煤礦巷道圍巖卸荷變形及破壞規(guī)律試驗研究

麻曉東

（山西焦煤霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦，山西 呂梁 033000）

煤礦的巷道對于煤炭的開采、運輸起到了關鍵性的作用[1-2]。巷道的建成集運輸、排水、通風、通行等于一體，在實際工程中巷道在挖掘過程中存在的安全問題也引起了關注[3]。近年來，由于巷道圍巖處滲水或變形引起的承載能力降低從而導致的巷道垮塌等工程事故屢見不鮮，最大的原因在于對于目前巷道在卸荷變形下的破壞規(guī)律、應力特征與巖體破壞機制的研究不夠深入，相關研究理論不能應用于巷道圍巖支護[4]。由于不同的巖體對應的施工方式不同，相對應的開挖卸荷路徑也不相同，由于缺乏相關的統(tǒng)一規(guī)定，目前對于不同施工方式下的開挖卸荷難以有效判斷其路徑[5]。在此條件下之下隨著施工的進行，巖體所承受的地應力逐漸增大，巷道的維護也愈發(fā)困難。因此，深入了解巷道圍巖卸荷變形與其破壞規(guī)律迫在眉睫。雖然學者們對于巖體的卸荷變形及內在應力分布進行了大量研究論證，但相關研究能否直接應用于工程實際仍需要一定的考究。

本文以山西省方山縣店坪煤礦巷道圍巖為研究對象，采用三維有限元差分模擬軟件FLAC3D對巷道圍巖在卸荷條件下的變形及破壞規(guī)律進行研究分析，與已有的室內試驗結果相對比，為巷道圍巖的安全支護提供一定的理論參考依據(jù)。

1 概況

方山縣店坪煤礦3 煤層平均煤厚度16.4 m，夾矸為砂質泥巖，煤層總體由西南至東北方向埋深逐漸增大，傾角5°。

2 研究方法

2.1 模型建立

利用三維有限元差分模擬軟件FLAC3D，以制作室內小型圍巖試件為標準，按照1:1 的比例擬定模型的長度為260 mm，外徑擬定為200 mm。由于試驗需要控制不同內徑進行研究，因此將內徑分別設置為100 mm、150 mm、200 mm。為了控制與室內試驗環(huán)境相一致，計算模型中力的施加情況保持與室內試驗力的施加量相同，具體設置：在計算模型的左右側施加壓應力，并在其表面施加圍壓；在其內表面施加圍壓；且模型未設置其他邊界約束條件。所繪制的巷道圍巖試件如圖1。

圖1 巷道圍巖試件計算模型網格劃分

2.2 本構模型及其材料參數(shù)確定

針對煤礦井田的巷道圍巖，其主要組成類型為巖石，由于巖石的破壞與巖石的類型以及環(huán)境相關性較高，表現(xiàn)為結構完整的巖體在環(huán)境應力較低時呈現(xiàn)出脆性的張破裂，而在環(huán)境應力較高時表現(xiàn)為柔性的剪切破壞或流動變形。因此本文采用的莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）強度準則為本次模擬研究的本構模型，由于巖石的破壞條件與土力學中的相似，本文為了將計算式簡化，將莫爾應力圓包絡線簡化為直線的形式，采用庫倫方程組可以表示為：

式中：τf為巖石的抗剪強度；c為巖體的凝聚力；σ為巖石剪切面上的法向應力；φ為巖體的內摩擦角。

通過圖2 可以得知：

圖2 莫爾-庫倫強度破壞條件

式中：σ1為最大主應力；σ3為最小主應力。

其中巖石剪切面上的法向應力由最大和最小主應力可表示為：

通過聯(lián)立式（1）、（2）、（3）可得到莫爾庫倫強度破壞條件為：

室內試驗過程及結果采用文獻[5]中的天然砂試驗標準以及三軸壓縮試驗結果。為了保證模擬結果與室內試驗結果的一致性，其關鍵參數(shù)取值均與[5]中的參數(shù)相同。具體的力學參數(shù)取值見表1。

