人工調(diào)控圍巖防沖減振數(shù)值研究

徐連滿,潘一山,李忠華,李國臻,曾祥華

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新 123000)

人工調(diào)控圍巖防沖減振數(shù)值研究

徐連滿,潘一山,李忠華,李國臻,曾祥華

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新 123000)

煤礦沖擊地壓產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力波由圍巖介質(zhì)向巷道表面?zhèn)鞑?強(qiáng)烈應(yīng)力波作用致使支護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞甚至失效。采用水力割縫、爆破、錨固以及注漿等人工調(diào)控技術(shù),改變巷道附近圍巖體物理力學(xué)性質(zhì),形成不同強(qiáng)度的層狀結(jié)構(gòu),使其成為優(yōu)良耗能體,增強(qiáng)衰減和散射沖擊應(yīng)力波能力,進(jìn)而減少對支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞。利用ANSYS/LS-DYNA非線性顯式動力學(xué)有限元程序,模擬5種不同人工調(diào)控結(jié)構(gòu)類型對耗散沖擊應(yīng)力波的影響。研究結(jié)果表明:當(dāng)巷道附近圍巖結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度均勻時,其耗能性能較弱,沖擊應(yīng)力波作用使得巷道劇烈振動,支護(hù)結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)烈沖擊力作用容易發(fā)生破壞;采用人工調(diào)控技術(shù)手段,圍巖體形成不同強(qiáng)度的層狀結(jié)構(gòu),具有較強(qiáng)的耗散沖擊能作用,大幅度降低沖擊應(yīng)力波振動頻率和幅值,支護(hù)結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊作用力明顯降低,整體穩(wěn)定性得到提高。人工調(diào)控圍巖技術(shù)可有效降低沖擊地壓的振動作用和沖擊應(yīng)力波的強(qiáng)度。

人工調(diào)控;支護(hù)圍巖;防沖減振;沖擊應(yīng)力波;耗能

煤礦沖擊型動力災(zāi)害是采礦工程主要災(zāi)害之一,隨著煤炭資源開采深度的日趨增加,沖擊型動力災(zāi)害發(fā)生頻次和破壞程度也愈加強(qiáng)烈,釋放更大的沖擊能。沖擊能以沖擊波的形式向外釋放,在沖擊波作用下,煤巖介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈震動,造成巷道片幫、冒頂和垮塌,支護(hù)結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)[1],機(jī)械設(shè)備傾翻、破壞,甚至人員傷亡等事故,嚴(yán)重影響煤炭資源安全生產(chǎn)和人民生命安全。

目前的支護(hù)理論主要從靜力學(xué)角度考慮,通過提高圍巖和支護(hù)體強(qiáng)度,約束圍巖變形,改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)[2-4]。隨著采深增大,動力災(zāi)害形成的高強(qiáng)沖擊荷載,沿著煤巖體傳播到巷道支護(hù),強(qiáng)烈的沖擊載荷遠(yuǎn)高于支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大工作阻力[5-7],致使支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞,并引起巷道高速振動,最終導(dǎo)致支架失穩(wěn)破壞、巷道坍塌、人員傷亡。

巷道圍巖中的破碎煤巖體,是一種復(fù)雜的非平衡態(tài)能量耗散體系[8],具有散射、吸收以及延時沖擊波的性能,可降低沖擊波的振幅,及質(zhì)點(diǎn)振動速度。因此破碎煤巖體可使沖擊波作用在支架上的速度減緩,幅值減低,消耗沖擊能,降低沖擊波對支架的沖擊強(qiáng)度,起到耗能防沖作用。本文從圍巖自身耗能防沖特性角度考慮,采用水力割縫、錨固以及注漿等人工技術(shù)調(diào)控圍巖物理力學(xué)性質(zhì),使圍巖具有更強(qiáng)的吸能耗能能力,大幅增強(qiáng)圍巖的防沖能力,降低沖擊波對巷道支架的沖擊破壞,減小甚至避免沖擊地壓對巷道的破壞。

