深部巷道围岩锚固结构失稳破坏全过程试验研究.pdf

第4 5 卷第3 期 2 0 2 0 年3 月 煤t 炭学报 J O U R N A LO F C H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．3 M a r ．2 0 2 0 移动阅读 靖洪文，尹乾，朱栋，等．深部巷道围岩锚固结构失稳破坏全过程试验研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 3 8 8 9 9 0 1 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．e n k i ．j C C 8 ．2 0 1 9 ．0 6 3 7 J I N GH o n g w e n ，Y I NQ i a n ，Z H UD o n g ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ew h o l ep r o c e s so fi n s t a b i l i t ya n df a i l u r eo fa n c h o r a g es t r u c t u r ei ns u r r o u n d i n gr o c ko fd e e p b u r i e dr o a d w a y [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 3 8 8 9 9 0 1 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C 8 ．2 0 1 9 ．0 6 3 7 深部巷道围岩锚固结构失稳破坏全过程试验研究 靖洪文1 ，尹乾1 ，朱栋1 ，孙彦景2 ，王勃1 I ．中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；2 ．中国矿业大学信息与控制工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要为了探索深部巷道围岩锚固结构从开始承载至整体失稳全过程，揭示围岩内部应力及变形 破裂演化规律，以口孜东矿- 9 6 7m 水平西翼轨道大巷为工程背景，依托自主研制的深部地下工程 结构失稳全过程模拟试验系统，结合声发射、电磁辐射、电阻率、数字散斑等多源地球物理信息监测 技术，对无支护、锚杆支护及锚杆索支护巷道围岩锚固结构承载特性及变形破裂演化特征进行大尺 度物理模型试验研究。试验获得了不同支护锚固结构变形破裂全过程荷载一位移曲线，随着支护 强度的增加，荷载一位移曲线应力跌落现象逐渐减弱，而锚固结构峰值承载能力、等效弹性模量和 峰值位移分别增加了8 2 ．5 7 ％。3 3 ．3 3 ％和1 0 7 ．2 4 ％，巷道围岩越容易形成“压力拱”结构效应，抵抗 变形的能力逐渐增强；试验过程中，顶板围岩变形量最大，两帮次之，底板最小，锚固结构破坏特征 随支护强度的增加由张拉裂纹为主的脆性破坏向剪切滑移为主的塑性破坏转化；多源地球物理信 息响应特征与荷载一位移曲线具有良好的耦合关系，随着支护强度的增加，锚固结构内部单位时间 破坏次数逐渐减少，电磁辐射强度及脉冲数均逐渐减弱；声发射事件与锚固结构裂纹萌生扩展呈现 较好的对应特征，在模型进入非稳定破坏阶段，随着裂纹迅速扩展，声发射活动异常活跃；随着荷载 的增加，锚固结构由于裂纹发育趋于松散破裂，视电阻率逐渐升高导致区域导电能力逐渐降低，随 着支护强度的增加，锚固结构的高阻区形成时间变大而范围变小。 关键词深部巷道；锚固结构；变形破裂；承载特性；信息化 中图分类号T U 4 5 8文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 0 3 - 0 8 8 9 - 1 3 E x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ew h o l ep r o c e s so fi n s t a b i l i t ya n df a i l u r eo fa n c h o r a g e s t r u c t u r ei ns u r r o u n d i n gr o c ko fd e e p - b u r i e dr o a d w a y J I N GH o n g w e n l ，Y I NQ i a n l ，Z H UD o n 9 1 ，S U NY a n j i n 9 2 ，W A N GB 0 1 1 S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rG e o m e c h a n i c sa n dD e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，X u z h o u 2 2 1i1 6 