最大地应力方向对硐室受力和破坏影响的模型试验研究_詹可亮.pdf

Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 随着煤炭开采由浅层向深层加速发展，硐室受 力和变形特征呈现出明显的变化[1-14]。针对这些变 化， 王成,汪良海等[15]推导出基于 Bingham 流变模型 的围岩塑性区和弹性区流变方程， 得出不同时刻围 岩内部流变半径和应力并分析地应力、支护强度等 对硐室的影响； 周小平， 钱七虎等[16]从工程实例着 手，对高地应力硐室围岩分区破裂化的机理进行了 深入的研究，由断裂力学推导得出了破裂区的残余 强度； 李术才等[17]针对深部巷道围岩内分区破裂现 象采用矿井钻孔电视成像仪进行检测，通过分析巷 道所在岩层、 地质资料及钻孔内裂隙的形状， 得出裂 隙是由巷道开挖所产生的。但是目前对于最大地应 力方向与硐室轴线夹角不同所引起的硐室围岩受力 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.012 最大地应力方向对硐室受力和破坏影响的 模型试验研究 詹可亮 1， 薛俊华1， 庞建勇2， 黄金坤2， 刘光程2 （1.西安科技大学 安全科学与工程学院， 陕西 西安 710054； 2.安徽理工大学 土木建筑学院， 安徽 淮南 232001） 摘要 深部巷道围岩变形控制是深部岩土的重点课题之一， 针对最大地应力方向对硐室受力 和破坏形态的影响， 采用深部巷道围岩破坏机理模拟试验系统进行模型试验研究。模型试验硐 室采用直墙拱顶形硐室， 利用应变片记录硐室围岩应变值， 分别进行了最大荷载与硐室轴线成 90、 60、 0 （平行） 的 3 组试验。模型试验的研究表明 最大荷载与硐室轴线呈 60和 90时， 仅硐 室侧墙部位发生破裂， 拱顶和底板下部产生的径向应变为受压状态， 对硐室的破坏形态影响不 明显； 0 （平行） 时， 硐室拱顶、 底板及侧墙部位均发生破裂， 拱顶和底板下部产生的径向应变为 受拉状态， 对硐室的破坏形态影响较显著； 深部巷道围岩破坏机理模拟试验能够较好的模拟深 部巷道围岩破坏机制。 关键词 最大地应力； 硐室； 径向拉应变； 受力变形； 模拟试验 中图分类号 TD322文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0051-03 Model Test Study on Influence of Maximum Geo-stress Direction on Force and Damage of Chamber ZHAN Keliang1, XUE Junhua1, PANG Jianyong2, HUANG Jinkun2, LIU Guangcheng2 （1.College of Safety Science and Engineering, Xi an University of Science and Technology, Xi an 710054, China； 2.School of Civil Engineering and Architecture, Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001, China） Abstract Deation control of surrounding rock in deep roadway is one of the key topics in deep geotechnical soil. In this paper, the influence of the maximum geo-stress direction on the force and failure modes of the chamber is adopted. The model test of the surrounding rock failure mechanism simulation test system of the deep roadway is carried out. In the model test chamber, the straight wall arch chamber was used, and the strain values of the surrounding rock of the chamber were recorded by the strain gauges. The three groups of experiments were carried out with the maximum load and the axis of the chamber at 90, 60 and 0（parallel） . The study of this model test shows that at 60 and 90, only the side