錨桿支護巷道圍巖變形破壞相似材料模擬試驗研究

錨桿支護巷道圍巖變形破壞相似材料模擬試驗研究

結構應力是由地盾運動在巖體中引起的應力，其主要特點是平面應力，具有明顯的地域性和方向。這是影響道路圍巖穩(wěn)定性的重要因素之一。長期以來，人們只關注重量對道路圍巖穩(wěn)定性的影響，而構造效應對道路破壞的機理尚不清楚。隨著采礦深度的增加，尤其是斷層、傾斜等地質結構的附近，水平應力對道路圍巖的破壞起著重要作用。道路底板的原因也與高海拔現(xiàn)象密切相關。國內外學者對水平應力對道路圍巖穩(wěn)定性的影響進行了相應的研究。結果表明，道路底板和土壤破壞的主要原因不是垂直應力，而是水平應力。澳大利亞科學家w.j.gare提出了拱護林員的最大水平應力理論，并解釋了不同方向上道路開挖和最大主要重力方向之間的差異。隨著礦井開采深度的增加,巷道圍巖壓力逐漸增加,尤其是地質構造影響區(qū)域,不僅表現(xiàn)在垂直應力的增加上,更主要表現(xiàn)在水平應力的增加上.由于對于高水平應力作用巷道的破壞機理和支護措施研究不夠充分,已造成大量礦井的工程失敗和經(jīng)濟損失.筆者利用物理模擬試驗研究不同水平應力作用下巷道的圍巖破壞特征,以期為高水平應力作用下的巷道圍巖控制提供參考.1在不同的水平應力的作用下，道路圍巖的破壞特征進行了相似材料的模擬試驗1.1數(shù)值模型及支護參數(shù)試驗以焦作煤業(yè)集團趙固一礦開拓巷道掘進為工程背景,主要目的是通過相似模擬試驗研究不同水平應力作用下錨桿支護巷道以及無支護條件下巷道圍巖的變形破壞特征,為巷道圍巖控制提供依據(jù).模擬試驗采用河南理工大學研制的YDM-E型采礦工程物理模型試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由強剛性加載框架、加載系統(tǒng)、平面變形控制系統(tǒng)、雙向旋轉系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、油壓控制系統(tǒng)、模型平面墊板及減摩系統(tǒng)以及巷道開挖控制系統(tǒng)等組成(圖1).該系統(tǒng)模型塊體尺寸為160cm×160cm×40cm.模型邊界實施兩向三面主動加載,可加單向荷載、雙向荷載和階梯型荷載.模型邊界最大荷載集度為5MPa,荷載集度偏差小于1%.模型塊體內應變場均壓范圍可達130cm×130cm,應變場均勻度相對偏差小于5%.巷道原型為沿煤掘進的開拓巷道,斷面大小為5m×4m.試驗考慮4種巷道支護參數(shù),第1種是不進行支護,第2~4種巷道支護參數(shù)是在頂板和巷道兩幫分別進行間排距為0.6,0.8,1.0m的錨桿支護.根據(jù)實驗目的、模型架大小以及巷道開掘后影響范圍,模擬煤層厚度原型為4.0m,頂、底板巖層均為砂質泥巖,厚度為18m.模型試驗采用幾何相似比為1∶50,容重相似比1∶1.8,則應力相似比為1∶90.頂、底板巖層模擬采用砂、石膏和碳酸鈣(配比號:455)制作,其單軸壓縮強度為0.318MPa,模擬的巖層強度為28.62MPa;煤層模擬采用砂、石膏和碳酸鈣(配比號:937)并添加一定比例的粉煤灰配比而成,強度為0.0746MPa,模擬的煤層強度6.72MPa.試驗用長40mm、直徑1.33mm、拉斷力為111N的鋁絲模擬錨桿,錨桿的間排距分別為12,16和20mm.打入錨桿之前在鉆孔中注入HY-914膠(環(huán)氧樹脂)以粘結錨桿,加長錨固,托盤用5mm×5mm×1mm硬紙板.1.2模擬支護加載根據(jù)現(xiàn)場實際情況,趙固一礦開拓巷道埋深600m左右,鉛垂應力為16.2MPa.取側壓系數(shù)λ為1.0,1.5,2.0,2.5,3.0.根據(jù)相似比,確定頂部及兩幫加壓大小.加載步驟:(1)模擬壓力環(huán)境.堆砌模型,風干4~5d后垂直載荷緩慢加載到位;(2)開挖巷道.將4條巷道一次逐步開挖完畢,并安裝設計的模擬支護材料,穩(wěn)壓1~2d;(3)階梯加載.根據(jù)設計的水平應力與鉛垂應力的比值,按照1.0,1.5,2.0,2.5,3.0的側壓系數(shù)依次加載水平應力.在每一個應力水平加載結束之后,穩(wěn)壓1.5h,記錄巷道表面及其圍巖的變形情況,測試巷道周邊的應力分布.1.3巷道周邊支護情況對比通過試驗得到了一定垂直壓力和不同水平壓力情況下巷道的破壞情況和巷道周邊應力和位移變化規(guī)律,以無支護和錨桿間排距20mm支護2種情況進行對比分析.1.3.1巷道圍巖變形特征分析當側壓系數(shù)為1.0時,無支護巷道圍巖變形如圖2所示.