1 巷道圍巖耗能防沖機(jī)理

1.1 圍巖對沖擊波的衰減與耗散

(1)圍巖破碎煤巖體耗能。

塑性破碎區(qū)煤巖塊體組成的耗能結(jié)構(gòu),在高速沖擊載荷作用下,被壓縮并發(fā)生塑性變形,吸收大量沖擊能[9],并可在空間上散射沖擊波,降低局部沖擊波的強(qiáng)度[10]。塑性破碎區(qū)煤巖耗能結(jié)構(gòu)的耗能大致可分為以下幾個方面:空間散射耗能E1,沖擊波在低強(qiáng)度塑性破碎區(qū)煤巖體中傳播,將向周圍空間散射,在空間上不斷擴(kuò)展,降低沖擊強(qiáng)度[11];塊體松散作用耗能E2,沖擊波通過塑性破碎區(qū)煤巖體介質(zhì)傳播過程中,時間效應(yīng)導(dǎo)致波幅衰減,波速減低,介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動速度降低,質(zhì)點(diǎn)振動周期增大;塑性破碎區(qū)煤巖塊體旋轉(zhuǎn)耗能E3,在沖擊波作用下,塑性破碎區(qū)煤巖塊體會發(fā)生旋轉(zhuǎn),將部分沖擊能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動能E3。

(2)沖擊波在圍巖中反射耗能。

巷道附近圍巖在支護(hù)阻力及地應(yīng)力作用下,會形成不同強(qiáng)度的區(qū)域,這些區(qū)域中的煤巖介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)及密度不同,由于介質(zhì)波阻抗不匹配,沖擊波便會在這些區(qū)域的交界面產(chǎn)生透反射現(xiàn)象[12-14]。當(dāng)沖擊波從塑性破碎區(qū)傳入彈性區(qū)時,將產(chǎn)生反射現(xiàn)象,透射過去的沖擊波峰值將減小,其波形也將產(chǎn)生彌散,即削弱了向巷道中傳遞的沖擊波的能量,沖擊波反射耗能為E4。

根據(jù)以上分析可知,圍巖中破碎煤巖塊體組成的耗能體系的耗能總量為

1.2 圍巖耗能防沖機(jī)理

沖擊型動力災(zāi)害發(fā)生時,進(jìn)入到塑性區(qū)的能量為E,這部分能量將轉(zhuǎn)化為煤巖體動能Ek、儲存于煤巖體中的彈性勢能Ep和圍巖耗散的能量Ed,其中動能和彈性勢能將沿著圍巖傳遞到巷道表面,并作用于支架上,根據(jù)能量守恒原理可知:

由上式可以看出,要降低沖擊波作用在支架上的沖擊載荷,必須增大圍巖的耗能Ed?？刹捎盟Ω羁p、錨固以及注漿等人工調(diào)控圍巖技術(shù),對圍巖進(jìn)行人工調(diào)控,使圍巖部分區(qū)域破碎以降低其強(qiáng)度,形成高低強(qiáng)度交替的圍巖區(qū)域,增加圍巖的耗能Ed,從而降低沖擊波作用在支護(hù)上的載荷,保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,提高巷道的安全性能。

2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

采用顯式動力有限元分析程序ANSYS/LSDYNA進(jìn)行數(shù)值模擬研究。為研究圍巖的防沖減振性能,建立40 m×40 m×6 m模型,利用結(jié)構(gòu)的對稱性取1/2模型計(jì)算。為簡化計(jì)算,模型假設(shè)為連續(xù)、各向同性的均質(zhì)煤巖體,模型邊界設(shè)為無反射邊界條件,在煤巖體模型中間位置建立半徑2 m的巷道,沖擊源采用炸藥爆炸產(chǎn)生的高強(qiáng)沖擊波,模擬一次強(qiáng)沖的災(zāi)害性沖擊地壓,沖擊源釋放的能量高達(dá)56 MJ,距離巷道15 m。在支護(hù)左右兩側(cè)及上方布置3個測點(diǎn),在沖擊源處布置1個測點(diǎn),共計(jì)4個監(jiān)測點(diǎn),建立模型尺寸及測點(diǎn)如圖1所示,有限元模型如圖2所示。

炸藥單元選用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型,用JWL狀態(tài)方程描述爆炸過程壓力、內(nèi)能及相

圖1 模型尺寸及測點(diǎn)示意Fig.1 Size and measuring points schematic diagram of the model

圖2 有限元模型Fig.2 The finite element model

對體積的關(guān)系,對炸藥采用ALE算法。煤巖體及支護(hù)結(jié)構(gòu)選用塑性動力學(xué)模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型[15],各材料力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)取值Table 1 Material parameter values

巷道內(nèi)采用金屬支架支護(hù),巷道圍巖分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ共4個區(qū)域,通過改變各區(qū)域煤巖的物理力學(xué)參數(shù),模擬人工調(diào)控后具有防沖耗能減振功能的圍巖。本文模擬5種不同性質(zhì)的圍巖,進(jìn)行對比分析,研究在不同性質(zhì)的耗能減振圍巖條件下,沖擊波對巷道支護(hù)的沖擊壓力及對巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)振動情況,這5種條件分別為

