動(dòng)靜載作用下常村礦底臌治理效果研究

金 亮， 裴晨浩

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

動(dòng)靜載作用下常村礦底臌治理效果研究

金 亮， 裴晨浩

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

為了研究在動(dòng)靜載作用下鉆孔卸壓治理巷道后的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以常村礦S61#為研究對(duì)象，運(yùn)用FLAC 3D數(shù)值軟件進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：在動(dòng)靜載作用下，巷道底臌量相對(duì)于靜載作用時(shí)增加了92 mm，使巷道底臌現(xiàn)象更加嚴(yán)重；整個(gè)巷道在荷載作用下主要發(fā)生受剪和拉剪兩種屈服，在動(dòng)載作用下，在模型底角向巷道底角方向和離模型底面大約2 m處產(chǎn)生新的拉剪和剪切屈服。

巷道工程；動(dòng)靜載；鉆孔卸壓；底臌治理

近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采深度的增加，煤巖受到的圍壓越來(lái)越大，致使巷道的最大主應(yīng)力多為水平應(yīng)力，導(dǎo)致頂?shù)装搴蛢蓭拖蛳锏纼?nèi)發(fā)生位移，底板向上隆起，發(fā)生底臌現(xiàn)象[1-2]。與此同時(shí)，煤炭在開(kāi)采時(shí)還會(huì)受到?jīng)_擊地壓(巖爆)、人工爆破掘進(jìn)、激烈地殼運(yùn)動(dòng)等動(dòng)力的作用，從而進(jìn)一步增加了底臌量。從巷道圍巖控制的原理與方法考慮，傳統(tǒng)底臌治理方法可以歸結(jié)為加固法和卸壓法[3]。其中，卸壓法因其工作量小,施工方便,施工速度較快,施工成本低等優(yōu)點(diǎn)[4]，常被用于巷道底臌治理中，并取得了大量的成果[5-10]。S61#回風(fēng)上山巷頂?shù)装鍘r性為該礦乃至該區(qū)域煤層頂?shù)装鍘r性的代表，研究S61#回風(fēng)上山巷道在動(dòng)靜載作用下鉆孔卸壓治理底臌效果，對(duì)該區(qū)域的礦井巷道底臌的治理起著指導(dǎo)作用。因此，本文以常村礦S61#回風(fēng)上山巷道為研究對(duì)象，對(duì)動(dòng)靜載作用下常村礦底臌治理效果進(jìn)行研究。

1 工程概況

S61#回風(fēng)上山巷道位于S6采區(qū)東北部，西接S翼1#回風(fēng)巷，北鄰S62#回風(fēng)上山(已掘)，南鄰S6皮帶上山(在掘)，東接S6采區(qū)正頭聯(lián)絡(luò)巷(在掘)。該巷道沿3#煤頂板掘進(jìn)，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.18 m，老頂為中粒砂巖，平均厚度7.09 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.88 m，老底為細(xì)粒砂巖，平均厚度0.97 m。另外，S61#回風(fēng)上山掘進(jìn)期間頂板巖性探測(cè)結(jié)果顯示，從開(kāi)口位置到距S翼1#回風(fēng)巷425 m位置，頂板砂質(zhì)泥巖厚度從1.8 m增大為5.2 m。煤科總院在該井田內(nèi)做的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示：S6采區(qū)內(nèi)原巖應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，且該巷道掘進(jìn)方向與當(dāng)?shù)卦瓗r應(yīng)力最大水平主應(yīng)力方向垂直，造成巷道掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生不同程度的底臌，嚴(yán)重地影響了礦井的正常生產(chǎn)。雖然對(duì)其進(jìn)行過(guò)一些處理，如拉底、加固頂板和兩幫，但效果均不理想，不能有效控制底臌。

2 數(shù)值模型

2.1 標(biāo)準(zhǔn)模型及參數(shù)選擇

本文以常村煤礦S61#回風(fēng)上山巷為標(biāo)準(zhǔn)模型，巷道沿著距離煤底板2.5 m掘進(jìn)，具體物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。根據(jù)理論分析可知，巷道對(duì)圍巖中應(yīng)力分布影響范圍一般是巷道半徑的3～5倍，寬度取一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺，模型的尺寸為60 m×40 m×1.8 m。巷道的設(shè)計(jì)斷面為矩形，其高和寬分別為3.5 m、5 m。巷道的原有支護(hù)形式是錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)，錨索在頂幫加強(qiáng)支護(hù)，錨索的間距為2 000 mm，排距為900 mm；錨桿分布在頂板和左右兩幫，其間距為900 mm，排距為900 mm。在兩幫打9 m長(zhǎng)的兩排卸壓孔，底板采用2.5 m長(zhǎng)的卸壓孔。具體的尺寸及位置如圖1所示。