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo f I n f o r m a t i o na n dC o n t r o lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，X u z h o u2 2 11 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t T h i sp a p e ra i m st oe x p l o r et h ew h o l ep r o c e s sf r o mi n i t i a ll o a db e a r i n gt ot h eo v e r a l li n s t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n g r o c ka n c h o r a g es t r u c t u r eo ft h ed e e p - b u r i e dr o a d w a y ，a n dt or e v e a lt h ee v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t e r n a ls t r e s s ， d e f o r m a t i o na n df r a c t u r eo ft h es u r r o u n d i n gr o c k ．B a s e do nt h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n do f 一9 6 7mw e s tw i n gt r a c k r o a d w a yo fK o u z i d o n gc o a lm i n e ，v a r i o u sl a r g e - s c a l es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so nt h ed e f o r m a t i o n ，f a i l u r ee v o l u t i o nc h a r - a c t e r i s t i c s ，a n dt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fr o a d w a ys u r r o u n d i n ga n c h o r a g es t r u c t u r ew i t hn os u p p o r t ，b o l ts u p p o r ta n db o l t - c a b l ea n c h o rs u p p o r tw e r er e s p e c t i v e l yc a r r i e do u tu s i n gt h es e l f - d e v e l o p e ds i m u l a t i o n t e s t i n gs y s t e mf o rt h ew h o l e p r o c e s so fs t r u c t u r a li n s t a b i l i t yi nd e e pu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gp r o j e c t 1 1 h el o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v e so ft h ew h o l e 收稿日期2 0 1 9 - 0 5 - 1 3修回日期2 0 1 9 - 0 7 - 2 5责任编辑陶赛 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 7 3 4 0 0 9 ；国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 1 ；江苏省自然科学基金资助项目 B K 2 0 1 8 0 6 6 3 作者简介靖洪文 1 9 6 3 一 ，男，山东冠县人，教授，博士生导师。E m a i l h w j i n g c u m t ．e d u ．c n 通讯作者朱栋 1 9 8 l 一 ，男，山东鱼台人，博士。E - m a i l 2 7 8 2 9 8 4 5 8 q q ．c o m 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 p r o c e s so fd e f o r m a t i o na n df a i l u r eo ft h ea n c h o r a g es t r u c t u r e sw i t hd i f f e r e n ts u p p o r t i n gf o r m sw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h e t e s t ．