多孔洞试件充填强化的力学特性与失稳模式_辛亚军.pdf

第 42 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.42No.2Mar.2023JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）河南理工大学学报（自然科学版）多孔洞试件充填强化的力学特性与失稳模式辛亚军1，2，董帅1，姬红英3，王宇1，杨俊鹏1（1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.河南理工大学 煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454000；3.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000）摘要：为探讨矿山巷道围岩钻孔卸压后充填强化的承载特性，基于多孔洞试件应力分布与裂纹发展形态分析，在实验室利用刚性试验机对 2组 8个多孔洞试件进行单轴压缩力学试验，确立充填前后多孔洞试件破坏形态与失稳模式。结果表明：多孔洞试件内部自由面增多，应力集中重叠明显，孔洞周边起裂明显；孔洞数越多，多孔洞试件强度越小，但充填后强度均得到强化，提高了 3.37%16.78%；在充填体强度低于多孔洞基体强度下，充填前后多孔洞试件的轴向变形随孔洞数增加而减小，相对于无充填试件，孔洞越少，充填试件变形越小；充填试件破坏路径分为沿弱胶结面破坏和沿充填体撕裂破坏，充填与无充填试件分别呈曲线自主与块体供向失稳。研究结果可为深部巷道卸压孔洞围岩充填参数选择提供理论参考。关键词：多孔洞试件；充填强化；多孔成线；失稳模式中图分类号：TU452文献标志码：A文章编号：1673-9787（2023）2-144-9Mechanical properties and instability mode of multi-hole cement specimens strengthened by fillingXIN Yajun1，2，DONG Shuai1，JI Hongying3，WANG Yu1，YANG Junpeng1（1.School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，Henan，China；2.Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，Henan，China；3.Institute of Resources and Environment，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，Henan，China）Abstract：For discovering bearing characteristics on filling reinforced surrounding rock in mining gateway after borehole pressure relief，uniaxial compression mechanical tests were operated on two groups of eight multi-hole specimens by rigid testing machine on the basis of analysis on stress distribution and crack development of multi-hole specimen.Instability modes and failure forms of multi-hole specimens before and after being filled were determined.The results showed that，free surface increased in multi-hole specimens，stress concentrated and overlapped obviously，and cracking around hole was obvious.The more the hole 辛亚军，董帅，姬红英，等.多孔洞试件充填强化的力学特性与失稳模式 J.河南理工大学学报（自然科学版），2023，42（2）：144-152.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021010090XIN Y J，DONG S，JI H Y，et al.Mechanical properties and instability mode of multi-hole cement specimens strengthened by filling J.Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2023，42（2）：144-152.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021010090收稿日期：2021-01-19；修回日期：2021-06-08基金项目：国家自然科学基金资助项目（51174078，51374091）；河南省科技攻关计划项目（172102310639）；新疆维吾尔自治区区域协同创新项目（2017E0209）；深井瓦斯抽采与围岩控制技术国家地方联合工程实验室开放基金资助项目（SJF201801）第一作者简介：辛亚军（1974），男，河南许昌人，博士，副教授，主要从事矿山压力与岩层控制方面的教学和研究工作。Email：通讯作者简介：姬红英（1977），女，河南焦作人，博士，副教授，主要从事水岩交互与水文地质方面的教学和研究工作。