無支護時,巷道局部出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象,而支護巷道則沒有明顯的變形.當側壓系數(shù)為1.5時,無支護時巷道頂、底板出現(xiàn)明顯的松動變形,頂板逐步產(chǎn)生離層掉落,最終形成楔形變形,頂板冒落的最大高度為22mm,底板出現(xiàn)松動的最大高度為29mm,而巷道兩幫則沒有明顯變形;錨桿間排距20mm支護時,頂板呈現(xiàn)整體破壞,破壞的高度為16mm,占頂板錨固范圍的40%,兩幫的變形仍不明顯,如圖3(a)所示.當側壓系數(shù)為2.0,巷道無支護時,巷道頂、底板變形嚴重,頂板出現(xiàn)尖頂狀冒落,最大冒落高度為37mm,底板可見明顯的隆起,底板松動的最深處為50mm,其外輪廓線為一反拱形;錨桿間排距20mm支護時,巷道頂、底板出現(xiàn)明顯的松動變形,頂板產(chǎn)生逐步離層冒落,最大冒落高度為27mm,底板產(chǎn)生擠壓式錯動,其外輪廓線為反拱形,其最大深度為35mm,如圖3(b)所示.當側壓系數(shù)為2.5,巷道無支護時,巷道頂、底板變形嚴重,頂板尖頂狀冒落范圍進一步擴大,其最大高度位于頂板以上50mm,其底板巖層出現(xiàn)褶皺狀滑移變形,外輪廓線反拱形的范圍進一步擴大,其最深處為65mm,兩幫也出現(xiàn)不同程度的片幫,但與頂、底板比較來看,兩幫變形范圍較小.錨桿間排距20mm支護時,巷道頂板冒落為近似拱形,拱的最大高度為35mm,底板出現(xiàn)褶皺狀鼓起,滑移明顯;但外輪廓線仍為拱形,拱的最大深度為50mm.由于頂板的變形帶來兩幫的片幫嚴重,最大片幫深度為25mm,如圖3(c)所示.當側壓系數(shù)為3.0時,巷道出現(xiàn)不同程度的破壞,無支護時巷道頂、底板變形嚴重,頂板尖頂狀冒落范圍進一步擴大,其最大冒落高度為76mm,底板最大松動深度為80mm.錨桿間排距20mm支護時,巷道頂板錨固區(qū)全部垮落,之上出現(xiàn)楔形冒落.最大冒落高度為45mm,巷道底板巖層出現(xiàn)非常嚴重的鼓起,出現(xiàn)明顯的剪切滑移破壞,如圖3(d)所示.從以上變形破環(huán)特征可以看出:(1)隨著側壓系數(shù)加大,水平應力提高,巷道無支護情況下頂板呈現(xiàn)楔形冒落,冒落高度逐步增加;底板出現(xiàn)剪切滑移破壞,破壞的外輪廓線呈反拱形,松動范圍逐步擴展.(2)隨著側壓系數(shù)加大,水平應力提高,錨桿支護巷道頂板呈現(xiàn)層狀整體垮落,到水平應力加大到一定程度后,錨固體全部垮落,之后,隨著水平應力的增加,錨固區(qū)外亦呈現(xiàn)楔形冒落;底板的破壞形態(tài)與無支護時巷道底板破壞形態(tài)相同.(3)隨著側壓系數(shù)加大,在水平應力作用下,兩幫的破壞程度小于頂?shù)装宓钠茐?1.3.2巷道圍巖位移隨側壓系數(shù)的變化特征模型試驗對巷道周邊以及不同深度的圍巖表面位移進行了觀測,由于巷道頂板冒落、底板鼓起以及巷道兩幫的變形,巷道表面位移的觀測不連續(xù).試驗給出了巷道周圍不同深度隨著水平應力增加巷道圍巖的位移變化.圖4為頂板和一幫測線上位移隨著側壓系數(shù)變化的情況.綜合觀測結果:(1)在頂壓和側壓相同時,巷道頂板、兩幫位移相差不大,巷道穩(wěn)定;隨著側壓系數(shù)的增加,頂、底板位移明顯增加,而兩幫位移較小,說明頂、底板的破壞范圍大于兩幫.所以在高水平應力作用下頂、底板的控制是重點.(2)無支護情況下,頂、底板位移相差不大.有支護時,巷道底板位移比頂板大.(3)對無支護巷道,在巷道圍巖30cm深處,位移變化不明顯.巷道圍巖位移隨著距巷道表面距離的增加衰減很快.隨著水平應力逐步增加,巷道周邊圍巖的移動范圍增加緩慢;對支護巷道,在巷道圍巖15cm深處位移不明顯.1.3.3加大承壓壓高度圖5為錨桿間排距20mm支護時,巷道兩幫隨著側壓系數(shù)加大,支承壓力的變化規(guī)律.從觀測結果可以看出,隨著側壓系數(shù)的增加,支承壓力峰值由λ=1.0時的0.22MPa逐漸減小到λ=3.0時的0.20MPa;距巷道表面距離逐漸增加,由9.40cm增加到39.54cm;當側壓系數(shù)低于2.0時,在0.2~0.3m范圍內趨近原始應力,峰值作用范圍距巷道周邊9.40~18.24cm處.當λ>2.0時,由于相鄰巷道支承壓力的疊加,支承壓力開始增加.2水平應力下錨固體力學改變(1)無支護矩形巷道在圍巖應力作用下,隨著水平應力的逐步加大,巷道頂板呈現(xiàn)楔形冒落,且冒落的范圍逐漸增加.(2)隨著巷道水平應力的