10 min，待應力調整平衡后繼續(xù)下一級加載，直至巷道和圍巖錨固結構完全失穩(wěn)破壞后結束試驗。

2 圍巖結構荷載-位移全過程演化特征

2.1 荷載-位移全過程曲線

3種支護方式下，按照設計方案加載至錨固結構失穩(wěn)破壞后，獲取其荷載-位移全過程曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，不同支護方式下巷道圍巖承載特征具有明顯差異，具體分析如下:

(1)隨著支護強度的增加，巷道圍巖錨固結構峰值強度呈逐漸增大的趨勢，這是由于支護強度越大，錨固結構所形成的承載結構越完整，整個結構作為統(tǒng)一的支撐體協(xié)調抑制圍巖的剪脹變形，巷道承載能力增強。與無支護相比，錨桿支護及錨桿索支護時峰值強度分別增加了68.81%和82.57%，彈性模量分別增加了22.22%和33.33%，峰值位移分別增加了74.23%和107.24%。

(2)與側向約束條件下標準巖石試樣的應力-應變曲線類似[18]，在加載至峰值強度的過程中，出現(xiàn)數次應力跌落，且隨著支護強度的增加，應力波動現(xiàn)象有所減弱。以無支護巷道為例，當頂部應力加載至0.62 MPa時出現(xiàn)首次應力跌落，跌幅為6.89%;當應力增加至0.80 MPa時，第2次應力跌落至0.71 MPa;當應力增加至0.88，1.04和1.08 MPa時，應力-應變曲線又呈現(xiàn)不同程度的應力跌落現(xiàn)象;最后，當達到峰值強度1.09 MPa時，應力迅速跌落，此時巷道結構發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。

(3)隨著支護強度的增加，巷道圍巖逐漸由脆性破壞向塑性破壞轉化。無支護巷道圍巖主要表現(xiàn)為脆性破壞，加載過程中應力跌落迅速，達到峰值荷載后，巷道圍巖瞬間整體垮落，峰后幾乎無承載能力;錨桿支護及錨桿索支護時，峰值強度之后，巷道圍巖仍然殘余一定的承載能力，錨固結構呈現(xiàn)以剪切滑移線網絡為主的塑性破壞。

圖2 模型試樣澆筑及安裝流程Fig.2 Casting and installation process of the model specimen

圖3 巷道圍巖全過程荷載-位移曲線Fig.3 Whole load-displacement curves of roadway surrounding rock

2.2 圍巖破裂演化特征

不同支護方式下巷道圍巖破裂演化過程分別如圖4～6所示，最終破壞模式如圖7所示。從圖4～7可以看出:

(1)無支護時，隨著頂部荷載的增加，巷道兩幫首先出現(xiàn)片幫剝落現(xiàn)象，底板出現(xiàn)近“L”型拉伸裂紋，隨著荷載的增加(σ=0.96 MPa)，巷道頂板出現(xiàn)輕微下沉，右?guī)统霈F(xiàn)大塊剝落現(xiàn)象，同時頂板萌生拉伸裂紋，左側肩部裂紋密度增多，并且出現(xiàn)貫通現(xiàn)象。當σ=1.07 MPa，巷道頂板大幅下沉，左側肩部出現(xiàn)大塊冒頂現(xiàn)象;當σ=1.10 MPa，巷道頂板冒落，圍巖整體喪失承載能力，失穩(wěn)破壞。

由圖7(a)可以看出，失穩(wěn)破壞后，巷道圍巖表現(xiàn)為多條沿加載方向發(fā)展的張拉裂紋，呈現(xiàn)脆性破壞。此外，在垂直荷載作用下，巷道兩幫剪切滑移均沿著肩部外緣切線方向發(fā)展并相交于巷道上方，形成1個近似“等腰三角形”塊體結構。

(2)錨桿支護時，當σ=0.71 MPa，圍巖頂板和底部中心位置均萌生一條沿加載方向發(fā)展的張拉裂紋。

圖4 無支護巷道圍巖破裂演化過程Fig.4 Failure evolution process of surrounding rock with no support