W i t ht h ei n c r e a s i n gs u p p o r t i n gs t r e n g t h ，t h es t r e s sd r o pp h e n o m e n o no ft h el o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e sg r a d u a l l y w e a k e n s ，w h i l et h ep e a kb e a r i n gc a p a c i t y ，e q u i v a l e n te l a s t i cm o d u l u s ，a n dp e a kd i s p l a c e m e n ti n c r e a s eb Y8 2 ．5 7 ％， 3 3 ．3 3 ％，a n d1 0 7 ．2 4 ％，r e s p e c t i v e l y ．I ti se a s i e rf o rt h es u r r o u n d i n gr o c kt og e n e r a t et h es t r u c t u r a le f f e c to f “p r e s s u r e a r c h ”，a n dt h ed e f o r m a t i o nr e s i s t a n c ec a p a c i t yg r a d u a l l ye n h a n c e s ．D u r i n gt h et e s t ，t h ed e f o r m a t i o no ft h er o o fi st h e l a r g e s t ，f o l l o w e db yt h et w os i d e s ，a n dt h ef l o o ri st h es m a l l e s t ．A st h es u p p o r ts t r e n g t hi n c r e a s e s ，t h ef a i l u r ec h a r a c t e r - i s t i c so ft h ea n c h o r a g es t r u c t u r et r a n s f o r m sf r o mb r i t t l ef a i l u r ed o m i n a t e db yt e n s i o nc r a c k st op l a s t i cf a i l u r ed o m i n a t e d b ys h e a rs l i p ．T h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em u l t i - s o u r c eg e o p h y s i c a li n f o r m a t i o nh a v eag o o dc o u p l i n gr e l a t i o n w i t ht h el o a d - d i s p l a c e m e n tc u r v e s ．W i t ht h ei n c r e a s eo fs u p p o r t i n gs t r e n g t h ，t h en u m b e ro ff a i l u r ep e ru n i tt i m ei nt h e a n c h o r a g es t r u c t u r eg r a d u a l l yd e c r e a s e s ，a n db o t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o ni n t e n s i t ya n dn u m b e ro fp u l s e sg r a d u a l - l yw e a k e n ．T h ea c o u s t i ce m i s s i o ne v e n t se x h i b i tag o o dc o r r e s p o n d i n gf e a t u r ew i t ht h ec r a c ki n i t i a t i o na n dd e v e l o p m e n t i nt h ea n c h o r a g es t r u c t u r e s ．W h e nt h em o d e le n t e r st h eu n s t a b l ef a i l u r es t a g e ，w i t ht h er a p i dc r a c kg r o w t h ，t h ea c o u s t i c e m i s s i o na c t i v i t yi sv e r ya c t i v e ．