MIDAS/GTS數(shù)值模擬技術(shù)在煤礦巷道松動(dòng)演化規(guī)律研究中的應(yīng)用

鐘祥熙

摘要：文章通過(guò)MIDAS/GTS軟件對(duì)黃陵二號(hào)煤礦回采巷道進(jìn)行模擬，得到了黃陵二號(hào)煤礦巷道松動(dòng)區(qū)的分布情況，同時(shí)對(duì)影響松動(dòng)區(qū)分布的不同因素進(jìn)行模擬研究，得到了不同因素對(duì)巷道松動(dòng)區(qū)分布的影響規(guī)律，為優(yōu)化巷道支護(hù)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)創(chuàng)造了條件，為煤炭生產(chǎn)提供有效的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：MIDAS/GTS軟件；數(shù)值模擬技術(shù)；煤礦巷道；巷道松動(dòng)；演化規(guī)律 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：P642 文章編號(hào)：1009-2374（2016）05-0143-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.072

1 概況

陜西黃陵二號(hào)煤礦位于陜西省黃陵縣雙龍鎮(zhèn)，井田面積351.9km2，礦井核定生產(chǎn)能力800萬(wàn)噸/年。礦井采用斜井開拓，單水平、分盤區(qū)開采，主要大巷沿煤層布置。采煤工藝為綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁采煤法開采，全部垮落法管理頂板。目前開采的2號(hào)煤層層位穩(wěn)定，厚度3～5.6m，規(guī)律性明顯；煤層偽頂厚度較薄，一般0.50m左右，多為泥巖和炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖；直接頂板以粉砂巖、細(xì)粒砂巖為主，厚度0.78～23.48m，一般厚度為1.50～8.00m左右；老頂以灰白色-淺灰白色中-細(xì)粒砂巖為主（即K2標(biāo)志層）。厚度1.00～34.20m，一般5.0～10.0m；直接底板幾乎全部為泥巖、砂質(zhì)泥巖，少量炭質(zhì)泥巖，含植物根系化石，遇水膨脹，厚度0.50～9.43m，一般厚度1.0～2.0m。

2 試驗(yàn)材料相關(guān)力學(xué)參數(shù)

黃陵二號(hào)煤礦回采巷道所處地層條件一般是：直接頂板為砂巖，巷道位于煤層之中，巷道底板為泥巖，具體材料力學(xué)參數(shù)如表1所示：

3 邊界條件和加載模式

計(jì)算模型按面力邊界條件設(shè)置，如圖1所示。二號(hào)煤礦巷道埋深為450m，故取上覆巖層荷載為11250kN/m2。巷道既有錨索支護(hù)排距為1.6m。模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示，巷道部分單元長(zhǎng)度取1m，其他部分單元長(zhǎng)度可適當(dāng)取大，以便減小計(jì)算量，節(jié)約計(jì)算時(shí)間。

4 模擬過(guò)程及結(jié)果分析

4.1 模擬過(guò)程

模擬計(jì)算分兩部分：第一部分是在重力作用下，模擬固結(jié)過(guò)程；第二部分是在前一步基礎(chǔ)上，利用“殺死”巷道單元來(lái)模擬開挖，共分為六步開挖。模擬分為有支護(hù)和無(wú)支護(hù)兩種，以對(duì)比分析現(xiàn)有支護(hù)的作用。為體現(xiàn)巷道開挖過(guò)程中的空間效應(yīng)，取y=5m截面為觀測(cè)面，隨巷道開挖過(guò)程可得距離工作面正頭5m、15m、25m、35m、45m、55m時(shí)觀測(cè)面的位移變化情況和松動(dòng)區(qū)分布。

4.2 結(jié)果分析

有支護(hù)作用時(shí)，根據(jù)觀測(cè)面位移結(jié)果云圖可知，巷道豎向位移為頂板中央處最大。巷道頂板最大下沉量和距工作面正頭的距離的關(guān)系如圖3中曲線所示。

動(dòng)區(qū)分布圖

如圖4可見(jiàn)，距離隨著工作面正頭的向前推進(jìn)，端部效應(yīng)逐漸減弱，巷道圍巖的頂板下沉量逐漸增大。但可以看出，當(dāng)觀測(cè)截面與工作面正頭距離在15m以內(nèi)時(shí)頂板下沉量增加明顯，當(dāng)大于15m時(shí)頂板沉降逐漸趨于平穩(wěn)，可以得出工作面正頭的端部效應(yīng)影響范圍小于15m。

如圖3和圖4可知，由于巷道處于煤層中，模擬結(jié)果顯示在既有支護(hù)方式下，巷道圍巖松動(dòng)范圍大小為2.68m。工作面正頭端部效應(yīng)對(duì)巷道松動(dòng)區(qū)分布的影響效果和對(duì)頂板沉降的影響效果類似，當(dāng)工作面正頭推進(jìn)距離大于15m時(shí)，松動(dòng)區(qū)分布趨于平穩(wěn)，不再擴(kuò)大，如圖5所示。

