冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析

第29卷第2期岩土力学Vol.29No.22008年2月RockandSoilMechanicsFeb.2008收稿日期：2007-9-25基金项目：国家自然科学基金项目（No.50490270，No.50474068，No.50674085）；国家重点基础研究专项项目（No.973）（No.2005CB221504）；“十一五”国家科技支撑计划（No.2006BAK04B02，No.2006BAK03B06）；教育部新世纪优秀人才支持计划（No.NCET-06-0478）；中国矿业大学科技基金资助项目（No.2006B002）。作者简介：高明仕，男，1970年生，副教授，博士，主要从事巷道围岩控制、深部巷道冲击矿压灾害防治方面的研究工作。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598－(2008)02－359－06冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析高明仕1，窦林名1，张农1，王恺1,2，郑百生1(1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室中国矿业大学，江苏徐州，221008；2.中国煤炭工业协会，北京100083)摘要：根据巷道冲击震动破坏的原因和机理，建立了冲击矿压巷道围岩稳定性控制的强弱强（3S）结构力学模型，分析了该力学模型防冲抗震机理，在结构自身强度、应力转移和吸收、变形及能量耗散等方面分别表现出不同的3S特征，并推导得到了巷道支护体内强小结构发生冲击震动破坏的应力判据和能量准则。最后，对该模型在工程中的应用做了理论分析，提出要通过减小外界震源载荷、合理设置弱结构、提高支护强度等措施来防范巷道冲击矿压动力灾害。关键词：采矿工程；冲击矿压；巷道围岩控制；强弱强（3S）力学模型；应用分析中图分类号：TU451文献标识码：AStrong-soft-strongmechanicalmodelforcontrollingroadwaysurroundingrocksubjectedtorockburstanditsapplicationGAOMing-shi1,DOULin-ming1,ZHANGNong1,WANGKai1,2,ZHENGBai-sheng1(1.StateKeyLaboratoryofCoalResoursesandMineSafety，ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,221008,China;2.ChinaNationalCoalAssociation,Beijing100083,China)Abstract:Rockburstmayresultintremendoushazardsincoalmining,suchassuddenrooffallingorevenabruptclosingandjammingofroadway.Accordingtothemechanismofroadwaydestructionbyrockburst,astrong-soft-strong(3S)structuralmodeltopreventrockburstfromtakingplacewasestablishedandanalyzed.Theresultshowsthatthe3Sstructuralmodelhasseveralcharacters,suchasstrengthcharacterofthestructureitself,stressadjustment,waveabsorbing,deformationandanti-deformation,energyconsuming,etc..Stresscriterionandenergyruleofthesmallinnersupportstructuredestroyedbyrockburstwerededuced.Atlast,basedonthe3Smodel,theengineeringapplicationwastheoreticallydiscussed;severaltechniquessuchasdecreasingshockenergy,settingpropersoftstructure,andimprovingsupportstrengthwereputforwardtopreventroadwayfrombeingdestructedbyrockburst.Keywords:miningengineering;rockburst;roadwaysurroundingrockcontrol;strong-soft-strong(3S)mechanicalmodel;eng-ineeringapplicationanalysis1引言冲击矿压（岩爆）对矿山安全开采造成了极大的危害，通常会瞬间造成巷道冒落垮塌甚至闭合堵塞[1-4]。我国煤炭资源开采逐渐转向深部，冲击矿压发生的频次和烈度随采深增加而显著增大，因此，冲击矿压（岩爆）巷道围岩稳定性控制已成为我国矿产资源开采过程中一个急需解决的难题。针对巷道冲击矿压的震源机理，有学者进行了相关研究并取得了一定进展。文献[5]建立了煤层平巷冲击矿压的断裂损伤力学模型，分析了巷道煤壁中预存裂纹尖端产生翼型张裂纹形成薄煤层壳，薄煤层壳屈曲变形压裂失稳形成冲击矿压；文献[6]建立了煤层巷道片帮型冲击矿压的层裂板屈曲模型，认为冲击矿压是煤壁形成的层裂板结构区的局部压屈；文献[7]建立了煤岩混凝土冲击破坏的弹塑脆性模型，较好岩土力学2008年地解释了冲击矿压的发生、载荷的突变对煤岩体破坏的影响、煤岩体从流变到突变的破坏特征；文献[8]采用双状态变量本构模型，模拟了冲击地压系统的黏滑特性和冲击地压系统的动力失稳过程；文献[9]采用应变损伤模型对圆形洞室矿震的发生进行了解析分析,得到了发生矿震的洞室临界塑性区深度和临界作用力。