A st h ea p p l i e dl o a di n c r e a s e s ，t h ea n c h o r a g es t r u c t u r et e n d st ob el o o s e l yb r o k e nd u et o g r a d u a lc r a c kd e v e l o p m e n t ，r e s u l t i n gi ng r a d u a li n c r e a s ei nt h ea p p a r e n tr e s i s t i v i t yw h i l eg r a d u a ld e c r e a s ei nt h er e - g i o n a lc o n d u c t i v i t y ．W i t ht h ei n c r e a s i n gs u p p o r t i n gs t r e n g t h ，t h ef o r m a t i o nt i m eo fh i g hr e s i s t a n c ez o n ei nt h ea n c h o r a g e s t r u c t u r eb e c o m e sl a r g e rb u tt h er a n g eb e c o m e ss m a l l e r ． K e yw o r d s d e e p - b u r i e dr o a d w a y ；a n c h o r a g es t r u c t u r e ；d e f o r m a t i o nf r a c t u r e ；b e a r i n gc a p a c i t y ；i n f o r m a t i o n i z e 深部巷道围岩在高应力、强卸荷环境下发生变形 破裂，成为结构及力学性质更为复杂的破裂岩体，其 破裂失稳过程实质上是岩石从连续到非连续，从弹塑 性小变形到结构性大变形的过程。3J 。锚杆索支护 由于其主动加固调动围岩承载能力及对变形适应性 良好等优点，在煤矿工程中得到广泛应用。从围岩支 护形成的锚固结构考虑巷道围岩稳定问题，是从一个 新的角度审视和揭示深部巷道围岩失稳破坏机理，具 有重要的理论意义H 。6 1 。 为了探索锚固结构承载特性及破裂演化特征， J I N G 等“ o 通过模型试验研究发现含断续节理锚固体 强度主要由岩体强度及锚杆初始预紧力决定，并建立 了锚固体峰值强度与裂隙倾角及锚杆密度之间的函 数关系；苏学贵等哺1 通过大断面矩形巷道顶板锚固 承载结构模型试验，发现锚杆支护作用下浅部岩层形 成组合梁，深部复合岩层在锚索预应力作用下形成压 缩拱，建立“拱一梁”耦合承载结构；王其洲等一。针对 峰后锚固体力学特性和再破坏特征，通过预制峰后破 裂岩体进行相似模拟试验，研究了不同锚杆间排距和 预紧力条件下锚固体载荷演化规律及变形破坏特征。 谭云亮等叫通过离散元数值模拟研究了全长锚固锚 杆对节理围岩稳定性的影响，分析了不同锚固时刻围 岩的破坏特征；张元超等通过数值计算对比分析 了加锚支护前后深井沿空掘巷围岩变形和应力演化 规律，并根据模拟和现场实测结果确定了加锚支护参 数。翟英达2 1 发现预应力锚杆在围岩中产生横向挤 压作用是形成锚固结构的必要条件，并分析了横向挤 压作用与围岩泊松比、锚杆密度及有效长度的关系； 韩立军等列在分析锚注加固结构承载机理的基础上 提出了锚注支护条件下巷道围岩的多重组合拱结构， 并对其极限承载能力进行理论分析。上述研究成果 为本文顺利开展深部巷道围岩大尺度锚固结构力学 特性及失稳破坏机理探讨提供参考。 此外，近年来多源信息融合技术已在矿山安全预 测预警方面取得了一些研究进展，如刘增辉等【1 4 1 将 电磁辐射技术应用到近距离煤层开采对卸压区围岩 应力演化影响的监测中，结果表明电磁辐射强度和脉 冲数与煤岩体裂隙扩展演化具有较好的耦合关系；周 辉等纠为分析合理终采线的结构，通过模型试验方 法，利用声发射监测上方工作面回采过程对垂直于回 采方向下方巷道围岩的扰动影响；许昭勇钊提出利 用直流电法技术进行采动围岩应力分布探测的思路， 试验测试分析煤样在不同应力和裂隙条件下煤层视 电阻率的响应特征，并通过现场测试揭示采动围岩应 力分布的电法响应规律。但上述信息化探测手段在 巷道围岩锚固结构破裂演化大尺度地质力学模型试 验方面的研究却相对较少。 基于此，笔者以口孜东矿- 9 6 7m 水平西翼轨道 大巷为工程背景，通过自主研发围岩结构失稳全过程 试验系统开展不同支护巷道围岩锚固结构荷载一位 移全过程模型试验，揭示巷道开挖至加载破坏过程中 锚固结构承载特性、位移场演化规律及变形破裂特 征。分析锚固结构破坏过程中电磁辐射、声发射和电 阻率等地球物理信息响应规律及与荷载一位移曲线 万方数据 第3 期靖洪文等深部巷道围岩锚固结构失稳破坏全过程试验研究 的耦合关系，为深部巷道围岩变形破裂监测及稳定控 制提供一个新的研究思路。 