wall of the chamber is ruptured, and the radial strain generated in the vault and the bottom of the floor is under pressure, which has no obvious effect on the failure mode of the chamber； at 0（parallel） , the arch, the bottom plate and the side wall of the chamber are all broken. The radial strain generated in the vault and the bottom of the floor is the tension state, which has a significant effect on the failure mode of the chamber. Simulation test of surrounding rock failure mechanism of deep roadway can better simulate the surrounding rock failure mechanism of deep roadway. Key words maximum ground stress； chamber； radial tensile strain； deation by force； simulation test 基金项目 安徽省高校自然科学基金重大资助项目 （KJ2015ZD20） ； 淮南市科技计划资助项目 （2017A055） 51 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 及变形特征并未深入研究。 为了更加深入的研究这种 夹角的不同而引起深部硐室围岩的变化，使用模型 试验的方法，采用深部巷道围岩破坏机理模型试验 系统进行试验，能够较好的模拟深部巷道围岩破坏 机制， 为深部巷道支护及加固设计提供重要参考。 1试验概况 本模型试验在淮南矿业集团有限责任公司煤矿 瓦斯治理国家工程研究中心提供的“深部巷道围岩 破坏机理模拟试验系统”上进行，模拟试验装置如 图 1。 根据模型试验的工作量、 周期以及测试技术等 的要求，选取长宽厚1 000 mm1 000 mm400 mm 的模型体。 本次模型试验不针对特定的地下工程，原型选 取常用的直墙拱顶型巷道， 侧墙高度为 1.5 m， 拱高 为 1.5 m； 原型岩体类型选为Ⅱ类岩体； 根据模型试 验机的内部结构及试验模型体的大小，采用几何相 似系数为 1∶15，应力相似系数为 1∶20。原型巷道及 模型巷道横截面尺寸如图 2。 采用低标号的水泥砂浆， 并分层夯实成型。 原岩 Ⅱ、预计选用的模拟材料及选定的模拟材料的力学 参数见表 1。 本次试验分为 3 部分，最大荷载与硐室轴线成 90试验、 60试验及 0 （平行） 试验。 为了获得巷道周 围完整应变场， 分别在拱顶正上方、 底板正下方、 左 侧墙中部的正左方布置应变片。应变测点布置简图 如图 3。 2最大荷载方向对硐室受力和破坏形态模型试验 模型体采用分层夯实方法成型， 共制作 3 块， 自 然养护 15 d 后， 在深部巷道围岩破坏机理模拟试验 系统上对其进行加载试验。试验最大荷载为模型材 料单轴抗压强度的 2.17 倍， 侧压系数为 1/3， 并记录 围岩周边各应变片的数值。试验完成后，对模型硐 室进行横向解剖， 观察围岩破坏形态 （图 4） 。 2.1模型体施加荷载硐室围岩变形特征及分析 根据图 4 可知，当最大荷载方向与硐室轴线夹 角为 60和 90时， 拱顶及底板没有破坏， 破坏发生 在侧墙部位呈抛物线状， 发展段较低； 在侧墙底部破 裂较密集， 侧墙中部破裂较分散。 当最大荷载方向与 硐室轴线夹角为 0 （平行） 时， 硐室拱顶、 底板及侧 墙部位均发生破坏，破裂主要发生在硐壁周围并围 绕着硐室呈现包裹状， 距离硐壁较远处， 裂缝分散。 对 图 1深部巷道围岩破坏机理模拟试验系统 图 2原型巷道及模型巷道横截面尺寸 表 1原型岩体及模型材料力学参数 围岩类别 抗压 强度 Rc/MPa 抗拉 强度 Rt/MPa 黏聚 力 C/MPa 内摩 擦角 φ/ （ ） 变形 模量 Em/GPa 泊松 比 μ 密度 ρ/ （kg m-3） 原岩Ⅱ 预计的模拟材料 选定的模拟材料 40.00 2.00 2.28 2.70 0.14 0.30 2.0 0.1 0.8 50 50 54 20.00 1.00 0.63 0.25 0.25 0.25 2 400 1 800 1 800 图 3应变测点布置简图 图 4模型体围岩横截面破坏形态 52 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 比可知， 最大荷载方向与硐室轴线夹角较大时， 最大 荷载对硐室围岩破裂的影响不明显；而夹角过小 时， 最大荷载对硐室围岩破裂的影响较显著。 