这些研究都是针对巷道发生冲击矿压的震源机理而建立的，未对破坏机理进行解释，而且模型中未充分考虑冲击震动波与煤岩介质的相互作用，与实际情况有一定距离。本文分析了巷道冲击矿压的破坏机理，建立了基于应力波冲击效应的巷道围岩防冲抗震的强弱强（strong-soft-strong即3S）结构控制力学模型，深入研究了冲击震动波在3S结构中的传递效应，得到了巷道围岩承载体小结构在冲击载荷和高应力作用下发生破坏的应力判据和能量准则。基于该3S结构力学模型，进一步探讨了巷道围岩防冲抗震对策，为冲击倾向性（岩爆）巷道围岩稳定性控制提供了理论依据和参考价值。2巷道冲击震动破坏机理开挖造成巷道周围岩体应力重新分布，局部围岩因应力集中受到一定程度的损伤破坏，若围岩结构还没有被破坏，巷道仍可以维持一定的稳定性。当存在某种外界震源时，从震源传播而来的冲击应力波与原位应力场叠加后的应力强度大于巷道围岩体的极限承载强度，岩体平衡状态被打破，巷道围岩将瞬间破坏，或经应力波反复拉压累积损伤而破坏。另一种情况，在岩体自重和构造应力作用下巷道围岩应力场已很高（处于或接近极限状态），外界震动源传播而来的冲击震动波虽然不大，但叠加应力场高于巷道围岩体的极限承载强度引发冲击矿压灾害，因此采矿活动等震源产生的冲击震动波的传播和扰动是巷道发生冲击矿压破坏的一个很关键的因素，只要叠加后总体应力强度超过巷道围岩支护体的承载极限就会发生巷道冲击矿压震动破坏。3冲击震动巷道围岩控制的3S模型3.1建立模型冲击震源（由采矿引起的坚硬厚岩层断裂或由放炮诱发岩层移动、断裂等产生冲击应力波）距离巷道中心d处冲击应力初始值为dσ，巷道半径为r，巷道围岩承载拱厚度为ABt，巷道围岩极限强度为mσ。因巷道埋深hr，d与r之间通常也是1～2甚至更大的数量级关系，所以可以认为，冲击波传播到巷道周围时是同时到达巷道围岩小结构，这样可以将传播到巷道围岩小结构的冲击波在小结构的外表面看成均匀分布，震源产生的冲击应力波对巷道围岩的作用就可以看成正入射。为便于研究，假设围岩为均质各向同性的弹性介质、无蠕变或黏性行为、圆形断面、平面应变模型。震动应力波向巷道方向传播，先在外围相对完整岩层大结构中传递，传递到巷道围岩附近和表面的冲击应力波强度较高，有可能超过巷道围岩小结构的极限承载强度而使围岩开裂造成小结构的失稳破坏。若在外围的冲击传递区大结构和最内的支护保护区小结构之间设置一个对冲击震动波有显著消波吸能作用的弱结构，则从大结构传递来的冲击震动波经过弱结构的强散射和吸收作用，使其传递到支护小结构的应力波强度大大减弱，就有可能低于巷道支护体小结构的极限承载强度，从而维护小结构的稳定性。弱结构之外是冲击传递区大结构，围岩结构相对完整，强度较大，称之为外强结构；弱结构之内是支护体小结构，需要强化支护保持其稳定性，从而构成了冲击震动巷道围岩的3S结构力学模型，如图1所示。图1冲击震动巷道围岩稳定性控制的3S结构力学模型Fig.13Sstructuralmodelofroadway3.23S结构力学模型的应力转移及消波效应在无冲击震动状态下，由于弱结构的存在，巷道围岩周边的应力分布重新调整，径向应力和切向应力都向围岩深部转移，由图2中的曲线1和曲线2转移至弱结构外的曲线3和曲线4，使巷道周边围岩支护小结构处于应力降低区域，有利于巷道的维护和稳定。在有冲击震动发生时，由于冲击震源传递而来的强冲击应力，若没有3S结构的存在，冲击应力分布曲线如图2中的KMN所示，冲击应力虽经传递岩层的阻尼衰减，但在瞬间的冲击过程中衰减效果不明显，传递到巷道周边围岩的冲击应力波强度仍然较大。当该应力值超过围岩极限承载强度时就会造成巷道的破坏。有弱结构存在时，强Or冲击震动源dCBATTdt冲击传递区大结构(强)消波吸能区中结构(弱)h支护保护区小结构(强)360第2期高明仕等：冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析冲击应力在强、弱结构表面发生反射和透射现象，部分应力被反射回外强结构中（图2中FC），透射进入弱结构的应力幅值大大降低，并在弱结构内部再次经过散射和吸收，应力强度进一步衰减，传递到巷道围岩内强小结构上的应力就大大减弱（图2中STH），即3S结构的存在，将冲击震动应力分布曲线KMN改变为KM+STH。因此，3S结构对冲击应力波起到明显的衰减吸收效应，使巷道周边处于较低的应力场区域。而在无冲击震动状态下，该结构将巷道周边的高应力转移至深部，这对于深部高应力环境下巷道的稳定性维护同样具有显著作用。图23S结构的应力转移及消波效应Fig.2Stressadjustedandwaveabsorbedby3Sstructuresubjectedtorockburst3.33S结构模型的力学机理（1）正常情况下孔周边的应力分布由弹性力学理论可知，圆孔在1hσγ=均布应力场中，在距离巷道中心R处（Rr≥）处产生的径向应力和切向应力分别为22r221;1rrhhRRθσγσγ⎛⎞⎛⎞=−=+⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠（1）（2）震源扰动冲击应力波的影响巷道无支护时，弹性波从冲击震动源传播到巷道围岩表面，假定波在介质中传播的能量衰减指数为η，由弹性波传播理论及文献[2]试验结论中能量衰减关系式可知，此时A处由冲击应力带来的应力强度为d()Adrησσ−=−（2）巷道表面两种介质的波阻抗分别为wwvρ和kkvρ，波在巷道围岩表面产生的反射波强度和透射波强度分别为;AFAAATAAFTσσσσ==（3）式中wwkk12;;11AAAAAAvnFTnnnvρρ−===++（4）因巷道围岩表面分别为围岩和空气，式（4）中An≈∞，1AF≈−，A0T≈，巷道围岩表面A处的冲击入射波几乎全部反射为拉应力波，冲击应力波带来的应力强度就为Aσ，得到无支护巷道围岩在震源冲击下发生破坏的判据：rAσσσ+，即2d2()1rdrhRησγσ−⎛⎞−+−⎜⎟⎝⎠（5）从式（5）可以看出，巷道冲击矿压破坏的主要因素与冲击源的初始震动能量、震源距离、介质的衰减指数以及原岩应力场大小特别是埋深等因素有关。当冲击源能量越小，距离巷道越