表1 工程地質(zhì)參數(shù)

(a) (b)圖1 數(shù)值模型及測(cè)點(diǎn)分布圖

2.2 邊界條件

靜載時(shí)，在模型的上邊界施加9.261 MPa來(lái)模擬垂直方向的力，水平方向施加10.775 MPa水平應(yīng)力，其他三個(gè)邊界的約束條件為位移約束。在動(dòng)靜載作用時(shí)，若動(dòng)力源比較遠(yuǎn)，可以將遠(yuǎn)處的動(dòng)力擾動(dòng)近似地等效為平面波，故在模型底部施加平面波，具體情況參考文獻(xiàn)[11]。施加的動(dòng)載大小如圖2所示。為了更好地模擬出半無(wú)限體中的應(yīng)力波的傳播規(guī)律，把數(shù)值模型左右邊界、上邊界均設(shè)置為黏滯吸收邊界。

圖2 動(dòng)載曲線

3 動(dòng)靜載作用下的底臌治理效果

3.1 應(yīng)力波傳播規(guī)律

圖3是應(yīng)力波的時(shí)程曲線，圖中4個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置如圖1(a)所示。

圖3 動(dòng)靜載作用下巷道底部巖石應(yīng)力波時(shí)程曲線

由圖3可知：4條應(yīng)力波時(shí)程曲線規(guī)律比較相似，都是受壓，并以靜載壓應(yīng)力為起點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)力波傳播到測(cè)點(diǎn)時(shí)就起跳，并逐漸增加至峰值，然后逐漸減小，最后振動(dòng)達(dá)到平衡；在應(yīng)力波加載面距離從小到大變化過(guò)程中，動(dòng)載起跳的時(shí)間越來(lái)越遲，初始?jí)簯?yīng)力、應(yīng)力波的峰值和殘余壓應(yīng)力逐漸減小。從數(shù)值上可以看出它們都是動(dòng)靜載作用的結(jié)果，符合動(dòng)靜作用的規(guī)律，說(shuō)明數(shù)值分析結(jié)果比較合理。

3.2 動(dòng)靜載作用下的位移變化

底臌點(diǎn)的位移時(shí)程曲線見(jiàn)圖4。從圖4可以看出：當(dāng)應(yīng)力波沒(méi)有傳到監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)就已經(jīng)有位移，為159 mm。應(yīng)力波經(jīng)過(guò)13 ms的傳播到達(dá)底板，此時(shí)開(kāi)始受到動(dòng)載的作用起跳，位移逐漸增大，大約到50 ms后位移發(fā)生小范圍的振動(dòng)，并達(dá)到平衡，最大位移為251 mm。根據(jù)傳播規(guī)律可知，剛開(kāi)始的位移應(yīng)該是靜載作用下的位移，但動(dòng)靜載作用下的位移比

靜載作用下的位移小。這主要是因?yàn)?，在?shù)值分析加動(dòng)載時(shí)，將加載面的位移邊界條件改成了應(yīng)力邊界條件。為了不受改變邊界條件的影響，取動(dòng)靜載作用前后的位移差來(lái)分析，位移差見(jiàn)表2，并根據(jù)表2的數(shù)據(jù)繪成圖5。從表2和圖5可看出：在動(dòng)靜載作用下，整個(gè)巷道的位移都發(fā)生了變化，頂板和兩幫均向巷道外移動(dòng)，底板向巷道內(nèi)移動(dòng)，即底板位移是增加的，位移差是底板最大，其次是兩幫，最小是頂板，為2.2 mm。底板的位移差以中間向兩邊對(duì)稱(chēng)分布，最大是中間測(cè)點(diǎn)(43)，為92 mm；兩幫位移差逐漸減小，最小是兩邊的巷道側(cè)墻底腳處，為16 mm。綜上所述，在動(dòng)載作用下巷道底臌量有所增大，即使在靜載的作用下巷道仍安全、穩(wěn)定，但在動(dòng)載的作用下有可能會(huì)對(duì)巷道的安全、穩(wěn)定構(gòu)成威脅。所以，在進(jìn)行底臌治理設(shè)計(jì)時(shí)要考慮動(dòng)載的影響。