1 围岩结构失稳全过程试验系统研制 1 ．1 试验系统研发 为了探索深部巷道围岩结构整体失稳过程，揭示 巷道围岩破坏形态、内部应力演化等宏细观规律，课 题组自主研制r 深部巷道围岩结构整体失稳全过程 模型试验系统，如图1 所示。该系统能够精确模拟深 部巷道围岩从开始承载至整体失稳全受力过程，得到 不同支护参数条件下围岩结构荷载一位移全过程特 征曲线，从而研究深部巷道的力学承载特性、变形破 坏规律以及支护与围岩共同作用效果，为评价不同结 构地下工程稳定性提供依据。 C 数据采集系统 图1 试验系统研发 F i g ．1D e v e l o p m e n to ft h et e s ts y s t e m 试验系统主要由液压系统和电控系统组成。其 中液压加载系统由螺母、前盖底座、前盖组件、送料装 置、拉杆、环形支座、后盖组件、底座组件、液压螺母、 安装机架、举升油缸、伺服加载器等组成。电控系统 主要由电路系统和软件控制系统组成。此外，在该试 验平台上，可综合运用数字照相、电磁辐射、声发射和 双模式并行电法等多源地球物理信息监测技术分析 巷道围岩锚固结构变形破坏过程中的物理信息响应。 系统主要技术参数如下 1 准平面应变模型，水平和垂直两个方向单独 控制加载，最大加载能力为1 0M P a ； 2 前后端面采用Q 3 4 5 - B 型钢板被动约束，最 大允许变形0 ．0 0 2I l l m 最大挠度为0 ．3m n l ； 3 顶部油缸分五路独立控制，可采用压力和位 移两种控制方式加载，最低加载速率0 ．0 1I l I I I I ／S ； 4 侧向加载分四路独立控制，可实现任意梯度 加载； 5 液压加载系统能够实现加载_ 稳压一卸载 过程的自动化控制，稳压时间9 6I ，，应力波动幅度不 大于稳压设定值的2 ％F ．S ； 6 硐室位移传感器可以闭环控制顶部伺服加载 器，获取巷道及围岩锚固结构荷载一位移特性曲线； 7 主体承载结构框架采用组合结构，允许模型 尺寸12 0 0m m x l2 0 0m i n x 3 0 0m i l l ，预留多源信息采 集数据线出口； 8 采用多通道全数字控制器，配备W i n d o w s 环 境下的操作软件，主要控制参数带有模拟输出，可供 给数据采集系统同步采集。 试验系统配有3 套前端面约束挡板，并在中心留 有圆形、半圆拱形和矩形孔洞以便开挖不同巷道断面 形状。模型正面安装l 块厚3 J i l l 的亚克力板，提供 观望窗口的被动约束，模型侧面，背面及上面贴减摩 纸减少摩擦力。其他辅助设备主要包括模型浇筑模 具、模型推送装置和数据采集系统，其中 1 浇筑模具由U 型钢板拼装组成，底板设有可 吊装的活动底座，模具内侧表面光滑，浇筑前涂抹脱 模剂； 2 模型推送装置由送料小车和操作平台组成。 推送装置轴线和试验系统中心轴线重合，确保推送过 程不发生偏离； 3 数据采集系统包括T S T 3 8 2 6 E 静态应变测试 分析系统、P C 以及数字照相位移量测系统等，监测锚 固结构应力场、位移场及多源地球物理信息。 试验系统总重量达3 4t ，因此需对基础进行硬化 处理，在混凝土强度标号C 3 5 的地板上铺设钢板，钢 板尺寸为3m x 51 1 1 ，厚度2e l n 。采用地脚螺栓将系统 与钢板基础进行连接。 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 1 ．2 相似材料选取 此次试验以中煤新集能源股份有限公司口孜东 矿的主运输胶带斜巷尾部联巷至1 2 1 3 0 1 工作面机巷 尾部联巷段的西翼轨道大巷为研究背景，该试验段巷 道断面为近直墙半圆拱形，尺寸为51 0 0m m X 42 0 0m m ，位于- 9 6 7m 水平，巷道主要穿越砂质泥 岩，该试验段内巷道围岩最大水平主应力为 2 6 ．4 5M P a ，最大垂直应力为1 9 ．3 6M P a ，两者比值为 1 ．4 5 。具体力学参数见表1 。 表1 原岩与相似材料力学参数 T a b l e1M e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fo r i g i n a lr o c ka n d s i m i l a rm a t e r i a l s 参考文献[ 1 7 ] ，试验选取纯净均匀的河砂、C 3 2 ．5 普通硅酸盐水泥、石膏和水按照一定比例配置相似材 料，相似材料容重y 。 1 6 ．5k N ／m 3 。根据巷道断面大 小、开挖影响范围的经验预估以及试验系统允许尺寸 条件，选取几何相似比C ． 1 8 。由砂质泥岩容重y 。 2 8 ．8k N ／m 3 可得容重相似比C ， y 。／y 。 2 8 ．8 ／1 6 ．5 1 ．7 5 ，强度相似比C R C ，C ￡， 1 8 X 1 ．7 5 3 1 ．5 。根据相 似比计算可得相似材料力学参数见表l 。通过不同配 比相似材料力学特性试验，最终确定河砂水泥石 膏 1 0 0 1 6 9 。