趙固二礦回采巷道非對稱變形數(shù)值模擬分析

郭林峰

(中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京市海淀區(qū)，100083)

隨著開采深度的增加，深部回采巷道圍巖變形問題愈加嚴重。近年來，一些學者針對深部巷道圍巖變形機理和控制技術(shù)做了大量研究，取得豐厚的研究成果。王虎勝等對不同煤柱寬度下沿空掘巷圍巖應(yīng)力分布特征進行了分析。黃萬朋從巷道圍巖本身的性質(zhì)出發(fā)分析巷道非對稱變形，認為巷道斷面內(nèi)圍巖結(jié)構(gòu)的非對稱性導(dǎo)致巷道非對稱變形。以往學者對于巷道非對稱變形主要從巷道圍巖本身性質(zhì)和巷道圍巖應(yīng)力分布的角度分析，然而針對區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致的巷道非對稱變形鮮有研究。本文針對趙固二礦11071工作面運輸巷非對稱變形的問題，采用理論分析與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，推導(dǎo)出研究區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)的數(shù)值模擬邊界加載條件表達式，并以此為前提對該巷道圍巖區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)不同角度時的塑性區(qū)形態(tài)特征進行了分析。

1 工程概況

趙固二礦位于焦作煤田東部、礦井產(chǎn)量180萬t/a，主采煤層為二1煤層，厚度6.0～6.59 m，平均6.32 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤質(zhì)變化很小，煤類單一，層位穩(wěn)定。11071工作面采用分層開采，頂板采用全部垮落法管理。該工作面東北側(cè)為未開采的實體煤，西南側(cè)為已回采結(jié)束的11050工作面，11071工作面運輸巷與11050工作面采空區(qū)間隔30 m煤柱，該巷道埋深約700 m，沿煤層頂板掘進，巷道斷面形狀為矩形，尺寸為4800 mm×3300 mm(寬×高)，巷道凈斷面15.84 m2。巷道布置平面圖如圖1所示。

圖1 11071工作面運輸巷布置平面圖

2 11071工作面運輸巷圍巖非對稱變形特征

由于巷道埋深較大，并且緊鄰11050工作面采空區(qū)，在工作面回采期間，11071工作面運輸巷礦壓顯現(xiàn)劇烈，具有以下特征：頂板下沉量較大，尤其巷道靠近煤柱側(cè)頂板下沉嚴重；底臌現(xiàn)象突出，尤其巷道靠近煤壁側(cè)底板底臌量較大；兩幫發(fā)生收斂，兩幫收斂量與頂?shù)装逡平拷咏?，巷道整體斷面收縮量較大；大量錨索破斷，支護體失效。

為滿足運輸和通風要求，11071工作面運輸巷已進行多次返修作業(yè)，累計擴幫約2.5 m，臥底約1.7 m，以確保工作面正常生產(chǎn)。巷道變形輪廓圖如圖2所示。

由于回采巷道直接為采煤工作面服務(wù)，距離開采擾動源較近，是受采動影響最劇烈的一類巷道。煤層的開采引起圍巖應(yīng)力重新分布，巷道原來的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生改變。工作面向前推進過程中，直接頂冒落形成垮落帶，基本頂破斷后回轉(zhuǎn)下沉使得上覆巖層壓力和自重向深部巖體轉(zhuǎn)移，巷道靠近采空區(qū)側(cè)圍巖受到上覆巖層傳遞的傾斜方向的力，導(dǎo)致回采巷道區(qū)域主應(yīng)力場方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

圖2 巷道變形輪廓圖

3 數(shù)值模擬邊界加載條件分析

采用數(shù)值模擬方法對巷道圍巖進行穩(wěn)定性分析時，通常在巷道周邊一定范圍內(nèi)建立有限元模型，以往學者在對模型加載時一般不考慮區(qū)域主應(yīng)力場發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其受力狀態(tài)如圖3(a)所示。X面只受到水平應(yīng)力作用為主平面，水平應(yīng)力為最小主應(yīng)力；Y方向為巷道軸向，一般認為水平面兩個方向的應(yīng)力相等；模型Z面只受到垂直應(yīng)力作用為主平面，垂直應(yīng)力為最大主應(yīng)力，考慮采動影響后，垂直應(yīng)力大小等于支承壓力。具體加載表達式為：

(1)