圖6 錨桿索支護巷道圍巖破裂演化過程Fig.6 Failure evolution process of surrounding rock with bolt-cable support

圖7 不同支護方式下巷道圍巖最終破壞形態(tài)Fig.7 Ultimate failure modes of surrounding rock with various support patterns

隨著荷載的增加，裂紋繼續(xù)發(fā)育，當σ=1.34 MPa，右?guī)蛧鷰r出現(xiàn)大面積剝落，部分錨桿托盤與圍巖分離。當σ=1.81 MPa，巷道圍巖片幫現(xiàn)象加劇，從兩底角處萌生的剪切滑移裂紋向下發(fā)育并在底板圍巖中心處搭接，巷道圍巖出現(xiàn)輕微底臌。峰值強度之后，由于錨桿的錨固作用，巷道圍巖仍然具有一定的承載能力，當應力跌落至1.62 MPa時，兩幫出現(xiàn)顯著片幫破壞，巷道圍巖整體失穩(wěn)。

由圖7(b)可以看出，由于錨桿的約束作用，圍巖頂板和幫部未出現(xiàn)顯著的剪切和拉伸裂紋，細小裂紋的萌生擴展導致圍巖片幫剝落。錨桿錨固作用使得頂板和幫部圍巖整體強度和剛度有所提高，圍巖應力傳遞至底板，造成底板圍巖產生拉伸裂紋，裂紋的擴展貫通導致底板圍巖碎脹，產生底臌。

(3)錨桿索支護時，低荷載水平下(σ<0.90 MPa)，圍巖未發(fā)生明顯的變形破壞;當σ=1.41 MPa，圍巖右側肩角處產生沿加載方向發(fā)展的拉伸裂紋;當σ=1.64 MPa，右?guī)蛧鷰r出現(xiàn)大面積剝落，同時左側肩角圍巖萌生剪切裂紋;當加載至1.87 MPa時，左側幫部圍巖發(fā)生片幫破壞，同時在兩個底角位置處產生向下發(fā)展的張拉裂紋。峰值強度之后，隨著頂底相對位移的繼續(xù)增加，應力發(fā)生跌落，當σ跌落至1.87 MPa，巷道頂板出現(xiàn)下沉，兩側肩部位置萌生眾多平行于巷道輪廓的裂紋群;當σ=1.74 MPa，頂板整體下沉，圍巖失去承載能力。

由圖7(c)可以看出，在錨桿索作用下，巷道圍巖主要發(fā)生幫部和頂板的片狀剝落，底板圍巖萌生張拉裂紋。較強的錨固作用導致圍巖整體承載能力增加，在壓力拱范圍內出現(xiàn)剪切滑移跡線并于巷道自由面貫通。破壞形態(tài)與其他學者關于應力作用下圓形巷道剪切滑移的破壞特征是高度一致的[19-20]。

3 圍巖結構破壞過程多源信息響應

3.1 錨固結構應力演化特征

不同支護方式巷道圍巖錨固結構加載全過程應力演化特征如圖8所示，可以看出:對于無支護與錨桿支護，測點徑向應力和切向應力均隨加載時間逐漸衰減，變化特征與錨固結構荷載-位移曲線呈負相關，表明錨固結構在加載過程中，圍巖由于支護強度不足處于張拉或壓剪狀態(tài)，當荷載超過其承載能力時出現(xiàn)裂紋萌生、擴展及貫通，錨固結構趨于破碎，圍巖應力也隨之迅速釋放;而對于錨桿索支護，測點應力與錨固結構荷載-位移曲線呈正相關，這是由于較大的支護強度限制圍巖受壓剪脹變形，圍巖應力隨荷載的增加逐漸增大。此外，支護強度越大，圍巖錨固結構強度越高，越容易形成“壓力拱結構效應”，有效抑制巷道圍巖的變形破壞[21]。

3.2 表面位移場特征

通過高速相機連續(xù)拍攝巷道圍巖從加載至完全破壞全過程中位移場信息，獲得試驗過程中任意時刻巷道圍巖位移矢量圖，如圖9～11所示(δ為巷道圍巖表面位移某個時刻的最大值)，可以看出:

圖8 圍巖錨固結構應力全過程演化規(guī)律Fig.8 Whole stress evolution process of surrounding rock anchoring structure

圖11 錨桿索支護巷道圍巖全過程位移場Fig.11 Whole process of displacement field of the roadway surrounding rock with bolt-cable support

(1)3種支護方式下，巷道圍巖均呈現(xiàn)頂板和肩角下沉量最大，兩幫移近量次之，底臌量最小。這是由于巷道圍巖承載結構首先由頂板承擔，當頂板圍巖下沉受拉破壞后，圍巖應力傳遞至幫部圍巖，此時兩幫圍巖為主要承載結構，幫部圍巖受壓剪切滑移破壞后，圍巖應力傳遞至底板。

(2)與無支護相比，錨桿及錨桿索支護時，巷道圍巖累計變形量有所增大，這是由于支護形成的錨固結構使巷道圍巖強度和剛度大幅提高，力的傳遞速度快且圍巖應力分布相對均勻。錨固結構破壞前與圍巖形成整體發(fā)揮協(xié)同承載作用，當圍巖發(fā)生變形后支護結構相繼發(fā)揮其支護阻力，使圍巖的抗張拉和抗壓剪能力大幅提高。

3.3 全過程電磁輻射特征

研究表明，煤巖體變形破裂過程中會產生電磁輻射信號，電磁輻射幅值、瞬時電磁輻射脈沖數和某段時間內總電磁輻射脈沖數分別與煤巖體的載荷、損傷速率和損傷呈正相關系[22-23]。基于此，試驗過程中利用電磁輻射監(jiān)測技術分析不同支護形式下巷道圍巖錨固結構失穩(wěn)破裂全過程的信號特征，如圖12所示。由圖12可以看出:

(1)無支護巷道圍巖在初始加載階段，內部孔隙、裂隙逐漸壓密，電磁輻射強度和脈沖值均較小且相對穩(wěn)定。隨著荷載的增加，裂紋萌生和擴展導致電磁輻射強度和脈沖均迅速增加，當圍巖出現(xiàn)肩部片狀剝落和底板拉伸裂紋時，電磁輻射強度和脈沖次數分別增大至24.53 mV和1 273。當σ=0.86 MPa，右?guī)蛧鷰r出現(xiàn)片幫破壞，電磁輻射強度和脈沖急劇增大，表明在這個階段能量迅速釋放，裂紋迅速擴展。隨后，電磁輻射強度和脈沖又逐漸下降并趨于平緩。當σ=1.01 MPa，電磁輻射強度和脈沖又呈快速上升趨勢，這是由圍巖出現(xiàn)頂板整體下沉和較為嚴重的片幫破壞導致的。

(2)與無支護類似，加載初期，錨桿支護巷道圍巖電磁輻射強度和脈沖均處于穩(wěn)定階段。然而，在彈性變形階段，隨著荷載的增加，電磁輻射強度和脈沖均呈緩慢增加趨勢，分析原因可能是因為錨桿與圍巖接觸面在加載過程中出現(xiàn)裂紋擴展，由此，錨桿支護初期對圍巖并未起到加強作用，反而對完整巖體造成損傷。當σ=1.32 MPa，巷道右側幫部出現(xiàn)片狀剝落和底臌現(xiàn)象，電磁輻射強度達到最大，此后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。在即將達到峰值強度時，電磁輻射強度和脈沖呈現(xiàn)較大波動，表明該階段巷道圍巖單位時間內破壞次數增加。

圖12 巷道圍巖破壞全過程電磁輻射特征Fig.12 Electromagnetic radiation characteristics in the whole roadway failure process

(3)錨桿索支護初期，電磁輻射較為穩(wěn)定，在14.5 mV左右。當σ=0.93 MPa，電磁輻射強度與脈沖均大幅增加，該時刻對應巷道頂板出現(xiàn)片狀剝落，能量釋放導致頂板圍巖破壞程度和破壞頻次顯著增大，此后電磁輻射強度出現(xiàn)緩慢下降過程，并維持在較小的波動水平。當頂板荷載增加至峰值強度時，電磁輻射強度呈現(xiàn)急劇增大趨勢，且峰后特征較為明顯。

