趙固二礦非對稱底鼓破壞規(guī)律研究

畢 鵬，魏文勝

(1.中煤第五建設(shè)有限公司第三工程處，江蘇 徐州 221002；2. 中國礦業(yè)大學(xué)(北京)共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083)

我國深部礦井資源賦存豐富，盡管近些年煤礦智能化無人化不斷發(fā)展，但巷道仍是工人與設(shè)備在井下重要的工作環(huán)境，因此研究深部巷道的穩(wěn)定性對保障礦井安全生產(chǎn)至關(guān)重要[1-3]。當載荷超過深部巷道底板破壞強度時底板就會發(fā)生破壞，加之一次巷道掘進使巷道周圍應(yīng)力發(fā)生變化，巖石處于破壞階段，在高應(yīng)力的擠壓作用下極易發(fā)生底鼓[4]。武精科等[5]認為煤巖層賦存環(huán)境差、巖性差、強采動高應(yīng)力是發(fā)生非對稱破壞的原因，提出了圍巖結(jié)構(gòu)分級分區(qū)耦合支護關(guān)鍵技術(shù)；馬念杰等[6]研究了圍巖偏應(yīng)力場和塑性區(qū)分布規(guī)律，提出了“蝶”形非對稱破壞理論；陳上元等[7]認為巷道產(chǎn)生非對稱變形主要是采動影響使巷道圍巖應(yīng)力場大小和方向發(fā)生改變導(dǎo)致的。雖然眾多學(xué)者對深部巷道底鼓破壞特征研究較多，但多采用連續(xù)元Flac進行研究，本文采用最新離散元3DEC數(shù)值模擬軟件及地質(zhì)雷達監(jiān)測設(shè)備，研究了趙固二礦底板非破壞特征，確定了底板破壞深度，對趙固二礦的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

趙固二礦為焦作礦區(qū)的新建礦井，底板富水性強，水壓大，隔水層薄，威脅著工作面安全生產(chǎn)。11060工作面軌道巷位于11041工作面西側(cè)，11041工作面主采二1煤層，煤層平均厚度約6.5 m，平均傾角3°，埋深700 m左右。11060工作面軌道巷受11041工作面采動影響，經(jīng)常發(fā)生巷道大面積變形，底鼓嚴重，影響礦井的安全生產(chǎn)和工人的生命安全。11041工作面采掘平面如圖1所示，工作面頂?shù)装迩闆r見表1。

圖1 11041工作面采掘平面

表1 11041工作面頂?shù)装迩闆r

2 底板非對稱底鼓破壞分析

2.1 非對稱底鼓特征

圖2為趙固二礦11060軌道巷采用防爆相機拍攝的底鼓圖，圖3是經(jīng)過專業(yè)處理后的地質(zhì)雷達掃描特征圖，圖3顏色的差異代表底板不同破壞特征。對圖2、圖3的分析表明，11060軌道巷在11041工作面回采期間底板圍巖變形破壞嚴重，需要大面積挖底翻修作業(yè)，并且肉眼可見靠近采空區(qū)一側(cè)的巷道底板底鼓程度及最大破壞范圍明顯大于靠近實體煤的一側(cè)，趙固二礦深部11060采動巷道底鼓破壞具有非對稱性，底板最大裂隙發(fā)育深度為20.5 m。

2.2 頂板對底板破壞影響

深部開采具有強擾動特性，工作面的強擾動性必然會通過煤柱對底板產(chǎn)生一定影響[8]，主要表現(xiàn)為工作面頂板的破壞觸矸以力或者能量的方式傳遞到底板，加大底板破壞深度及破壞寬度，底板受強擾動破壞將會形成塑性屈服區(qū)、卸荷破壞區(qū)、卸荷擴展區(qū)、觸矸破壞區(qū)及峰前損傷區(qū)(見圖4)[9]。深部開采時各區(qū)的范圍遠大于淺部開采，深部開采強擾動性產(chǎn)生的觸矸也會進一步加大底板破壞范圍。極易產(chǎn)生非對稱破壞。

根據(jù)砌體梁理論、半無限體理論、滑移線理論可以建立底板破壞力學(xué)模型如圖5所示，可得出底板最大破壞深度Hmax[10-11]計算公式為：

(1)

式中：φ為內(nèi)摩擦角，(°)；L為極限平衡區(qū)寬度，m。

依據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)情況及礦方資料知趙固二礦11060工作面軌道巷底板巖體內(nèi)摩擦角為36°，極限平衡區(qū)寬度18 m，帶入公式計算得底板最大破壞深度為21 m。