在無(wú)支護(hù)的情況下，巷道圍巖松動(dòng)圈如圖6所示。由圖6可知，在無(wú)支護(hù)情況下，巷道松動(dòng)圈有明顯增大，最大松動(dòng)范圍達(dá)3.51m，并且在兩幫和頂部的變形明顯增加。由此可見(jiàn)現(xiàn)有支護(hù)措施是有效的，對(duì)限制松動(dòng)圈的發(fā)展有積極作用。

5 應(yīng)力集中區(qū)域松動(dòng)圈模擬

巷道相交處由于形狀不均勻，會(huì)形成應(yīng)力集中區(qū)域，因此此處更易破壞。以此對(duì)巷道交點(diǎn)處進(jìn)行三維建模模擬，以得到松動(dòng)圈分布，計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。

為方便看出巷道拐角（應(yīng)力集中）處松動(dòng)圈大小，對(duì)模型進(jìn)行對(duì)角線剖切，從剖切面圖可以看出，其松動(dòng)圈的大小如圖9所示。

由圖10可以看出，應(yīng)力集中區(qū)松動(dòng)圈明顯較巷道松動(dòng)圈大，其最大值約為3.4m，因此應(yīng)對(duì)巷道拐角等應(yīng)力集中區(qū)加強(qiáng)支護(hù)，保證安全。

6 不同巖性對(duì)松動(dòng)區(qū)的影響

為了表現(xiàn)巷道不同區(qū)域巖性差異導(dǎo)致的松動(dòng)區(qū)范圍差異，可以通過(guò)改變圍巖的不同參數(shù)，得到其影響結(jié)果。

一般來(lái)說(shuō)，巖體具有高的抗壓強(qiáng)度和極低的抗拉、抗剪強(qiáng)度，結(jié)合摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則單軸抗壓強(qiáng)度表達(dá)式。（式中：為內(nèi)摩擦角；為黏聚力）可以發(fā)現(xiàn)，只需具體研究?jī)?nèi)摩擦角及粘聚力各自變化時(shí)的影響就行了。下面分別模擬研究?jī)?nèi)摩擦角、黏聚力、巷道高度變化對(duì)松動(dòng)圈的影響。在模擬過(guò)程中，在此可以不考慮模型空間效應(yīng)，故采用簡(jiǎn)化的二維模型來(lái)計(jì)算，以此減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。二維簡(jiǎn)化模型如圖11所示：

6.1 內(nèi)摩擦角對(duì)松動(dòng)范圍的影響

當(dāng)巷道圍巖較為破碎時(shí)，可以表現(xiàn)為圍巖內(nèi)摩擦角變小。內(nèi)摩擦角在力學(xué)上可以理解為塊體在斜面上的臨界自穩(wěn)角，在這個(gè)角度內(nèi)，塊體是穩(wěn)定的：大于這個(gè)角度，塊體就會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)。具體到工程上，巖體內(nèi)摩擦角很大程度上表征了巖體的完整性，是評(píng)價(jià)巖體強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一。在黏聚力一定時(shí)，內(nèi)摩擦角越小，巖體強(qiáng)度越高，反之強(qiáng)度越低。

為了計(jì)算結(jié)果具有可比性，模型參數(shù)只改變摩擦角φ值，其他參數(shù)取值不變。分別對(duì)變化量為±2°、±4°、±8°進(jìn)行模擬計(jì)算，從模擬計(jì)算結(jié)果上可知：松動(dòng)區(qū)分布明顯都隨內(nèi)摩擦角增大而減小，且都集中在兩幫和底腳，并且巷道的豎向位移也隨著內(nèi)摩擦角的增大而減小。為進(jìn)一步研究摩擦角變化與松動(dòng)區(qū)厚度值變化的關(guān)系，將模擬結(jié)果用折線圖表示如圖12所示，頂板下沉與摩擦角關(guān)系如圖13所示。

由折線圖12、圖13可知，同等條件下，巖體開挖后松動(dòng)圈范圍隨巖體內(nèi)摩擦角增大而減小，且摩擦角較小時(shí)，松動(dòng)區(qū)范圍隨摩擦角增大而減小較為明顯。即圍巖完整性越好，巷道松動(dòng)圈越小。這就需要我們?cè)谙锏谰蜻M(jìn)過(guò)程中能夠充分地保護(hù)圍巖的完整性，發(fā)揮其自承能力。巷道頂板下沉量也遵循此規(guī)律。

6.2 黏聚力對(duì)松動(dòng)范圍的影響

黏聚力原本是用于評(píng)價(jià)黏性土強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)，但顯然天然的巖體也具有土體相類似的性質(zhì)，巖體黏聚力的大小表征了構(gòu)成巖體各礦物成分及各結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)強(qiáng)弱，因此黏聚力也通常作為巖體質(zhì)量等級(jí)劃分的一個(gè)重要指標(biāo)被考慮。