2.2模型体施加荷载硐室围岩受力特征及分析 根据图 4 可知， 侧墙部位均产生了破裂， 而拱顶 和底板部位的破裂只发生在最大荷载方向与硐室轴 线夹角为 0 （平行） 时， 针对这种差异性， 进行硐室 受力形态的研究。采用 Origin 软件对布置在模型体 中的应变片数值进行处理得到的结果如图 5。 图 5 中 D 为硐室的跨度， r 为测量点到硐壁的 图 5拱顶及底板下部径向应变值变化 距离； 纵轴值表示径向应变 εr， 监测值为正时受拉， 监测值为负时受压。由图 5 可知当最大荷载方向 与硐室轴线夹角为 60和 90时，拱顶和底板下部均 为受压状态， 硐室没有破坏， 随着 r/D 的增大， 逐渐下 降， 并基本趋于稳定； 当最大荷载方向与硐室轴线夹角 为 0 （平行 ） 时， 拱顶和底板下部均为受拉状态， 硐室 破坏，随着 r/D 的增大， εr逐渐下降，并基本趋于稳 定。 对比可知， 最大荷载方向与硐室夹角较大时， 产生 的压应力对硐室围岩破裂影响不明显，而夹角过小 时， 产生的拉应力对硐室围岩破裂影响较显著。 3结论 1） 最大荷载方向与硐室轴线夹角为 60和 90 时，仅硐室侧墙部位发生破裂，对硐室的破坏形态 影响不明显；最大荷载方向与硐室轴线夹角为 0 （平行） 时， 硐室拱顶、 底板及侧墙部位均发生破裂， 对硐室的破坏形态影响较显著。 2 ） 硐室的破裂仅发生在侧墙部位时， 拱顶和底 板下部产生的径向应变为受压状态；拱顶、侧墙及 底板下部均发生破裂时，拱顶和底板下部产生的径 向应变为受拉状态；并随着监测点至硐壁的距离增 大， 径向拉应变及压应变趋于稳定。 参考文献 ［1］ 何满潮， 谢和平， 彭苏萍， 等．深部开采岩体力学研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2005， 24 （16） 2803－2813． ［2］ 刘泉声， 肖虎， 卢兴利， 等．高地应力破碎软岩巷道底 臌特性及综合控制对策研究 ［J］ ．岩土力学， 2012， 33 （6） 1703－1710． ［3］ 董春亮， 赵光明， 卢小雨， 等．深部圆形巷道开挖卸荷 的围岩力学特征及破坏机理 ［J］ ．采矿与安全工程学 报， 2017， 34 （3） 511－518． ［4］ 陈旭光， 张强勇， 刘德军， 等．高地应力深部巷道开挖 锚固特性的三维地质力学模型试验研究 ［J］ ．土木工 程学报， 2011， 44 （9） 107－113． ［5］ 杨栋， 李海波， 夏祥， 等．高地应力条件下爆破开挖诱 发围岩损伤的特性研究 ［J］ ．岩土力学， 2014， 35 （4） 1110－1116． ［6］ 陈明， 胡英国， 卢文波， 等．深埋隧洞爆破开挖扰动损 伤效应的数值模拟 ［J］ ．岩土力学， 2011， 32 （5） 1531. ［7］ 刘高， 王小春， 聂德新．金川矿区地下巷道围岩应力场 特征及演化机制 ［J］ ．地质灾害与环境保护， 2002 （4） 40－45． ［8］ 薛俊华， 范明建， 段昌瑞， 等．深部复合岩层巷道围岩 控制技术 ［J］ ．煤矿开采， 2015， 20 （1） 64－67． ［9］ 韩小庆， 朱文军， 张文涛， 等．高地应力大跨度硐室基 础稳定性加固技术 ［J］ ．煤矿机电， 2012 （6） 117－119． ［10］ 杨树新， 李宏， 白明洲， 等．高地应力环境 下 硐 室 开 挖围岩应力释放规律 ［J］ ．煤炭学报， 2010， 35 （1） 26－30． ［11］ 廖志毅， 朱建波， 唐春安．高地应力作用下岩 石 和 地 下硐室的动态力学行为和响应 ［J］ ．岩土工程学报， 2016， 38 （S2） 260－265． ［12］ 陈卫忠， 肖正龙， 田洪铭．深埋高地应力 TBM 隧道挤 压大变形及其控制技术研究 ［J］ ．岩石力学与工程学 报， 2015， 34 （11） 2215－2226． ［13］ 周辉， 胡善超， 卢景景， 等．煤矿深井巷道 掘 进 全 过 （下转第 59 页） 53 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines ［6］ 谷拴成， 周攀．软岩巷道锚杆支护特性分析 ［J］ ．煤矿安 全， 2018， 49 （7） 224－228． ［7］ 林健， 孙志勇．锚杆支护金属网力学性能与支护效果 实验室研究 ［J］ ．煤炭学报， 2013， 38 （9） 1542－1548． ［8］ 孙志勇， 林健．锚杆支护焊接钢筋网力学性能研究 ［J］ ． 煤矿开采， 2011， 16 （1） 14－16． ［9］ 孙志勇． 锚杆支护金属网力学性能与支护效果研究 ［D］ ．北京 煤炭科学研究总院， 2011． ［10］ 葛凤忠．回采巷道锚网支护金属网变形特征的试验 研究 ［D］ ．