(1)Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ區(qū)煤巖體均為巖性完整,無破碎的圍巖。

(2)Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ區(qū)煤巖體均為使用人工技術(shù)完全破碎的圍巖。

(3)Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ區(qū)煤巖完整無破碎,Ⅰ區(qū)采用人工技術(shù)破碎的圍巖。

(4)Ⅲ,Ⅳ區(qū)煤巖完整無破碎,Ⅰ,Ⅱ區(qū)采用人工技術(shù)破碎的圍巖。

(5)Ⅱ,Ⅳ區(qū)煤巖完整無破碎,Ⅰ,Ⅲ區(qū)采用人工技術(shù)破碎的圍巖,形成軟硬層交替的圍巖。

為了實(shí)現(xiàn)以上數(shù)值模擬的5種條件下的圍巖結(jié)構(gòu),可利用錨桿錨索錨固、注漿錨固、水力割縫以及毫秒爆破等人工調(diào)控技術(shù)進(jìn)行調(diào)控,具體實(shí)施方式為:首先對巷道附近塑性區(qū)圍巖采用全長注漿錨桿錨索錨固等圍巖加固技術(shù)進(jìn)行加固,使其峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度接近甚至超過原巖應(yīng)力區(qū)無破損煤巖體強(qiáng)度[16-17],實(shí)現(xiàn)條件1的圍巖狀態(tài);在條件1的圍巖加固基礎(chǔ)上,采用深孔毫秒爆破或水力割縫技術(shù),對巷道圍巖深處Ⅰ,Ⅱ區(qū)進(jìn)行爆破或水力破碎,可實(shí)現(xiàn)巷道圍巖內(nèi)部深處煤巖體破碎,巷道附近圍巖由于在注漿錨桿錨索等作用下,整體近似于無破碎煤巖體,實(shí)現(xiàn)條件3,4的圍巖狀態(tài);在條件1的圍巖加固基礎(chǔ)上,采用深孔毫秒爆破或水力割縫技術(shù),對巷道圍巖深處Ⅰ區(qū)進(jìn)行爆破或水力破碎,采用水力割縫技術(shù),對巷道圍巖深處Ⅲ區(qū)進(jìn)行水力破碎,Ⅱ,Ⅳ區(qū)在注漿錨錨索等作用下,視為完整區(qū),實(shí)現(xiàn)條件5的圍巖狀態(tài);采用深孔毫秒爆破技術(shù),可實(shí)現(xiàn)條件2的圍巖狀態(tài)。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 沖擊壓力的衰減

沖擊源處4號測點(diǎn)的沖擊壓力如圖3所示,爆炸產(chǎn)生的沖擊波為一脈沖波,可將其等效為沖擊型動力災(zāi)害的沖擊源,其沖擊壓力峰值為369.22 MPa。

圖3 4號測點(diǎn)壓力-時程曲線Fig.3 The pressure-time curve of the No.4 measuring point

不同圍巖結(jié)構(gòu)條件下,沖擊波對巷道金屬支護(hù)1～3號測點(diǎn)的沖擊壓力峰值以及沖擊力經(jīng)圍巖煤巖介質(zhì)衰減后的衰減率(沖擊源處沖擊壓力峰值與作用于巷道圍巖金屬支護(hù)沖擊壓力最大值的比值)見表2,1號測點(diǎn)的沖擊壓力時程曲線,如圖4所示。

從模擬結(jié)果可以看出,在第1種實(shí)驗(yàn)條件下,沖擊源處沖擊壓力經(jīng)無破碎煤巖體傳遞到巷道支架上,対支架產(chǎn)生沖擊較大,靠近沖擊源的1號測點(diǎn)沖擊壓力最大值高達(dá)156.34 MPa,該時刻巷道周圍圍巖與支架受到的沖擊壓力云圖如圖5(a)所示,支架3個測點(diǎn)的最大沖擊壓力值基本接近,遠(yuǎn)高于支架的額定工作阻力。從中可見,煤巖體可耗散部分沖擊能,經(jīng)無破損煤巖介質(zhì)的耗散作用,最大沖擊壓力降低了約58%。從圖4(a)中可以看出,經(jīng)過圍巖體的耗散,沖擊源處脈沖沖擊波到達(dá)支架時,已經(jīng)衰減成應(yīng)力波,但殘余的沖擊壓力仍然較大,且反復(fù)拉壓,破壞支架,不能滿足巷道防沖要求。

表2 巷道支護(hù)測點(diǎn)壓力峰值及沖擊壓力衰減率Table 2 Peak pressure and impact pressure attenuation rate of the measuring points