3.4 聲發(fā)射特征

不同支護方式下巷道圍巖全過程聲發(fā)射特征如圖13所示。由圖13可以看出，初始壓密階段，聲發(fā)射現(xiàn)象并不明顯，累積振鈴計數呈緩慢上升趨勢。隨著荷載的增加，聲發(fā)射事件呈零星增大現(xiàn)象，這是由巷道圍巖錨固結構內部裂紋萌生及擴展造成的。在彈性變形階段沒有發(fā)生較大的聲發(fā)射事件，表明該階段巷道圍巖錨固結構并未發(fā)生顯著的破裂過程，沒有明顯的能量釋放。在峰值強度前試樣進入非穩(wěn)定破壞階段，圍巖錨固體內部裂紋擴展迅速，聲發(fā)射活動變得異常活躍，在應力跌落時，圍巖錨固體釋放大量能量，聲發(fā)射次數顯著增加，累計聲發(fā)射曲線陡然垂直上升。對于無支護，在巷道圍巖整體破壞的瞬間累計聲發(fā)射計數達到最大值，表明無支護巷道圍巖具有較大的脆性，圍巖整體破壞的瞬間釋放大量彈性能;而錨桿/錨桿索支護時巷道圍巖錨固結構因較大的塑性而呈現(xiàn)漸進破壞特征，在圍巖錨固結構破壞過程中能量逐漸釋放。

圖13 巷道圍巖破壞全過程聲發(fā)射特征Fig.13 Acoustic emission characteristics in the whole roadway failure process

3.5 視電阻率響應

直流電法作為物探的一種手段，被廣泛應用于煤礦等地下探水、地質構造等探測預報中[24]，而在地質力學模型中對巷道圍巖錨固結構破壞監(jiān)測的應用研究成果較少。因此，筆者基于直流電法的基本原理，將并行電法應用到模型試驗中，通過布置監(jiān)測點，分析不同支護巷道圍巖錨固結構破壞過程的視電阻率響應，嘗試監(jiān)測巷道圍巖內部裂隙擴展貫通及破裂演化過程，為深部地下工程圍巖穩(wěn)定監(jiān)測技術提供一個新思路。

試驗采集數據采用WBD2.0網絡并行電法數據處理系統(tǒng)進行處理并錄入測線坐標，得到巷道圍巖破壞全過程視電阻率剖面，選取視電阻率變化明顯的剖面進行分析(圖14～16)。

圖14 無支護巷道圍巖剖面視電阻率分布Fig.14 Apparent resistivity distribution in the cross-section of roadway surrounding rock without support

圖15 錨桿支護巷道圍巖剖面視電阻率分布Fig.15 Apparent resistivity distribution in the cross-section of roadway surrounding rock with anchor bolt support

圖16 錨桿索支護巷道圍巖剖面視電阻率分布Fig.16 Apparent resistivity distribution in the cross-section of roadway surrounding rock with anchor bolt cable support

由圖14可以看出，無支護時，在加載初期，巷道圍巖四周應力不斷調整，遠離巷道洞壁區(qū)域應力集中導致模型相似材料經壓實后視電阻率降低成為低阻區(qū)，而巷道周圍圍巖由于開挖卸荷裂隙發(fā)育導致視電阻率升高成為高阻區(qū)。當t=2 400 s，巷道周圍及左右肩部高阻區(qū)范圍有所擴大，表明這些區(qū)域出現(xiàn)大量裂隙擴展貫通。遠離巷道區(qū)域圍巖由于應力繼續(xù)集中，視電阻率降低。當t=7 600 s，巷道周圍圍巖裂隙密度和開度大幅增加，導電能力顯著降低，視電阻率升高。隨著頂板應力的繼續(xù)增加，巷道圍巖進一步破裂演化，裂隙持續(xù)擴展貫通導致松散破裂圍巖持續(xù)發(fā)育，高阻區(qū)范圍擴大;加載至完全破壞時，巷道右肩斜向上區(qū)域和頂板上覆巖層出現(xiàn)沿加載方向的高阻區(qū)，表明有開度較大的裂隙貫穿巷道頂板圍巖，這與試驗模型實際破壞形態(tài)基本吻合。