试验模型初始垂直应力边界为 0 ．8 4M P a ，水平应力边界为0 ．6 1M P a 。 该试验段巷道工程现场用锚杆为 2 0m m X 21 0 0m r n 树脂锚杆，屈服强度为3 7 5M P a ，伸长率为 3 2 ．5 ％，破断力为2 2 4 ．2 8k N ，模型锚杆选用咖1 ．2 2m m 的铅丝模拟，破断力为2 3 ．4 4N ；现场用锚索为 担1 ．6m m X 62 0 0f l i r t ] 的1 x 7 结构低松弛钢绞线，抗拉 强度为17 7 0M P a ，试验选用咖1 ．2m l n 的细铁丝模拟。 1 ．3 试验方案及模型浇筑 试验主要考虑无支护、锚杆支护及锚杆索支护3 种形式，其中，锚杆间排距为4 4 ．4 4m m x 4 4 ．4 4m m ， 锚索只布置在肩部和顶板，间排距为8 9m i n x 8 9m m 。 具体模型浇筑及安装流程如图2 所示。模型制 作完成后静置4 8h 进行脱模，脱模后养护7d ，相似 材料模型风干后进行吊装作业。模型安装完成后，对 前挡板有机玻璃板观测范围以外区域均匀涂刷润滑 油，最后合上前挡板。为消除试验模型前后面固定约 束与挡板之间的自由空间，首先人工拧紧前挡板的8 个螺母，然后通过液压螺母行程使前后挡板夹紧试验 模型。将模型内部传感器引出线与数据采集系统连 接，架设并调试高速相机，准备系统加载和模型开挖。 试验过程中，监测巷道开挖后至围岩锚固结构失 稳全过程围岩应力场、表面变形场、声发射、电磁辐射 及视电阻率响应等多源异构信息。因此，模型浇筑过 程中，在巷道顶板、左帮及左侧肩角距离巷道表面 1 2 0m m 位置处埋设应变砖；巷道开挖结束后在巷道 底板固定声发射传感器；在左右底角处埋设电磁辐射 接收天线；在模型试样左上角和右下角分别布置参比 电极N 和无穷远电极B 。 试验开始前，首先采用分级加载方式对模型施加 荷载至原岩应力，竖向荷载每次施加2 6k N ，水平荷 载每次施加4 0k N ，加载速率为1 2 0N ／s ，达到初始应 力边界后稳压1 ．0 1 ．5h 。待模型内部测点应力趋 于稳定后开始巷道开挖并施加支护。为研究巷道围 岩锚固结构承载及变形破坏特征，采用硐室位移传感 器闭环同步控制加载，加载速率为0 ．0 2m m ／s ，同一 级竖向应力加载完毕后立即进行水平应力加载，水平 应力按照系统竖向反馈的实时应力1 ．4 5 倍施加，每 级加载完成后稳压1 0m i n ，待应力调整平衡后继续下 一级加载，直至巷道和围岩锚固结构完全失稳破坏后 结束试验。 2 围岩结构荷载一位移全过程演化特征 2 ．1 荷载一位移全过程曲线 3 种支护方式下，按照设计方案加载至锚固结构 失稳破坏后，获取其荷载一位移全过程曲线，如图3 所 示。由图3 可以看出，不同支护方式下巷道围岩承载 特征具有明显差异，具体分析如下 1 随着支护强度的增加，巷道围岩锚固结构峰 值强度呈逐渐增大的趋势，这是由于支护强度越大， 锚固结构所形成的承载结构越完整，整个结构作为统 一的支撑体协调抑制围岩的剪胀变形，巷道承载能力 增强。与无支护相比，锚杆支护及锚杆索支护时峰值 强度分别增加了6 8 ．8 1 ％和8 2 ．5 7 ％，弹性模量分别 增加了2 2 ．2 2 ％和3 3 ．3 3 ％，峰值位移分别增加了 7 4 ．2 3 ％和1 0 7 ．2 4 ％。‘ 2 与侧向约束条件下标准岩石试样的应力一应 变曲线类似8 | ，在加载至峰值强度的过程中，出现数 次应力跌落，且随着支护强度的增加，应力波动现象 有所减弱。以无支护巷道为例，当顶部应力加载至 0 ．6 2M P a 时出现首次应力跌落，跌幅为6 ．8 9 ％；当应 力增加至0 ．8 0M P a 时，第2 次应力跌落至 0 ．7 1M P a ；当应力增加至0 ．8 8 ，1 ．0 4 和1 ．0 8M P a 时， 应力一应变曲线又呈现不同程度的应力跌落现象； 万方数据 第3 期 靖洪文等深部巷道嗣岩锚固结构失稳破坏全过程试验研究 c 1 搅拌 d 模板组装与定位 e 涂刷脱模剂 【f 相似材料振捣 g 埋设应变砖 h 预埋铜片电极 j 模型起吊 k 模型推送 I 模型就位 图2 模型试样浇筑及安装流程 F i g ．2 C a s t i l l g ￡l l l di n s t a l l a t i o np t t l ’e s so ft h em o d e ls p e c i m e n 冈3巷道围岩全过程荷载一位移曲线 F i g ．3 W h o l el o a d d i s p l a ’P f i l e l l | C [ I I Y e So f ，T a h ～，a v s m w o u n d i n gl l ‘k 最后，当达到峰值强度1 ．0 9M P a 时，应力迅速跌落， 此时巷道结构发生整体失稳破坏。 3 随着支护强度的增加，巷道围岩逐渐由脆性 破坏向塑性破坏转化。