在巷道不同區(qū)域，圍巖質(zhì)量也有差異，如對(duì)于巷道頂板而言，粉砂巖與細(xì)砂巖的黏聚力就有很大差異，其黏聚力對(duì)松動(dòng)圈范圍影響明顯。

為了研究黏聚力C對(duì)松動(dòng)圈厚度的影響，在不改變其他參數(shù)的情況下，對(duì)總體底層的黏聚力進(jìn)行變化以對(duì)比研究。為此取C變化值為±0.5MPa、±1MPa、±1.5MPa進(jìn)行模擬。從模擬結(jié)果中可以看出，隨著黏聚力增大，巷道的松動(dòng)區(qū)逐漸減小，同時(shí)巷道豎向位移也呈減小趨勢(shì)。為進(jìn)一步研究黏聚力變化與松動(dòng)區(qū)厚度值變化的關(guān)系，將模擬結(jié)果用曲線圖表示，如圖14所示。

圖14 內(nèi)聚力變化對(duì)松動(dòng)區(qū)

的影響 圖15 內(nèi)聚力變化對(duì)頂板沉降量的影響

由圖15可以看出，同等條件下，巖體開挖后松動(dòng)圈厚度隨巖體黏聚力強(qiáng)度增大而減小。同時(shí)由于巖石強(qiáng)度的增高，頂板下沉量也同步減小。

6.3 巷道高度對(duì)松動(dòng)范圍的影響

為研究巷道高度對(duì)松動(dòng)區(qū)的影響，在巷道跨度（5m）不變的情況下，分別改變巷道的高度為5m、4.5m、4m、3.5m，使其跨高比分別為1.0、1.11、1.25、1.43，以此對(duì)比分析巷道高度的影響。

從模擬計(jì)算中可知，在跨度不變的情況下，增大跨高比（即減小巷道高度）時(shí)，巷道松動(dòng)區(qū)會(huì)逐漸減小，巷道頂板沉降也逐漸減少。

為了更形象地體現(xiàn)巷道高度對(duì)松動(dòng)區(qū)分布的影響，根據(jù)模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)繪出高跨比與松動(dòng)區(qū)范圍和頂板沉降量的關(guān)系圖，如圖16所示。

由圖16可以看出，跨度不變時(shí)，減小巷道的高度，可以減少巷道松動(dòng)區(qū)范圍，同時(shí)減少巷道的豎向位移。

7 結(jié)語(yǔ)

（1）模擬得到，在現(xiàn)行支護(hù)條件下，巷道圍巖松動(dòng)范圍大小為2.68m，基本上與實(shí)測(cè)結(jié)果相似。由于模擬過(guò)程參數(shù)選取條件存在的局限性，以數(shù)值模擬結(jié)果作參考，進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果是必要的。模擬的巷道圍巖松動(dòng)范圍與實(shí)測(cè)結(jié)果存在差異是客觀的，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整，再模擬分析得到的內(nèi)摩擦角、黏聚力和巷道高度對(duì)巷道圍巖松動(dòng)范圍的影響將使模擬分析更具有效性和可應(yīng)用性。（2）在未支護(hù)條件下，巷道圍巖松動(dòng)圈明顯增大，范圍大小約為3.51m。可見(jiàn)現(xiàn)有支護(hù)措施是有效的，限制了松動(dòng)圈的發(fā)展。（3）應(yīng)力集中區(qū)松動(dòng)圈明顯較巷道松動(dòng)圈大，其最大值約為3.4m，因此應(yīng)對(duì)巷道拐角等應(yīng)力集中區(qū)加強(qiáng)支護(hù)，保證安全。（4）巷道掘進(jìn)過(guò)程中，由于工作面端部效應(yīng)而受到影響的范圍在15m以內(nèi)，即當(dāng)工作面推進(jìn)到離巷道某測(cè)點(diǎn)斷面大于15m時(shí)巷道的應(yīng)力和位移狀態(tài)已趨于穩(wěn)定。（5）不同巖石性質(zhì)的不同，內(nèi)摩擦角值的影響：同等條件下，地下巷道開挖后形成的松動(dòng)區(qū)的厚度值隨摩擦角增大而減小，且摩擦角較小時(shí)，松動(dòng)區(qū)厚度隨摩擦角值增大而減小較為明顯。（6）黏聚力強(qiáng)度c值的影響：同等條件下，巷道開挖后形成的松動(dòng)區(qū)厚度值隨黏聚力強(qiáng)度值增大而減小。屈服區(qū)以剪切屈服為主，拉伸屈服只發(fā)生在銅室壁很小范圍內(nèi)。（7）在巷道跨度不變的情況下，減小巷道高度，即增大跨高比，將會(huì)使巷道開挖的松動(dòng)區(qū)厚度值減小。

（責(zé)任編輯：蔣建華）