焦作 河南理工大学， 2014． ［11］ JR Player, EC Morton, AG Thompson, et al． Static and dynamic testing of steel wire mesh for mining applica－ tions ofrock surface support［C］∥6th International Symposium on Ground Support in Mining and Civil En－ gineering Construction. Curtin University Australia, Can－ berra, 2008 693－699． ［12］ E Villaescusa． Laborary testing of weld mesh for rock support ［J］ ． Rock Support and Reinforcement in Mining, 1999, 18 （6） 155－159． ［13］E C Morton, A G Thompson, E Villaescusa．Testing and analysis of steel wire mesh for mining application of rock surface support ［C］ ∥11th Congress of the In－ ternational Society for Rock Mechanics. WA School of Mines, Kalgoorlie, 2007 574－582． ［14］ Dolinar, D R．Perance characteristics for welded wire screen used for surface control in underground coal mines ［J］ ． Cement and Concrete Composites, 2004, 8 （26 ） 389－404． ［15］ Thompson A, VillaescusaE, Player J, et al． Rock sup－ port mesh responses to static and dynamic loadings ［M］ ．Australia Asia Pacific Press, 2013． ［16］Zhenjun S, Porter I, Nemcik J, et al． Comparing the reinforcement capacity of welded steel mesh and a thin spray－on liner using large scale laboratory tests ［J］ ．International Journal of Mining Science and Tech－ nology, 2014, 24 （3） 373－377． ［17］Potvin Y, Giles G． The Development of a New High Energy Absorption Mesh ［C］ ∥Proceedings of the 10th Underground Operators Conference, Australian Centre for Geomechanics. Victoria, 2008 89－94． ［18］RK Whiting．In situ static perance assessment of mine mesh ［J］ ． Rock Support and Reinforcement Prac－ tice in Mining, 1999, 12 （3） 119－130． 作者简介 原贵阳 （1994） ， 男， 山西长治人， 在读硕士 研究生， 从事巷道支护及围岩控制研究工作。 （收稿日期 2019-04-19； 责任编辑 陈洋） 程围岩变形破坏原位测试 ［J］ ．岩土力学， 2015， 36 （12） 3523－3530． ［14］ 陈志敏．高地应力软岩隧道围岩压力研究和围岩与 支护结构相互作用机制分析 ［J］ ．岩石力学与工程学 报， 2014， 33 （3） 647． ［15］ 王成， 汪良海， 张念超．高应力软岩巷道围岩 流 变 动 态演化研究 ［J］ ．采矿与安全工 程学报， 2013， 30 （1） 14－18． ［16］ 周小平， 钱七虎， 张伯虎， 等．深埋球形洞室围岩分区 破裂化机理 ［J］ ．工程力学， 2010， 27 （1） 69－75． ［17］ 李术才， 王汉鹏， 钱七虎， 等．深部巷道围岩分区破裂 化现象现场监测研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报， 2008 （8） 1545－1553． 作者简介 詹可亮 （1994） ， 男， 在读博士研究生， 主要 从事岩土工程方向的研究。 （收稿日期 2018-10-12； 责任编辑 朱蕾） （上接第 53 页） 59 ChaoXing