圖4 動(dòng)靜載作用下巷道最大底板位移時(shí)程曲線

表2 動(dòng)靜載作用下的位移差 mm

圖5 動(dòng)靜載作用下巷道四周各點(diǎn)位移差

根據(jù)應(yīng)力傳播規(guī)律可知，當(dāng)應(yīng)力波傳播12 ms時(shí)，整個(gè)數(shù)值模型塑性區(qū)已趨于穩(wěn)定，故圖6為選取12 ms以?xún)?nèi)4個(gè)有代表性時(shí)間點(diǎn)的塑性圖，分別是應(yīng)力波作用時(shí)間為1.0 ms、10 ms、10.3 ms 、12 ms的塑性圖。由圖6可知，當(dāng)應(yīng)力波傳播1.0 ms時(shí)，其塑性圖與靜載作用時(shí)塑性圖一樣。隨著時(shí)間的推移，當(dāng)應(yīng)力波傳播10 ms時(shí)，在模型底角向巷道底角方向開(kāi)始產(chǎn)生新的剪切屈服。在動(dòng)載作用10.3 ms時(shí)，新產(chǎn)生剪切屈服的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，并且在離模型底面大約2 m處開(kāi)始出現(xiàn)新的剪切屈服。當(dāng)應(yīng)力波作用時(shí)間達(dá)到12 ms時(shí)，兩個(gè)產(chǎn)生的新屈服區(qū)域進(jìn)一步增大，并且在離模型底面大約2 m處開(kāi)始出現(xiàn)拉剪屈服。因此，動(dòng)載對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響不容忽視。

(a) 1 ms (b) 10 ms

(c) 10.3 ms (d) 12 ms圖6 動(dòng)靜載作用下巷道塑性圖

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)S61#回風(fēng)上山巷道在動(dòng)靜載作用下的底板壓力、位移和塑性區(qū)變化的數(shù)值分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)巷道在動(dòng)靜載作用下，底板下巖石壓應(yīng)力、底板位移和塑性區(qū)都是以靜載作用狀態(tài)為起點(diǎn)，并隨著應(yīng)力波傳播時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化，這符合動(dòng)靜作用規(guī)律。

(2)相對(duì)于靜載作用，在動(dòng)靜載作用下，巷道的頂板和兩幫均向巷道外移動(dòng)，底板向巷道內(nèi)移動(dòng)，移動(dòng)量在底板最大。底板的最大位移增加了92 mm，使巷道底臌現(xiàn)象更加嚴(yán)重，對(duì)巷道的安全、穩(wěn)定構(gòu)成威脅。所以，在進(jìn)行底臌治理設(shè)計(jì)時(shí)要考慮動(dòng)載的影響。

(3)隨著應(yīng)力波的傳播，在靜載作用基礎(chǔ)上，塑性區(qū)逐漸在模型底角向巷道底角方向和離模型底面大約2 m處產(chǎn)生新的拉剪和剪切屈服，并逐漸擴(kuò)大。

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(責(zé)任編輯：姜海芹)

Study on the Effect of Harnessing Floor Heave of Changcun Coal Mine Under Dynamic and Static Loading

JIN Liang, PEI Chen-hao

(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

In order to study the dynamic response of the roadway by pressure relief role under the action of static and dynamic, the Chang village S61# was taken as the research object, and analyzed by FLAC 3D software.The results show： under static and dynamic loads, the floor heave displacement is increased by 92 mm compared with the static load, so that the phenomenon of floor heave is more serious. Under dynamic load, the new shearing yield and tensile-shearing yield is generated at the bottom corner of the model and at about 2 m from the bottom of the model.

roadway engineering； dynamic and static load； borehole pressure relief； harnessing floor heave

2017-01-05

河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目(2015GGJS-069)

金亮(1991-)，男，河南信陽(yáng)人，碩士生，主要研究方向?yàn)閹r土方向。

1671-6906(2017)01-0060-05

TD 353

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2017.01.013