式中：SXX、SYY、SZZ——分別為X面、Y面、Z面的正應(yīng)力；

P1、P3——分別為模型最大、最小主應(yīng)力；

K——支承壓力系數(shù)，一般取2～4；

γ——巖石容重，取2.5 kN/m3；

H——巷道埋深，m；

λ——側(cè)壓系數(shù)。

在實際條件下，巷道圍巖由于受到采動應(yīng)力或者斷層和褶曲等地質(zhì)構(gòu)造的影響，加上地下應(yīng)力環(huán)境的復(fù)雜和不確定性，使其區(qū)域主應(yīng)力場發(fā)生偏轉(zhuǎn)。主應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)必然導(dǎo)致巷道受力狀態(tài)發(fā)生改變，改變后的巷道受力狀態(tài)如圖3(b)所示。區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)后，主平面相應(yīng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，模型X、Z面均會出現(xiàn)剪應(yīng)力。在進行數(shù)值模擬給模型加載時，通常將應(yīng)力加載到模型邊界上，即模型的X、Y、Z面上，因而計算各個面上的應(yīng)力狀態(tài)就非常必要。

圖3 區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)前后巷道受力分析

根據(jù)材料力學中莫爾應(yīng)力圓方程，可得偏轉(zhuǎn)角度為α時主應(yīng)力P1、P3與X、Z面應(yīng)力的關(guān)系式：

(2)

將式(2)變換得區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)α角度后X、Z面應(yīng)力表達式：

(3)

在區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)前后巷道軸向平面應(yīng)力狀態(tài)沒有發(fā)生變化，Y面仍為主平面。結(jié)合式(1)和式(3)可得回采巷道數(shù)值模擬邊界加載條件表達式：

(4)

4 數(shù)值模擬分析

根據(jù)趙固二礦11071工作面運輸巷的工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D建立的三維數(shù)值計算模型，破壞準則采用M-C模型。模型中巖層劃分按照實際所處層位劃分，其幾何尺寸為50 m×1 m×55 m，計算模型共20800單元和262305個節(jié)點。模型加載時，巷道埋深取700 m，圍巖泊松比取0.4，巖石容重取2.5 kN/m3，K取2。將各參數(shù)代入式(4)中，計算結(jié)果見表1。巖石力學參數(shù)如表2所示。數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

表1 主應(yīng)力不同偏轉(zhuǎn)角度下的加載條件

表2 巖石力學參數(shù)

圖4 不同偏轉(zhuǎn)角度下巷道圍巖塑性區(qū)范圍

由圖4可以看出，當區(qū)域主應(yīng)力場未發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，頂板中央位置的塑性區(qū)破壞深度為0.5 m，頂板兩側(cè)的破壞深度為1.5 m,底板破壞情況同頂板類似,兩幫破壞深度接近，塑性區(qū)范圍均為拱狀，兩幫塑性區(qū)中部最大破壞深度為2.0 m。此時破壞主要發(fā)生在兩幫以及頂?shù)装鍍蓚?cè)，巷道圍巖塑性區(qū)整體呈對稱分布。

當區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)15°時，相比于未偏轉(zhuǎn)時的塑性區(qū)形態(tài)，頂板中央位置的塑性區(qū)破壞深度增加為1 m，頂板左側(cè)(靠近實體煤)塑性區(qū)破壞深度減少0.25 m，右側(cè)(靠近煤柱)塑性區(qū)破壞深度增大0.25 m；底板左側(cè)塑性區(qū)破壞深度增大0.25 m，右側(cè)塑性區(qū)破壞深度減小0.25 m；兩幫最大破壞深度未發(fā)生變化，但右?guī)托螒B(tài)與標準拱狀出現(xiàn)偏差，右?guī)蜕喜克苄詤^(qū)大于下部塑性區(qū)深度。此時破壞主要發(fā)生在兩幫及左側(cè)底板和右側(cè)頂板，巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)不再呈對稱分布。

當區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)30°時，頂板左側(cè)破壞深度明顯小于右側(cè)，左側(cè)破壞深度為0.5～1 m，右側(cè)破壞深度為1.75 m；底板左側(cè)破壞深度明顯大于右側(cè)，左側(cè)破壞深度為2 m，右側(cè)破壞深度為0.5～0.75 m；左幫仍為拱狀，但右?guī)蜕喜克苄詤^(qū)深度為1.75 m，大于下部塑性區(qū)深度0.75～1.5 m。此時破壞主要發(fā)生在兩幫及左側(cè)底板和右側(cè)頂板。

