浅埋风氧化巷道变形失稳相似模拟研究

庄 通，杨富强，赵启峰，姜士源，杨学红，刘 江

（1. 华北科技学院矿山安全学院，北京东燕郊 065201；2. 鄂尔多斯市昊华精煤有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017205）

0 引言

巷道围岩岩体经风氧化作用后，承载能力减弱，造成围岩稳定性控制困难，易形成重大安全隐患。 探究风氧化巷道围岩变形失稳机理，优化补强支护方案设计，是煤炭资源开采中亟须解决的难题之一。 对此，学者们进行了广泛的基础理论研究和工程实践创新。 赵启峰等对风氧化巷道变形失稳垮冒机理进行了深入研究［1］。 王崇智对风氧化带进行注浆加固控制，取得了良好的效果［2］。 鲁德丰等提出了综放工作面过风氧化带安全开采技术，并采用数值模拟进行了验证［3］。王成等提出锚杆强化控制技术和滞后注浆加固技术，有效控制巷道围岩泥化进程［4］。 李晓鹏分析了风氧化软岩巷道变形机理，提出了联合支护方案进行围岩控制［5］。 孟敏研究发现，中空锚索注浆有利于顶板岩体形成稳固支护圈，有效实现顶板稳定性控制［6］。 但是由于风氧化巷道现场环境的危险性，进行原位测试研究存在实际困难，同时，真实岩体获取、加工成模型较为困难，对此，相关学者开展了大量室内试验和模拟研究。 王杜虎利用FLAC 模拟确定了风氧化带下软岩大断面切巷的施工方法和支护工艺［7］。 师皓宇等通过对比试验提出采用马丽散对风氧化带进行间歇式注浆，取得了良好的施工效果和经济效益［8］。 罗勇等采用相似模拟分析，针对风氧化带提出了整体注浆改性技术［9］。 鄢德恒利用相似模拟等手段针对风氧化带复合顶板提出大跨度扩切眼施工技术，大幅提高施工效率［10］。 由于不同风氧化程度岩体不能由传统配比的相似材料进行表征，针对这一缺陷，本研究重新设计了材料配比，通过自主研制相似模拟平台，引入数字散斑技术、声发射监测技术，围绕不同风氧化程度巷道围岩变形失稳的差异性，进行风氧化巷道围岩变形失稳破坏实验，对失稳过程及破坏特征进行分析探究。

1 工程概况

某矿辅助运输巷属于典型的风氧化顶板突变垮冒致灾型巷道，以此巷道为原型进行相关研究。依据强度衰减、变异系数等参数对风氧化岩体变异程度进行定量评估，可以分为五种类型，即：未风氧化、微风氧化、弱风氧化、中等风氧化和强风氧化［11］。 通过现场取样和室内实验，获得风氧化巷道围岩各项力学参数，如图1 所示。

图1 煤样和岩体的物理力学参数

弱风氧化、中等风氧化、强风氧化巷道顶底板岩层力学参数变化趋势，如图2 所示。 可以看出，随着风氧化程度由弱至强，密度逐渐降低，体积模量、剪切模量、抗拉强度和粘聚力快速减小，内摩擦角逐渐减小，渗透系数和孔隙率逐渐增大。 表明随着风氧化作用加剧，岩体强度快速降低，孔隙率增大，内部裂隙发育，整体呈现松散状，遇水软化、泥化，失去承载作用。

2 相似模拟实验

2.1 实验平台

通过自主研发实验平台，对风氧化巷道变形破坏进行了相似模拟，从宏观角度分析围岩破坏的差异性。 如图3 所示，实验平台由相似模拟装置、数据采集测试系统两部分组成。 相似模拟装置采用液压伺服装置驱动上压头进行加载，同时记录压头位移、加载力等数据，加载过程中利用声发射监测系统采集声发射事件信息，利用数字散斑系统采集围岩变形信息。

图3 自研相似模拟实验平台

相似模拟以及声发射数据采集装置实物如图4 所示。

2.2 实验准备

为保证实验测试结果的准确性，对数据采集系统进行可靠性测试，获得测量误差控制范围。实验数据及误差分析见表1。 可见，传感器监测形变量与顶板位移量呈线性关系，由采样电压值进行分析计算得到位移量，与实验开挖的顶板位移量可靠对应。