表1 計算模型的力學參數(shù)取值

3 結果分析

3.1 不同卸荷內徑破壞規(guī)律分析

在模型計算過程中，首先對模型施加三個不同方向的地應力，且地應力大小均為15 MPa。隨后待地應力平衡后將地應力產生的模型位移進行歸零處理。待歸零處理之后，采用緩慢卸荷和瞬態(tài)卸荷兩種方式將模擬時間的壓力卸載至0，且在試件中設置記錄點與室內試驗中試件設置應變片的位置相同，用以達到同室內試驗相同的過程。最終在整個模擬試驗過程中記錄下不同內徑的試件在模擬過程中的位移變化量，繪制了如圖3 所示的緩慢卸荷時不同內徑圍巖的切向應變試驗值與模擬值對比圖。

圖3 緩慢卸荷時不同內徑圍巖的切向應變試驗值與模擬值對比圖

從圖3 可以看出，在與室內試驗設置相同位置的測點下，對比不同開挖內徑，試驗值與模擬值二者的應變均隨著開挖內徑的增大而增大。但綜合試驗數(shù)值與模擬數(shù)值可以看出，試驗數(shù)值在不同內徑上的切向應變值均大于相同條件下的模擬結果，其原因可能在于在試驗過程中，存在一定的外在干擾因素，導致結果稍大于模擬條件下的理想結果。

考慮到巖石存在類似于土體的回彈特征，為了對應緩慢卸荷時不同內徑圍巖的位移變化特性，本文還設置了瞬態(tài)卸荷時不同內徑圍巖的位移變化特性。除卸荷時長外，其試驗方法同緩慢卸荷的試驗方法，并在整個模擬試驗過程中記錄下不同內徑的試件在模擬過程中的位移變化量，繪制了如圖4 所示的瞬態(tài)卸荷時不同內徑圍巖的切向應變試驗值與模擬值對比圖。

圖4 瞬態(tài)卸荷時不同內徑圍巖的切向應變試驗值與模擬值對比圖

從圖4 可以看出，在與室內試驗設置相同位置的測點下，在室內試驗過程中內徑為100 mm 在瞬態(tài)卸荷的條件下會產生一定程度的回彈從而使試件保持穩(wěn)定狀態(tài)，但125 mm 與150 mm 試件在瞬態(tài)卸荷條件下無回彈產生，且隨著卸荷的完成切向應變也保持不變；在模擬試驗過程中內徑100 mm 與內徑125 mm 的試件在瞬態(tài)卸荷的條件下同樣伴隨略微的回彈，且在卸荷結束后應變保持不變，但150 mm 的試件在卸荷開始的瞬間應變便急劇增大直至試件破壞。其原因可能在于相較于室內試驗，模擬試驗過程中試驗條件較為理想，未考慮其他外界影響因素，因此試件會產生破壞

3.2 不同圍壓下的圍巖破壞規(guī)律分析

煤礦巷道圍巖在實際開挖之前，巖體處于三向應力平衡的狀態(tài)，巷道圍巖內部存在一定的彈性應變能。隨著巷道施工開挖，沿著開挖方向上的應力會逐漸減小并伴隨發(fā)生徑向位移。因此環(huán)繞應力即圍壓越大，其彈性應變能越大，卸荷時的徑向位移也越大，考慮巷道圍巖的卸荷變形與其破壞規(guī)律必須考慮到圍壓作用的影響，本文與室內試驗相同，設置了三組分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa的圍壓，控制內徑為100 mm 的試件進行模擬試驗，通過記錄整個模擬試驗過程中的位移量，如圖5。

圖5 不同初始圍壓下的圍巖的切向應變試驗值與模擬值對比圖

從圖5 可知，在與室內試驗設置相同位置的測點下，隨著卸荷比增加，室內試驗與模擬試驗均表現(xiàn)出切向應變增大的趨勢，二者表現(xiàn)出相同的規(guī)律。但對比室內試驗結果，數(shù)值模擬結果在不同圍壓下均比試驗值小約2～3 倍，其可能原因在于，模擬試驗過程中試驗條件較為理想，未考慮其他外界影響因素。

4 結論

本文采用三維有限元差分模擬軟件FLAC3D對方山縣店坪煤礦巷道圍巖在卸荷條件下的變形及破壞規(guī)律進行研究，得出了如下結論：

1）在緩慢卸荷的條件下，圍巖應變均隨著開挖內徑的增大而增大，且相較于瞬態(tài)卸荷條件，150 mm 內徑的試件會發(fā)生破壞，而瞬態(tài)卸荷條件下150 mm 內徑試件未產生破壞。

2）隨著初始圍壓的增大，圍巖卸荷變形會逐漸增大，因此在實際工程中為了防止圍巖受到變形破壞，所需的支護力也應隨之增大。