當區(qū)域主應(yīng)力場繼續(xù)偏轉(zhuǎn)至45°時，與偏轉(zhuǎn)30°時的塑性區(qū)形態(tài)相比，盡管頂?shù)装搴蛢蓭偷淖畲笃茐纳疃葲]有增加，但是頂?shù)装宓乃苄詤^(qū)范圍明顯擴大，兩幫塑性區(qū)范圍有所減小，頂板塑性區(qū)明顯表現(xiàn)為左低右高，底板則表現(xiàn)為左深右淺。圍巖塑性區(qū)形態(tài)表現(xiàn)為明顯的不對稱性。此時頂?shù)装迤茐募又兀瑑蓭推茐臏p少，但破壞仍然發(fā)生在兩幫及左側(cè)底板和右側(cè)頂板。

當區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)至60°時，與偏轉(zhuǎn)45°時的塑性區(qū)相比，頂板最大破壞深度小幅度增大至2.25 m，但形態(tài)由左低右高逐漸向拱狀發(fā)展；底板最大破壞深度增大至2.5 m，同樣由左深右淺向拱狀發(fā)展；左幫塑性區(qū)范圍進一步減小，最大破壞深度為1.5 m，右?guī)退苄詤^(qū)范圍明顯減小，最大破壞深度減小至1.25 m。此時兩幫的破壞減少，頂?shù)装迤茐募又亍?/p>

當區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)至75°時，頂?shù)装迮c兩幫塑性區(qū)范圍均有所減小，頂?shù)装遄畲笃茐纳疃染鶠? m，且形態(tài)均類似拱狀；兩幫上下部破壞深度差值減小，左幫塑性區(qū)最大破壞深度為1 m，右?guī)蜑?.75 m。此時破壞主要發(fā)生在頂?shù)装鍘r層。

當區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)90°時，頂?shù)装逅苄詤^(qū)形態(tài)均為拱狀，最大破壞深度為2 m；兩幫塑性區(qū)形態(tài)均為梯形狀，最大破壞深度均為1 m。此時破壞主要發(fā)生在頂?shù)装鍘r層中，巷道塑性區(qū)形態(tài)呈明顯對稱分布。

綜合上述分析，在區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)不同角度時，巷道塑性區(qū)分布形態(tài)隨之發(fā)生改變，導(dǎo)致塑性區(qū)最大破壞深度處于巷道圍巖的不同位置。因此，區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)角度的不同影響巷道圍巖出現(xiàn)不同的變形特征。在區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)0°～90°時，隨著偏轉(zhuǎn)角度的增大，圍巖塑性區(qū)形態(tài)由明顯的對稱分布逐漸變?yōu)榉菍ΨQ分布，之后再次趨于對稱。在區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)小于30°時，兩幫的破壞程度大于頂?shù)装?，頂板塑性區(qū)主要分布在煤柱側(cè)，底板塑性區(qū)主要分布在煤壁側(cè)。在區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)30°～45°之間時，頂?shù)装逅苄詤^(qū)范圍增大，但兩幫的破壞程度仍略大于頂?shù)装?。在區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)45°～60°之間時，兩幫與頂?shù)装遄畲笃茐纳疃认喈?，頂板最大破壞深度由煤柱?cè)向頂板中部發(fā)展，底板最大破壞深度由煤壁側(cè)向底板中部發(fā)展。在區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)60°～90°之間時，破壞主要發(fā)生在頂?shù)装?，兩幫塑性區(qū)范圍不大。

因此，通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，趙固二礦11071工作面運輸巷圍巖變形破壞特征與區(qū)域主應(yīng)力場的偏轉(zhuǎn)有關(guān)。當巷道圍巖區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)角度在45°～60°之間時，該巷道出現(xiàn)兩幫收斂量與頂?shù)装逡平拷咏?、煤柱?cè)頂板下沉嚴重、煤壁側(cè)底板底臌量較大的變形特征，如圖5所示。

圖5 回采巷道圍巖非對稱變形破壞特征

5 結(jié)論

(1)將材料力學中的莫爾應(yīng)力圓方程應(yīng)用到巷道區(qū)域主應(yīng)力場的計算中，推導(dǎo)出了回采巷道考慮區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)的數(shù)值模擬邊界加載條件表達式。

(2)趙固二礦11071工作面運輸巷非對稱變形與區(qū)域主應(yīng)力場的偏轉(zhuǎn)有關(guān)。通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)角度的不同影響巷道圍巖出現(xiàn)不同的變形特征，當巷道圍巖區(qū)域主應(yīng)力場偏轉(zhuǎn)角度在45°～60°之間時，該巷道出現(xiàn)非對稱變形特征。