表1 巷道内部位移监测传感装置综合测试数据

模型均不考虑岩土体蠕变性质，模型几何相似比为1 ∶100，容重相似比为1 ∶1.5，应力相似比为1∶150，渗透系数相似比为1∶10，时间相似比为1∶10。

该辅助运输巷宽5.0 m、高3.5 m，相似模拟模型中设置巷道尺寸为宽50 mm、高35 mm。 实验根据不同风氧化程度及不同岩层力学参数，共制作强风氧化、中等风氧化、弱风氧化3 类巷道模型。 按照由近及远的顺序开挖，单次进尺5 cm，共进行四次开挖，总进尺20 cm。 实验开始前对模型进行定焦拍摄作为参考，开始开挖后，以20 s 为间隔进行自动图像采集。 声发射监测、应变监测采用连续采集并进行数据同步存储。

2.3 结果分析

2.3.1 不同风氧化程度巷道顶板变形破坏演化过程

（1） 弱风氧化。 巷道初始开挖，受掘进扰动影响，顶板原有裂隙压密、新裂纹发育、渐进扩展。实验时间为1 min，第一次开挖完成，进尺5 cm，顶板变形量为0.14 mm。 随着顶板裂隙发育、扩展，模型内部应力作用加剧，顶板变形量骤增。 实验时间为21 min，进尺15 cm，顶板变形量增大至0.649 mm。 随着开挖进行（开挖15 cm 至20 cm），迎头位置逐渐远离监测点，监测点处顶板变形量骤增趋势减缓，变形量增速进入相对稳定平缓阶段，变形量由0.649 mm 增大至0.689 mm。 可见，弱风氧化巷道顶板的破坏过程可分为三个阶段：裂隙发育阶段、形变骤增阶段、渐进趋稳阶段。 推测成因为顶板岩体受风氧化影响不显著，承载能力未明显弱化，在一定程度上减缓了顶板急剧变形，降低了顶板变形量增速，使变形过程处于可控范畴。 渐变趋稳型顶板变形破坏过程如图5所示。

图5 弱风氧化巷道围岩变形宏观破坏特征（渐变趋稳型）

（2） 中等、强风氧化。 随着开挖进行，顶板变形破坏经过上述3 个阶段后并未趋于稳定，而是进入突变激增状态，导致顶板失去自承载能力，发生大变形突变垮冒事故，如图6 所示。

图6 中等、强风氧化程度下巷道围岩变形破坏特征（突变垮冒型）

2.3.2 巷道模型加载全过程声发射特征分析

（1） 能量特征。 如图7 所示，强风氧化、中等风氧化、弱风氧化声发信号能量值分别为8.79×104mv，1.26×104mv 和5.86×103mv，可见，相比于弱风氧化模型，强、中等程度风氧化模型声发射信号能量值显著增强，表明在失稳垮冒过程中，强、中等风氧化模型的强度高，而弱风氧化模型强度低。

图7 不同风氧化程度的声发射信号能量值统计

（2） 振铃计数特征。 如图8 所示，强风氧化振铃计数值为5.12×104，中等风氧化振铃计数值为8.41×103，弱风氧化声发信号振铃计数值为1.84×103，可见，在模型破坏过程中，强风氧化和中等风氧化模型产生的振铃事件较多，突变垮冒尺度较大，而弱风氧化模型振铃事件较少，表征突变垮冒尺度较小。

图8 不同风氧化程度的信号振铃数统计

综上，模型随着风氧化程度由弱风氧化至中等风氧化、强风氧化，声发射信号能量、振铃计数呈现也由低至高变化的特征，表明模型内部裂纹发育由梯度累积扩展逐渐转变为高强度、大尺度的增速扩展，突变垮冒。

3 不同风氧化程度巷道控制对策

针对不同风氧化程度巷道的变形破坏特征和演化规律，可采取以下对策进行补强加固：

（1） 原始未风氧化巷道顶板在原支护下可保持自身稳定，无需补强措施；

（2） 弱风氧化巷道顶板属于渐变趋稳型顶板，可在原有支护基础上，采用间歇性注浆工艺进行补强加固；

（3） 中等、强风氧化巷道顶板属于突变致灾型顶板，在原有支护基础上，采用间歇性注浆和格栅钢架锚喷联合支护进行补强加固。

4 结论

（1） 自研相似模拟实验平台进行模拟实验，发现：弱风氧化巷道顶板变形演化过程可划分为“裂隙发育、形变骤增、渐进趋稳”三阶段；中等、强风氧化程度巷道顶板变形经历上述三个阶段后进入突变激增状态，顶板发生突变失稳垮冒。

（2） 声发射信号特征与变形量特征相符，表明对不同风氧化程度巷道顶板变形演化过程阶段划分合理。

（3） 针对不同风氧化程度巷道的变形破坏特征和演化规律，提出了对应补强措施。