Email：O S I D第 2 期辛亚军，等：多孔洞试件充填强化的力学特性与失稳模式number was，the smaller the strength of multi-hole specimen was，while the strength of filled specimen was higher than the no-filled one，the strengthen ranges were 3.37%16.78%.When filling material strength was less than multi-hole specimen，axial deformation of filled multi-hole specimen decreased with hole number increasing.Compared with the no-filled specimen，the less hole number was，the smaller the deformation of filled specimen was.Failure ways of filled specimen was divided into two types：the failures along weak bonding surface and along filled mass，and the filled and no-filled specimens showed respectively curve free instability and block directional one.The research results could provide reference for the filling parameter selection of relief-pressure hole in deep gateway surrounding rock.Key words：multi-hole specimen；filling strengthening；porous line；instability mode0引言随着煤矿开采向深部逐渐延伸，巷道围岩受到的应力越来越大，钻孔卸压已经成为深部巷道围岩控制的主要手段。由于钻孔卸压作用，围岩强度降低，承载力衰减，对钻孔进行充填强化有利于提高围岩强度，可实现深部巷道围岩的长期稳定1-2。孔洞围岩力学特性复杂，在实验室多以孔洞试件进行研究.张闯等3探讨了孔洞数量及孔径对大理岩力学特性的影响，分析了孔洞对大理岩损伤裂纹空间分布特征的影响；左江江等4研究了充填物对含孔洞岩石的力学特性及变形破坏特征的影响规律；汪亦显等5研究了含孔洞缺陷类岩体在单轴加载条件下裂缝萌生、扩展、演化及贯通过程，将试件破坏模式分为劈裂破坏和剪切破坏；朱谭谭等6对预制双圆形孔洞板状砂岩试样进行了室内单轴压缩试验，研究了孔心距和倾角对砂岩强度、变形特征和破裂演化过程的影响。工程应用方面，破碎岩体加固注浆力学特性与实际现场对接应用7-9也得到了发展。针对软弱矿体中穿脉巷与上盘巷道围岩整体失稳特点，提出了深浅孔与高低压耦合注浆技术10-11，实现了现场巷道采用 P-Q-t参数法对破碎围岩注浆加固效果进行综合评价12，此外还有许多在巷道现场取样送回实验室进行钻孔卸压的研究13-15。可以看出，已有研究主要集中在注浆浆体进入破碎围岩后产生的效果分析与理论技术方面16-17，由于充填体裂隙发展复杂18，对于钻孔充填后围岩强化还有待深入研究，而对于多孔洞围岩充填强化更需要进一步探索。基于不同充填材料对多孔洞试件充填强化的影响，本文通过对多孔洞水泥石强度衰减特征与充填强化机理分析，在实验室利用刚性试验机，对2组 8个水泥石试件进行单轴压缩试验，研究多孔洞水泥石试件充填前后强度强化与变形特征，分析充填多孔洞水泥石试件破坏路径与强度强化关系，探讨充填前后水泥石试件破坏形态与失稳模式，以期为深部巷道围岩钻孔卸压后的充填强化承载提供参考。1多孔洞试件基本特征1.1应力叠加分布工程中结构体孔洞是造成自身强度降低的重要因素，由于孔洞应力集中现象，轴向应力作用下，多孔洞试件周边应力分布差异较大。对角线多孔洞水泥石试件在轴向力作用下，内部孔洞周边应力形成垂直压缩与水平拉伸状态，且水平拉伸应力大于垂直压缩应力。由于黏结面减少，水平拉伸应力达到起裂应力时，试件内部沿对角线方向极易发生胶结结构面破坏，多孔洞试件就会沿弱结构面发生破坏失稳（图 1）。为较好表达多孔洞试件孔洞数与孔洞壁面应力分布关系，引入应力影响因子（应力影响因子越大，应力变化越大）表示多孔洞周围应力，=q(1-2cos 2)w，（1）式中：为孔壁环向应力；q为轴向载荷；w为应力影响因子。由于应力影响因子与孔洞数成反比，引入孔图 1多孔洞水泥试件应力分布Fig.1Stress distributions of cavity cement specimens1452023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）洞数影响系数，w=kN，（2）式中：k为孔洞数影响系数；N为孔洞数。多孔洞试件周围应力分布方程为=q(1-2cos 2)kN。（3）受力破坏时，完整试件内部沿着胶结结构面崩解、黏结力失效，主控破坏面多分布在内摩擦角方向上，宏观表现为强度较高。在内摩擦角附近的弱面结构上，对角线多孔洞试件的孔洞出现导致胶结结构面接触的面积减少，自由面分布增大，宏观表现为强度较低，如图 2所示。孔洞越多，自由面越大，试件越易失稳、破坏。1.2裂纹扩展形态一般情况下，在压应力场下孔洞缺陷周边的破裂演化包含主拉、正剪、次生拉和倾斜剪裂纹产生19。对于多孔洞试件，依据轴向载荷下孔洞周边应力分布的基本规律，在孔洞不影响或较小影响试件强度时，孔洞周边一般没有裂纹出现，裂纹主要为远离孔洞位置的垂直压缩裂纹，表现为裂纹增长、扩展至最后贯穿。试件孔洞越多，产生的自由面越多，试件失稳沿垂直与剪切方向胶结面越小的位置发展，即孔洞水泥石试件主裂纹方向上，孔洞（自由面）越多，胶结面越小，孔周围起裂越多，越容易发生失稳。1.3不同孔径边界效应利用 ANSYS18.1建立三维有限元模型，采用D-P 准则，分析不同孔径多孔洞水泥石试件塑性变形特征，模拟塑性