圖4 1號測點(diǎn)壓力-時程曲線Fig.4 The pressure-time curves of the No.1 measuring point

圖5 巷道附近圍巖與支架壓力云圖Fig.5 Pressure cloud images of the stent and the surrounding rock near roadway

在第2種實(shí)驗(yàn)條件下,1號測點(diǎn)沖擊壓力最大值高達(dá)176.31 MPa,而2,3號測點(diǎn)沖擊壓力最大值僅為56.24 MPa和33.30 MPa,3個測點(diǎn)的沖擊壓力值相差很大,該時刻巷道周圍圍巖與支架受到的沖擊壓力云圖如圖5(b)所示,可以看出,靠近沖擊源處的支架壓力很大。由此可見低強(qiáng)度破碎煤巖體雖然能夠降低支架部分位置的沖擊壓力,但是由于破碎煤巖體的承載能力較低,且具有一定的流動性,不能在支架外圍有效的分散沖擊壓力,導(dǎo)致距沖擊源最近的1號測點(diǎn)處壓力過大,所以使用錨桿對巷道表面圍巖進(jìn)行加固,對防沖支護(hù)結(jié)構(gòu)來說是十分必要的[10]。從圖4(b)可以看出,沖擊壓力到達(dá)支架的時間較第1種條件要延后15 ms左右,且只有一個大的壓力峰值,說明破碎煤巖體可降低沖擊波的傳播速度,吸收部分沖擊能,降低沖擊壓力反復(fù)作用于支架的頻率,但1號測點(diǎn)沖擊壓力值過大,將破壞支架,損壞巷道。

從第3,4種條件下模擬結(jié)果對比可以看出,圍巖內(nèi)部存在破碎區(qū)域時,支架受到?jīng)_擊壓力大幅降低,沖擊壓力值最大的1號測點(diǎn)處,較1,2兩種條件下支架受到的最大沖擊壓力降低約2/3,且支架各測點(diǎn)的沖擊壓力值相差不大。由表2及圖4(c),(d)可以看出,低強(qiáng)度破碎區(qū)的厚度改變對支架受到?jīng)_擊壓力的衰減并不是太明顯,但破碎區(qū)的厚度增加,可以降低沖擊壓力作用于支架上的頻率,避免支架因沖擊壓力反復(fù)作用產(chǎn)生疲勞破壞。第5種條件下1號測點(diǎn)壓力-時程曲線如圖4(e)所示,對比以上幾種條件分析可見,沖擊壓力的衰減,主要靠圍巖介質(zhì)對沖擊波的反射,圍巖中軟硬層交替層數(shù)越多,即圍巖中形成的反射面越多,沖擊壓力衰減的就越大。在第5種實(shí)驗(yàn)條件下,即圍巖中產(chǎn)生兩個反射面時,最大沖擊壓力降低至28.95 MPa,較沖擊源處沖擊壓力降低了80%多,可以滿足防沖要求。

3.2 沖擊動能的損耗

沖擊型動力災(zāi)害產(chǎn)生的危害,除了沖擊壓力破壞巷道支架,造成巷道坍塌外,還有其產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊振動,會將巷道內(nèi)的人員及設(shè)備彈起,造成人員傷亡和設(shè)備損壞。所以對沖擊型動力災(zāi)害的防治,不但要降低支架受到的沖擊壓力,還要減小巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊動能。

圖6為模擬的5種不同圍巖結(jié)構(gòu)條件下,巷道支架受到的最大沖擊動能。支架受到的最大沖擊動能占沖擊地壓釋放總能量的比值,以及條件2～5下巷道支護(hù)受到的沖擊動能與條件1下巷道支護(hù)受到的沖擊動能的比率見表3。

圖6 不同圍巖條件下支架的動能-時程曲線Fig.6 The kinetic energy-time curves of the stent in different surrounding rock conditions

表3 巷道支護(hù)受到的沖擊動能Table 3 The impact kinetic energy that roadway supporting receives

從圖6中可以看出,圍巖在第1種條件下,支架獲得的沖擊動能最大值高達(dá)210 kJ,在整個沖擊過程中,振動頻率頻繁、幅值較大;圍巖在第2種條件下,支架獲得的沖擊動能最大值為140 kJ,與第1種條件相比,最大沖擊動能減低33.3%,且振動頻率明顯減少,幅值降低。由此可以看出,破碎煤巖體具有很好的減振性能,但單純依靠破碎煤巖體自身耗能,還達(dá)不到防沖減振要求。對比3,4兩種圍巖條件下支架獲得的沖擊動能,可以看出,破碎區(qū)厚度增加,支架獲得的沖擊動能所有降低,但降低幅度不大,但是可以降低最大沖擊過后的支架后續(xù)振動頻率和幅值。第5種條件下支架獲得的最大沖擊動能只有5.1 kJ,僅為第1種條件下支架獲得的最大沖擊動能的2.4%,綜合5種不同圍巖條件下支架獲得的沖擊動能,對比可以看出,沖擊動能的損耗,主要依靠兩不同物理力學(xué)性質(zhì)煤巖的交界面對沖擊波的反射,圍巖中形成的反射面越多,傳遞到支架上的能量就越小。

