掘進(jìn)過斷層巷道圍巖動力響應(yīng)數(shù)值分析

黃楚江 李 鐵

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

掘進(jìn)過斷層巷道圍巖動力響應(yīng)數(shù)值分析

黃楚江 李 鐵

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

運(yùn)用UDEC軟件分析了掘進(jìn)巷道工作面接近落差大于3 m的斷層時，隨著工作面的推進(jìn)，斷層對巷道周邊應(yīng)力場的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明：隨著工作面的推進(jìn)，在斷層帶上會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在工作面上部巖層的剪應(yīng)力逐漸增大，水平應(yīng)力趨于定值。上述模擬結(jié)果為工作面及巷道布置提供了依據(jù)，有助于避免應(yīng)力集中對巷道造成的破壞，延長巷道的服務(wù)年限。

巷道掘進(jìn) 斷層 動力響應(yīng) 巷道布置 服務(wù)年限

斷層面是指巖層斷裂發(fā)生位移的破裂面，是礦井中常見的地質(zhì)構(gòu)造[1-2]。斷層帶主要由破碎巖石組成，其工程地質(zhì)特征與完整巖石差異較大，具有膠結(jié)差、受采動影響明顯、黏聚力低等特點(diǎn)[3]。在構(gòu)造較復(fù)雜的煤礦，相近水平斷層帶的巷道常表現(xiàn)出易被破壞的特點(diǎn)。為此，本研究通過分析斷層對巷道頂板應(yīng)力的影響規(guī)律來進(jìn)一步探討巷道變形破壞的原因，為工作面及巷道布置提供依據(jù)。

1 模型建立

本研究所模擬的地質(zhì)模型為二維水平模型。煤層平均采厚5 m，采用一次采全高，保護(hù)頂板不塌落。建立了如圖1所示的地質(zhì)模型，埋深600 m，長300 m，高45 m，斷層落差5 m，斷層傾角26.5°。為防止邊界應(yīng)力的干擾，巷道開挖起點(diǎn)距模型邊界35 m。該模型的力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 地質(zhì)模型

表1 模型力學(xué)參數(shù)

該模型受到的垂直應(yīng)力根據(jù)上層巖體施加的重力進(jìn)行計算，水平應(yīng)力根據(jù)垂直應(yīng)力的0.8倍進(jìn)行計算：

式中，σw為垂直應(yīng)力，MPa；γ為巖石密度，kg/m3；H為單元立方體所在的深度，m；σh為水平應(yīng)力，MPa。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

在掘進(jìn)巷道工作面向斷層方向推進(jìn)的條件下，巷道頂板的應(yīng)力分布情況如圖2～圖4所示。重點(diǎn)分析對比隨著巷道的推進(jìn)逐漸接近斷層的過程中，斷層構(gòu)造對頂板巖層應(yīng)力分布的影響。模型以距離巷道0.5 m處的巖層設(shè)立監(jiān)測線，觀測巷道頂板的應(yīng)力應(yīng)變情況[4-6]。

當(dāng)工作面向正斷層推進(jìn)時(工作面位于正斷層上盤)，隨著工作面的不斷推進(jìn)，左右兩側(cè)幫受到的應(yīng)力最大，在工作面逐步接近斷層的過程中，側(cè)幫所受的垂直應(yīng)力未發(fā)生明顯變化，其受到的水平應(yīng)力卻逐步接近于一個定值。同時頂板巖層的豎向位移成規(guī)律性變化：在采空區(qū)中部頂板巖層受到的彎矩最大從而導(dǎo)致其撓度最大。通過理論計算可知其所受到彎矩的大小為ql2/24(q為頂板巖層受到的均布力，MPa；l為掘進(jìn)巷道采空區(qū)長度，m)。隨著工作面的推進(jìn)，巷道采空區(qū)的長度也逐漸增大，從而導(dǎo)致彎矩急劇增大。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)掘進(jìn)工作面向正斷層傾向方向推進(jìn)時，隨著推進(jìn)步距的增加，斷層帶上集中應(yīng)力也逐漸增大，且趨近于一個定值。在實(shí)踐過程中可結(jié)合實(shí)際情況通過相關(guān)理論計算判斷斷層帶附近的應(yīng)力大小。

(2)斷層對頂板巖層所受的水平應(yīng)力影響較大。在工作面距離斷層較遠(yuǎn)時，所受水平應(yīng)力變化較平穩(wěn)，在距離斷層較近時，水平應(yīng)力變化較大且不穩(wěn)定。

圖2 頂板所受垂直應(yīng)力

圖3 頂板所受水平應(yīng)力

圖4 頂板所受豎向位移

(3)在工作面推進(jìn)過程中，巷道兩幫附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。工作面左幫集中應(yīng)力變化不大，右?guī)图袘?yīng)力隨著工作面的推進(jìn)總體呈增大的趨勢。

(4)通過數(shù)值模擬和理論計算，認(rèn)為頂板豎向位移最大處為采空區(qū)中間位置。

[1] 吳基文，童宏樹，童世杰，等.斷層帶巖體采動效應(yīng)的相似材料模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007(S)：4170-4175．

[2] 唐東旗，吳基文，李運(yùn)成，等.斷裂帶巖體工程地質(zhì)力學(xué)特征及其對斷層防水煤柱留設(shè)的影響[J].煤炭學(xué)報，2006(4)：455-460．

[3] 龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006．

[4] 李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].5版.北京：高等教育出版社，2010．

[5] 唐東旗，侯江濤，李權(quán)國，等.斷裂帶巖體采動效應(yīng)的數(shù)值模擬研究[J].煤炭技術(shù)，2010(12)：58-59．

[6] 翟曉榮，吳基文，彭 濤，等.斷層對煤層開采應(yīng)力分布影響的數(shù)值模擬分析[J].煤礦開采，2013(5)：14-16．

·記者在線·

青海省格爾木地區(qū)圈出2條鉛鋅銀銅礦體

由山東省地質(zhì)測繪院承擔(dān)實(shí)施的“青海省格爾木市哈布吉可高勒鐵多金屬礦預(yù)查”項(xiàng)目日前取得階段性找礦成果，圈出2條鉛鋅銀銅礦體。

該項(xiàng)目位于東昆侖西段祁漫塔格山，柴達(dá)木盆地西南緣。預(yù)查區(qū)東鄰開采中的肯德可克中型鐵及鉛鋅礦(其鐵礦為青海省最大鐵礦)，北西鄰開采中的茫崖鎮(zhèn)虎頭崖鉛鋅銅多金屬礦，海撥高度在4 100 m以上。穿過預(yù)查區(qū)東北部的F4斷裂是上述2個礦床的控礦構(gòu)造，相似的成礦條件顯示出預(yù)查區(qū)極佳的成礦前景。

項(xiàng)目組自2015年5月進(jìn)駐工區(qū)以來，陸續(xù)開展了槽探工程、鉆探工程、物探工作和測量工作，共完成槽探施工3 987.7 m3、鉆探進(jìn)尺1 062.73 m、激電聯(lián)合剖面3.8 km、激電測深18個點(diǎn)、工程測量35個點(diǎn)。同時，完成樣品化驗(yàn)950件?；?yàn)結(jié)果顯示，2個探槽和1個鉆孔中部分樣品鉛鋅銀銅達(dá)到邊界品位，可圈定2條鉛鋅銀銅礦體，取得了階段性找礦成果。

2015-09-15)

黃楚江(1991—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)。