无支护巷道围岩主要表现为 脆性破坏，加载过程中应力跌落迅速，达到峰值荷载 后，巷道围岩瞬问整体垮落，峰后几乎无承载能力；锚 杆支护及锚杆索支护时，峰值强度之后，巷道围岩仍 然残余一定的承载能力，锚同结构呈现以剪切滑移线 网络为主的塑性破坏。 2 ．2 围岩破裂演化特征 不同支护方式下巷道围岩破裂演化过程分别如 图4 6 所示，最终破坏模式如图7 所示。从图4 ～7 r 叮以看出 1 无支护时，随着顶部荷载的增加，巷道两帮 首先出现片帮剥落现象，底板出现近“L ”型拉仲裂 纹，随着荷载的增加 矿 0 ．9 6M P a ，巷道顶板出现 轻微下沉，右帮出现大块剥落现象，同时顶板萌生拉 仲裂纹，左侧肩部裂纹密度增多，并且出现贯通现象。 当盯 1 ．0 7M P a ，巷道顶板大幅下沉，左侧肩部出现 大块冒顶现象；当o r 1 ．】0M P a ，巷道顶板冒落，围岩 整体丧失承载能力，失稳破坏。 由图7 a 叮以看出，失稳破坏后，巷道围岩表现 为多条沿加载方向发展的张拉裂纹，呈现脆性破坏。 此外，在垂直荷载作用下，巷道两帮剪切滑移均沿着 肩部外缘切线方向发展并相交于巷道上方，形成1 个 近似“等腰三角形”块体结构。 2 锚杆支护时，当盯 0 ．7 1M P a ，围岩顶板和底 部叶I 心位置均萌生一条沿加载方向发展的张拉裂纹。 随着荷载的增加，裂纹继续发育，当0 1 1 ．3 4M P a ，右 帮匍岩出现大而积剥落，部分锚杆托盘与围岩分离。 万方数据 8 9 4 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 a 俨0 ．5 6 M P a b 俨O ．7 1M P a 图4尢支护巷道围岩破裂演化过程 图5锚杆支护巷道围岩破裂演化过程 F i g ．5 F a i l u r ee v o l u t i o np r o c e s so fs u r r o u n d i n gr o c kw i t hb o hs u p p o r l 当盯 1 ．8 1M P a ，巷道围岩片帮现象加剧，从两底角 处萌生的剪切滑移裂纹向下发育并在底板围岩中心 处搭接，巷道围岩出现轻微底臌。峰值强度之后，由 于锚杆的锚固作用，巷道围岩仍然具有一定的承载能 力，当应力跌落至1 ．6 2M P a 时，两帮出现显著片帮破 坏，巷道围岩整体失稳。 由图7 } ， 可以看出，由于锚杆的约束作用，围岩 顶板和帮部未出现显著的剪切和拉伸裂纹，细小裂纹 的萌生扩展导致围岩片帮剥落。锚杆锚固作用使得 顶板和帮部围岩整体强度和刚度有所提高，围岩应力 传递至底板，造成底板围岩产生拉伸裂纹，裂纹的扩 展贯通导致底板围岩碎胀，产生底臌。 3 锚杆索支护时，低荷载水平下 o r 0 ．9 0M P a ，围岩未发生明显的变形破坏；当盯 1 ．4 1M P a ，围岩右侧肩角处产生沿加载方向发展的 拉伸裂纹；当盯 1 ．6 4M P a ，右帮围岩出现大面积剥 万方数据 第3 期靖洪文等深部巷道围岩锚同结构失稳破坏全过程试验研究 8 9 5 a 庐I ．4 1M P a b 盯 1 ．6 4 M P a C o - 1 ．8 7M P a d 0 - I ．8 8M P a e o - 1 ．7 4M P a 跌落 图6 锚杆索支护巷道围岩破裂演化过程 F i g ．6 F a i l u r ee w l u t i o nI l ’o e s so fs u r r o u n d i n gr o c kw i t hb o h c a b l es u p p o r t a 无支护 b 锚十I 支护 【C 锚杆索支护 图7不同支护方式下巷道围岩最终破坏形态 F i g ．7 U h i m a t ef a i l m ’en l o d e so fs u n o u n d i n gl ’0 ’kw i t hv a r i o u ss u p p o r tp a t t e r n s 落，同时左侧肩角围岩萌生剪切裂纹；当加载至 1 ．8 7M P a 时，左侧帮部围岩发生片帮破坏，同时在两 个底角位置处产生向下发展的张拉裂纹。峰值强度 之后，随着顶底相对位移的继续s 曾 D l i ，应力发生跌落， 当盯跌落至1 ．8 7M P a ，巷道顶板出现下沉，两侧肩部 位置萌生众多平行于巷道轮廓的裂纹群；当盯 1 ．7 4M P a ，顶板整体下沉，围岩失去承载能力。 由图7 c 可以看出，在锚杆索作用下，巷道围岩 主要发生帮部和顶板的片状剥落，底板围岩萌生张拉 裂纹。较强的锚固作用导致围岩整体承载能力s 曾, h i l ， 在压力拱范围内出现剪切滑移迹线并于巷道自由面 贯通。破坏形态与其他学者关于应力作用下圆形巷 道剪切滑移的破坏特征是高度一致的”1 ’。 3 围岩结构破坏过程多源信息响应 3 ．1 锚固结构应力演化特征 不同支护方式巷道围岩锚同结构加载全过程应 力演化特征如图8 所示，可以看出对于无支护与锚 杆支护，测点径向应力和切向应力均随加载时问逐渐 衰减，变化特征与锚固结构荷载一位移曲线呈负相 关，表明锚固结构在加载过程中，围岩由于支护强度 不足处于张拉或压剪状态，当荷载超