4 結(jié) 論

(1)圍巖塑性破碎區(qū)是由大量破碎煤巖體構(gòu)成的一個非平衡態(tài)的能量耗散體系,對通過其中的沖擊波具有散射、吸收以及延時沖擊波等耗能功能,可降低沖擊地壓對支架的沖擊速度和幅值,提高巷道支護(hù)體系的防沖性能。

(2)圍巖煤巖體中物理力學(xué)性質(zhì)不同的圍巖結(jié)構(gòu)交界面可反射沖擊波,大幅降低支架受到的沖擊壓力和沖擊動能,破碎煤巖體具有較強(qiáng)的緩沖能力,降低沖擊過程中支架的振動頻率和幅值。

(3)利用ANSYS/LS-DYNA非線性顯式動力學(xué)有限元程序,分析了5種不同圍巖條件下,破壞性沖擊地壓對巷道支護(hù)的沖擊壓力及對巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)振動情況,研究結(jié)果表明破碎煤巖體具有很好的耗能減振性能,圍巖中軟硬層交替層數(shù)越多,即圍巖中形成的反射面越多,沖擊壓力衰減的就越大。

(4)圍巖自巷道表面形成具有“硬-軟-硬-軟”4層不同性質(zhì)圍巖的耗能防沖結(jié)構(gòu)時,作用于支架的沖擊壓力峰值衰減為沖擊源處壓力峰值的8%,支架受到的沖擊動能峰值與沖擊地壓釋放總能量的比值僅為91.1×10-6,可保護(hù)支架免受沖擊破壞,達(dá)到防沖要求。

(5)在整個耗能分析過程中,未考慮破碎煤巖塊體之間的非彈性碰撞和滑動摩擦,而破碎煤巖結(jié)構(gòu)中的耗能主要是以塊體之間的非彈性碰撞和滑動摩擦為主,因此經(jīng)過調(diào)控后的圍巖耗能防沖減振性能會比該數(shù)值模擬的防沖減振效果更好。

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Numerical research on surrounding rock rockburst prevention and damping by artificial regulation

XU Lian-man,PAN Yi-shan,LI Zhong-hua,LI Guo-zhen,ZENG Xiang-hua
(School of Mechanics and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

The shockwave generated by rock burst in coal mine spreads from the surrounding rock to the surface of roadway.Supporting structure suffered severe damage and even failure under the action of the strong stress waves.Adopting hydraulic slotting,blasting,anchoring,grouting and other artificial regulation measures,changing the physical and mechanical properties of roadway surrounding rock near the layered structure,forming the layered structure with different strength can enhance the ability that the surrounding rock attenuates and scatter to the shockwave, thereby reducing the bracing structure damage.In this paper,by applying the ANSYS/LS-DYNA nonlinear explicit dynamic finite element program,simulated 5 different structure types of artificial regulation of stress wave to reveal the effects on dissipative shock.The results show that:when the overall strength of roadway surrounding rock is uniformity, the energy dissipation is weak,impact stress wave makes the roadway vibrate violently,supporting structure will be destroyed for the strong impact force;by applying artificial regulation technology,layered rock is formed with different stratified structure,getting the strong energy dissipation capacity,greatly reducing the impact stress wave vibration frequency and amplitude,supporting structures subjected to impact force decrease obviously,improves the global stability.The artificial regulation of surrounding rock technology effectively reduce the impact pressure vibration and impactstress wave intensity.

artificial regulation;support and surrounding rock;bumper damping;shock wave;energy dissipation

煤炭科技規(guī)范名詞與廢棄名詞比對(3)

TD325

A

0253-9993(2014)05-0829-07

徐連滿,潘一山,李忠華,等.人工調(diào)控圍巖防沖減振數(shù)值研究[J].煤炭學(xué)報,2014,39(5):829-835.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0595

Xu Lianman,Pan Yishan,Li Zhonghua,et al.Numerical research on surrounding rock rockburst prevention and damping by artificial regulation[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):829-835.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0595

2013-05-06 責(zé)任編輯:許書閣

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226803);國家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(11072102)

徐連滿(1984—),男,遼寧大連人,博士研究生。E-mail:lianman_3312@163.com