淺談沖擊礦壓巷道破壞規(guī)律數(shù)值模擬

侯代亮

[摘 要]在已開采的地質(zhì)體中建造巷道，由于受到采動(dòng)影響所以裂隙會(huì)分布在巷道中周圍，基于上述的均勻密度函數(shù)，通過軟件的二次開發(fā)結(jié)合應(yīng)變強(qiáng)度分布準(zhǔn)則，在煤巖體中產(chǎn)生平面裂隙。

[關(guān)鍵詞]沖擊地壓 巷道 破壞

中圖分類號(hào)：TD324 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）02-0170-01

1 數(shù)值模擬模型建立

為了節(jié)省計(jì)算內(nèi)存占用量，在不影響結(jié)果的情況下，減小模型深度尺寸，建立下圖所示的幾何模型，模型長(zhǎng)8m，高8m。模型的上邊界設(shè)為地應(yīng)力，左側(cè)邊界為水平構(gòu)造應(yīng)力，下側(cè)邊界設(shè)為輥軸支撐，巷道建造在煤層中，巷道參數(shù)為高2m寬2m，求解模型的具體參數(shù)主要設(shè)置見表1，剩余參數(shù)見第二章。

假設(shè)煤巖體為初次開采的地界，受到采動(dòng)的影響較小的地質(zhì)體中，其整體為無裂縫模型，破壞條件利用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則在不同圍壓情況下，模擬了巷道裂隙產(chǎn)生最終破壞失穩(wěn)的過程。

2 沖擊地壓數(shù)值模擬

受到重力型沖擊地壓即垂直方向的應(yīng)力大于水平方向應(yīng)力的時(shí)候，材料破壞的裂隙現(xiàn)在頂板與底板內(nèi)產(chǎn)生的速度較大，并且隨著計(jì)算時(shí)步的增加逐漸擴(kuò)大并且貫通，破壞失穩(wěn)的煤巖體主要集中發(fā)生在巷道的上部與下部，在初期巷道兩幫同樣產(chǎn)生了裂隙但并沒有出現(xiàn)貫通失穩(wěn)的現(xiàn)象。隨著底鼓與頂板的垮塌，兩幫繼而出現(xiàn)了小面積跨落。而整個(gè)模型之中的裂隙也是隨著時(shí)步的增加逐漸的由巷道向模型邊界緩慢延伸。

當(dāng)發(fā)生中間型沖擊地壓即豎向應(yīng)力與水平方向應(yīng)力相同時(shí)，即Py=Px=20MPa、Py=Px=40MPa時(shí)巷道的巷道四周的圍巖裂紋幾乎同時(shí)發(fā)生貫穿跨落，圖2圖3可以看出當(dāng)施加應(yīng)力為40MPa時(shí)巷道的破壞更加的劇烈模型內(nèi)部的裂紋也是比較快速的擴(kuò)展。巷道的失穩(wěn)跨落模式與我們施加的應(yīng)力大小幾乎沒有太大的關(guān)系，只是隨著我們施加的應(yīng)力的增加巷道產(chǎn)生的裂隙發(fā)育更迅速。而且當(dāng)Py=Px對(duì)模型產(chǎn)生的裂隙明顯小于上兩種情況，是由于當(dāng)煤巖體受力時(shí)向巷道內(nèi)部擠壓的速率幾近相同，位移時(shí)沒有產(chǎn)生較大的錯(cuò)動(dòng)所以除去垮塌范圍內(nèi)，模型其余地區(qū)依然相對(duì)完整。1）當(dāng)發(fā)生重力型沖擊地壓時(shí)，巷道的破壞主要集中在頂板，隨著頂板的冒落巷道兩幫裂隙緩慢的發(fā)育最終一小部分向巷道跨落。

（2）當(dāng)發(fā)生水平構(gòu)造型沖擊地壓時(shí)，巷道的兩側(cè)的裂隙先發(fā)育，最終裂隙貫穿產(chǎn)生大量垮落體，兩幫的跨落致使頂板的受力面積增大在豎向應(yīng)力作用下頂板逐漸出現(xiàn)了部分垮落體。

（3）當(dāng)發(fā)生中間型沖擊地壓時(shí)，巷道的四周的圍巖幾乎同時(shí)發(fā)生了跨落，而隨著應(yīng)力的增大巷道破壞模式并沒有較大的差別，只是加快了裂隙及巷道垮塌的速度。

（4）在受圍巖采動(dòng)較小圍巖的破壞規(guī)律與應(yīng)力的大小、巷道斷面形狀沒有太大的關(guān)聯(lián)，只與橫向、與縱向所施加的應(yīng)力比值有關(guān)。

從上圖可以得出當(dāng)豎直方向的應(yīng)力大于水平構(gòu)造應(yīng)力的條件下，破壞主要發(fā)生在巷道頂板和底板，與無裂隙巷道破壞模式幾乎相似，但是由上圖可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)受到?jīng)_擊地壓的應(yīng)力作用時(shí)，存在水平裂隙的地質(zhì)體，優(yōu)先在煤巖體內(nèi)產(chǎn)生水平裂隙，而豎直裂隙存在地質(zhì)體時(shí)，豎直裂隙優(yōu)先開始發(fā)育，傾斜裂隙亦如此。這與無裂隙巷道產(chǎn)生的裂隙存在明顯差別，這為巷道是最終失穩(wěn)破壞的模式的不同奠定了先決條件。

大裂紋及垮落體首先出現(xiàn)在頂部，隨著荷載施加的持續(xù)，在巷道頂板裂紋互相貫通發(fā)生跨落。高應(yīng)力區(qū)主要集中在巷道頂板，三種情況下的頂板與兩幫交界出的破壞形式存在一定的差別破壞度較高的是破壞度較低的是。所以最終三個(gè)巷道模型跨落有明顯差距，時(shí)，巷道頂板裂隙是與應(yīng)力相互垂直所以其抗壓強(qiáng)度是大于，所以其最終巷道跨落破壞的范圍小于。這說明裂隙方向與最大荷載應(yīng)力一致時(shí)，巷道破壞的程度是在最大的，而裂隙與應(yīng)力方向垂直時(shí)是相反的。

3 總結(jié)

計(jì)算并分析不同情況下，無裂紋巷道圍巖變形以及坍塌的成因。無裂紋圍巖坍塌變形的規(guī)律：當(dāng)受到重力型沖擊地壓時(shí)，巷道頂?shù)装宓牧严秲?yōu)先貫通跨落，繼而兩幫裂隙貫通跨落其范圍小于頂板破壞的范圍；當(dāng)受到水平構(gòu)造應(yīng)力型沖擊地壓時(shí)，巷道兩側(cè)的裂隙優(yōu)先貫通，隨著兩幫煤巖體的跨落上部裸露的面積增大然后跨落，其跨落范圍小于兩幫；當(dāng)受到重力與水平構(gòu)造型一起作用的沖擊地壓時(shí)，巷道四周同時(shí)破壞，隨著載荷應(yīng)力的增大，破壞更加劇烈。

參考文獻(xiàn)

[1]張澤.沖擊礦壓下巷道破壞數(shù)值模擬研究.碩士論文.黑龍江科技大學(xué).

[2]唐春安.巖石破裂過程的災(zāi)變[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1993，31-41.