由圖15可以看出，錨桿支護時，在加載初期，由于錨固結構內預埋鉛絲錨桿，導電效果較好，導致該區(qū)域為低阻區(qū)。當t=1 800 s，錨固結構底板和錨固區(qū)域外圍巖內部大量裂隙萌生，導致該區(qū)域導電能力降低，視電阻率增大;隨著荷載的增加，錨固區(qū)域內部裂隙萌生發(fā)育，區(qū)域視電阻率持續(xù)升高，當t=7 070 s，錨固區(qū)域內低阻現(xiàn)象基本消失，表明大量裂隙擴展貫通導致圍巖松散破裂，導電能力嚴重劣化，同時錨固區(qū)外高阻區(qū)范圍也持續(xù)增加;當t=8 990 s，巷道錨固結構頂板大量裂隙貫通，同時底角位置處剪切滑移，頂板和幫部圍巖出現(xiàn)嚴重冒落破壞，高阻區(qū)范圍進一步擴大。

由圖16可以看出，錨桿索支護時，在加載初期，錨固區(qū)域內視電阻率與錨桿支護相比更小，而低阻區(qū)范圍更大。當t=8 030 s，錨固區(qū)范圍內視電阻率明顯增大，表明錨固結構內部已萌生大量裂隙，并且裂隙出現(xiàn)貫通現(xiàn)象，同時錨固范圍外部區(qū)域的兩側肩部和底板出現(xiàn)高阻區(qū)，表明這些區(qū)域也出現(xiàn)損傷破裂;當t=11 513 s，錨固范圍內的低阻現(xiàn)象基本消失，錨固結構內部嚴重破壞，裂隙結構較為發(fā)育，同時錨固結構底角位置發(fā)生開裂成為高阻區(qū);當加載至結構完全失穩(wěn)時，巷道底角處的拉伸裂紋密度和開度明顯增多增大，同時巷道肩角處出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，這些區(qū)域發(fā)育為高阻區(qū)，視電阻率響應特征與模型破壞形態(tài)是基本一致的。

4 結 論

(1)自主研發(fā)了模擬深部巷道圍巖結構整體失穩(wěn)全過程試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)采用位移傳感器閉環(huán)控制加載，速率為0.02 mm/s，配備了數字照相、地電、聲發(fā)射和電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)，以獲得圍巖結構從承載至變形破壞全過程荷載-位移曲線及多源信息響應特征。以口孜東礦-967 m水平西翼軌道大巷為背景，開展了不同支護方式巷道圍巖錨固結構承載特性及變形破裂特征試驗研究。

(2)隨著支護強度的增加，巷道圍巖錨固結構峰值強度及抵抗變形能力均有所增大，圍巖越容易形成穩(wěn)定的“壓力拱”結構，荷載作用下，頂板及肩部圍巖的變形響應最為敏感，兩幫次之。圍巖錨固結構隨支護強度的增加逐漸由脆性破壞向塑性破壞轉化，無支護巷道圍巖以張拉破壞為主，錨桿及錨桿索支護下，錨固結構抗拉強度得到大幅度提高，呈現(xiàn)壓剪滑移破壞。

(3)支護強度越大，巷道圍巖錨固結構內部單位時間破壞次數越少，電磁輻射強度及脈沖數均逐漸減弱。聲發(fā)射特征與荷載-位移曲線具有良好的對應關系，在峰前非穩(wěn)定破壞階段，隨著錨固結構內部裂紋萌生擴展，聲發(fā)射活動異常活躍。隨著支護強度的增加，錨固結構高阻區(qū)的形成時間變大而范圍變小，電阻率分布形態(tài)與試驗結果較為吻合。