冲击波作用下巷道破坏规律相似模拟研究

吕祥锋， 潘一山， 李忠华， 代树红

(辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

随着我国煤矿资源开采逐渐向深部发展，冲击地压的发生频次越来越多，其危害性也愈加增大，造成巷道围岩破坏、垮塌及人员伤亡事故，对煤矿安全生产造成极大的危害［1，2]。因此，冲击地压巷道围岩破坏问题成为我国深部资源开发亟需解决的研究课题。近些年来，我国力学工作者对爆炸载荷作用下岩石裂纹扩展、变形及破坏方面做了大量有意义的理论和试验研究。中国矿业大学(北京)李清等［3]分析了爆炸冲击载荷作用下裂纹的扩展规律，初步得到了裂纹扩展是爆炸卸载破坏的结论;钱七虎、王明洋等［4]考虑岩石的构造特点，对爆炸冲击载荷作用下岩石的动力变形与破坏特征进行了理论分析，并利用数值手段研究了爆炸荷载作用下块体运动和变形的基本规律。但对于高速冲击载荷作用下的巷道围岩裂缝发展、变形和破坏试验研究还很少，其机理和破坏规律还不够清晰。因此，研究高速冲击载荷作用下巷道破坏规律，对于深部煤矿安全开采具有指导意义。

通过高速冲击载荷作用下巷道变形与破坏规律的试验研究，分析不同炮孔位置和不同药量对巷道变形、破坏的影响，再现深部煤矿开采过程中冲击地压巷道破坏特征，寻求冲击载荷作用下巷道裂缝发展、变形和破坏规律。从而为深部煤矿安全开采提供技术支持。

1 相似模拟试验模型

1.1 相似模型

(1)几何相似

根据研究的实际情况和试验条件［5－8]，模拟巷道试验模型选择比尺为1∶30，即将原模型缩小为1/30，各基本物理量满足以下比例关系:

式中，LH和LM分别代表原型和模型长度，m。αL为相似长度比尺。

(2)动力相似

考虑重力作用影响，要求重力相似。在几何相似条件下对重力相似，还要求 γH和 γM的比尺 αγ为常数，则:

式中，γH和γM分别为原型和模型的岩层视密度，g/m3;σH和σM分别为原型和模型岩层单向抗压强度，MPa;αγ为视密度比尺;ασ为抗压强度比尺。

设PH、VH和PM、VM分别表示原型和模型对应部分的重力和体积，可知:

则:

模型配比满足上式(1)、式(2)、式(3)和式(6)，即可满足动力相似条件。

根据以上各参数比尺关系，可得模型上相应的参数量:

(3)相似材料配比

相似材料模型选取硅砂、碳酸钙和石膏按照规定的抗压强度配比作为骨料，加以适量配有缓凝剂的蒸馏水溶液，搅拌均匀后，按照模型尺寸进行填装建模。模型从下至上分为粉砂岩、中粗砂岩、细砂岩、煤层、细砂岩、中粒砂岩、砾岩和泥岩，视密度为1.5 g/cm3。硅砂粒径在50目～100目，层间云母粉分层，每次装填厚度为5 mm～20 mm。

(4)模拟方案模型尺寸及炮孔布置

相似模拟模型尺寸为:1 500 mm×1 100 mm×200 mm，巷道尺寸为:¢150 mm×200 mm。试验模型几何相似比为1∶30，模拟了实际开采煤层长度为45 m，圆形巷道直径为4.5 m，与煤矿现场情况基本一致。考虑到试验中的尺寸效应问题，巷道特征尺寸与巷道距模型边界的距离之比值偏大，可减小试验结果误差。模拟巷道上方冲击来压作用，炮孔均匀布置巷道上方区域，共设置4个炮孔，间距为50 mm，炮孔轴向与巷道轴向平行，根据不同爆炸方案要求，每炮孔装药量为1.5 g～4.0 g，炮孔长度为60 mm，距模型正背面各70 mm，也降低钢护板对应力波传播作用的影响。模型炮孔布置如图1所示，模拟方案如表1所示。

图1 炮孔位置示意图Fig.1 Sketch map of the loaded holes

表1 相似模拟试验方案Tab.1 Analogy simulation testing programs

(5)相似模拟模型

模型两侧面全约束，正面为自由面，背面为水平约束。爆炸试验中，炮孔位置作用力最大，为防止破碎块体四处飞溅影响散斑观测结果，正面和背面钢护板与模型表面略微接触，但不会影响冲击载荷对模型材料的破坏作用。模型前、后两面采用宽200 mm的可拆卸槽钢护板对模型进行定型，并利用岩层自重模拟初试地应力。相似模型如图2所示。

1.2 爆炸参数确定

爆破相似模拟试验需要满足动力相似，假设爆炸应力场和变形场只受爆炸能量的影响，原型和模型在几何、时间和强度上相似，即:

图2 相似材料模型简图Fig.2 Diagram of model experiment

式中，RH、RM，tH、tM和 σ'H、σ'M分别为原型和模型爆炸中的长度、时间和应力。

相似试验中，选择比尺为1∶30，用能量相似定律确定用药量，即:

式中，WH、WM和QH、QM分别为原型和模型爆炸用药量和炸药能量。

试验过程中，选用硝铵炸药作为试验用药，并采用特制雷管为起爆用药。模型爆破区域为400 mm×400 mm×200 mm，冲击地压释放能量约为 2.0 MJ～20.0MJ，根据能量相似条件，采用衡量炸药对外做功的爆力值代替炸药能量进行相似计算，实际计算模型起爆硝铵炸药总药量为 6.0 g～16.0 g。

2 试验结果与分析

对不同炮孔位置和装药量条件下冲击地压巷道破坏规律进行了研究，通过试验结果分析可知，随着炮孔距离巷道位置的接近，巷道破坏越加严重，经历了顶板裂缝出现、发育和开裂以及破坏和坍塌阶段。随着装药量的增加，对巷道的破坏程度也明显增加，当炸药量较小时，冲击应力波首先向巷道方向传播，表现为裂缝出现和逐渐扩展;当装药量增加到足够大时，应力波的重复作用造成岩体破坏甚至巷道坍塌，同时其破坏向顶板上部岩层转移，分析其原因在于，在高速冲击波作用下顶板上部岩层出现裂缝，并不断发展，顶板垮塌后上部岩层在自重力作用下而整体塌落。高速冲击载荷作用下巷道破坏规律研究结果表明岩体的破坏经历了拉剪裂缝、重复拉剪破碎和破坏三个阶段，与黄润秋等对震裂变形破坏形式机制的研究结果具有一致性［9]。

方案一:炮孔距离巷道为450 mm，装药量为6.0 g。巷道顶板附近出现裂缝，属于拉剪裂缝，引爆后［10]巷道上方顶板裂缝如图3所示。由于炮孔距离巷道较远，且装药量小，引爆后冲击应力波向巷道方向传递为主，在顶板处形成裂缝，但裂缝未能贯通，条数较少，裂缝宽度也较小。

图3 巷道顶板裂缝发展Fig.3 The processes of cracking at tunnel roof

方案二:炮孔距离巷道为300 mm，装药量为6.0 g。如图4和图5所示，巷道顶板附近裂缝较为发育，且巷道顶层出现部分塌落，属于重复拉剪破坏。与方案一试验结果对比可知，随着炮孔距离巷道位置的接近，顶板裂缝逐渐发育且模型顶部也略有裂缝出现，表现为巷道顶部有局部塌落现象。

方案三:炮孔距离巷道为200 mm，装药量为8.0 g。图6和图7表示巷道坍塌和模型顶面裂缝开展情况。由图示结果可知，巷道顶板出现大面积塌落，四周破坏，属于拉剪破坏。与方案三试验结果对比可知，装药量增加对巷道破坏形式影响很大，巷道上部顶板发生整体破坏坍塌。由试验结果分析还可得，高速冲击载荷对周围岩体具有破坏的作用，表现为顶板岩体的破碎塌落，且模型上部裂缝发展明显，出现两条贯通裂缝。

方案四:炮孔距离巷道为200 mm，装药量为16.0 g。巷道顶板及上部岩体出现破坏坍塌，也属于拉剪破坏，如图8和图9所示。当装药量足够大时，高速冲击载荷对巷道具有破坏性作用，表现为上部顶板和岩层整体破坏塌落，巷道底板和底部岩层同样发生破坏，且表现为对上部岩层破坏力增强。

数字散斑结果如图10所示，同样表明高速冲击载荷作用下巷道顶板变形和位移最大，巷道顶板附近有剥落现象(图中白色空白)。巷道顶板岩层首先产生裂缝，在重复拉剪作用下有局部岩体发生破碎，脱离岩层表面。同时冲击波向巷道四周传播，巷道产生向下位移，当冲击能较小时，巷道顶板和四周围岩发生变形，表现为由顶板向两帮逐渐扩展。

随着炮孔距离巷道的接近和装药量增加，冲击载荷作用下巷道顶板裂缝迅速，且逐渐向顶板上部岩层扩展。巷道破坏形式表现为裂缝出现、扩展和坍塌，当炸药量足够大时，对巷道岩体具有破碎的作用。试验结果还表明，模型正、背面采用钢护板略微接触方式，防止了破碎块体四处飞溅发生。同时，不同方案条件下模型破坏结果说明，试验消除了尺寸效应影响，模型破坏不受钢护板影响。因此，钢护板反射作用对试验结果影响不大，可忽略不计。

图10 散斑场各观测点计算云图Fig.10 Nephogram of roadway speckle field

3 结论

通过对高速冲击载荷作用下巷道破坏规律的相似模拟试验研究，得到以下主要结论:

(1) 冲击应力波以巷道方向传递为主，在巷道顶板附近形成裂纹、破碎或坍塌区;当装药量足够大时，应力波对上部岩体破坏力明显增强，冲击能是影响巷道破坏程度的主要因素。

(2) 高速冲击载荷作用下巷道围岩体破坏可分为拉剪裂缝、重复拉剪破碎和破坏三个阶段，与黄润秋等对震裂变形破坏形式机制研究具有一致性。

(3) 巷道破坏表现为巷道顶板附近首先出现裂缝，属于拉剪裂缝阶段;裂缝继续发育，巷道顶层出现部分塌落，属于重复拉剪破坏;巷道顶板出现大面积塌落，且顶板上部岩层开裂，巷道四周破坏，属于破坏阶段。研究结果为冲击地压巷道破坏预测和防治提供有力参考。

［1] 窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术［M] .徐州:中国矿业大学出版社，2001.

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