圖2 趙固二礦11060軌道巷非對稱底鼓特征

圖4 深部底板強擾動破壞分區(qū)

圖5 底板破壞力學(xué)模型

3 3DEC數(shù)值模型建立及模擬方案

根據(jù)11060軌道巷頂?shù)装宓刭|(zhì)情況及電腦硬件限制建立3DEC數(shù)值模擬模型，模型尺寸為長×寬×高=334.8 m×2 m×150 m，模型巖層本構(gòu)采用Mohr-Coulomb模型(cons=1)，節(jié)理裂隙采用庫倫滑移模型(jcons=2)，上覆巖層載荷16.4 MPa。模型的邊界條件如圖6，模型的巖層和力學(xué)參數(shù)如表2所示。

數(shù)值模擬方案：模型建立平衡后先開挖11060軌道巷，平衡后保存掘進影響穩(wěn)定階段sav文件，再開挖11041工作面，充分開采后保存采動階段巷道底板sav文件，進行對比分析研究。

4 3DEC數(shù)值模擬分析

4.1 不同階段下應(yīng)力場對比分析

運用離散元數(shù)值模擬軟件3DEC導(dǎo)出巷道在掘進影響穩(wěn)定階段和采動影響階段下垂直應(yīng)力和偏應(yīng)力云圖，如圖7所示。

圖6 模型邊界條件

表2 煤巖體力學(xué)參數(shù)

圖7 不同階段巷道應(yīng)力場對比

由圖7可知，深部巷道在掘進影響穩(wěn)定階段和采動階段圍巖應(yīng)力場存在巨大差異，掘進影響穩(wěn)定階段的巷道垂直應(yīng)力、偏應(yīng)力云圖均呈現(xiàn)明顯的以巷道中心為中心的對稱性，采動影響后，各應(yīng)力場普遍向煤柱一側(cè)發(fā)生偏移。巷道底鼓破壞嚴重，產(chǎn)生非對稱底鼓。

由圖7(a)可知，掘進影響穩(wěn)定階段的巷道開挖穩(wěn)定后垂直應(yīng)力場呈現(xiàn)規(guī)則的對稱“V”型分布，最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為3.50×107Pa和1.72×106Pa，低拉應(yīng)力主要分布在巷道頂?shù)装逄?，主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，以巷道中心向頂?shù)装逯饾u遞增，并逐漸表現(xiàn)為由拉伸破壞向剪切破壞變化，發(fā)生剪切破壞高壓應(yīng)力主要集中在巷道兩幫，并以巷道中心逐漸向兩幫側(cè)遞減；由圖7(b)可知，采動影響的巷道垂直應(yīng)力場呈現(xiàn)不規(guī)則的偏轉(zhuǎn)“V”形分布，頂板應(yīng)力場向煤柱側(cè)偏移，底板應(yīng)力場向?qū)嶓w煤幫偏移，應(yīng)力場值整體增大，最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力分別為9.40×107和2.41×106Pa，壓應(yīng)力顯著增大，增幅分別為168.6%和40.1%。壓應(yīng)力和拉應(yīng)力區(qū)分布位置基本不變。

巖土塑性力學(xué)認為[12-13]，巖體的破壞是由偏應(yīng)力控制的，巷道塑性區(qū)的發(fā)展與偏應(yīng)力場的演化密切相關(guān)，由圖7(c)、(d)可知，偏應(yīng)力場分布規(guī)律與垂直應(yīng)力場基本一致，受采動影響深部巷道偏應(yīng)力值及分布區(qū)域顯著增大，偏應(yīng)力場向煤柱方“傾倒”嚴重，偏轉(zhuǎn)角度達到40°，可明顯看出采動對巷道煤柱側(cè)底板擠壓作用。

4.2 不同階段下位移場對比分析

運用離散元數(shù)值模擬軟件3DEC導(dǎo)出巷道在掘進影響穩(wěn)定階段和采動影響階段下底鼓效果、垂直位移云圖，如圖8所示。

圖8 不同階段巷道位移場對比

由圖8可知，深部巷道在掘進影響穩(wěn)定階段和采動階段圍巖位移場存在巨大差異，掘進影響穩(wěn)定階段的巷道垂直位移、水平位移云圖均呈現(xiàn)明顯的以巷道中心為中心的對稱性，采動影響后，巷道底鼓效果明顯，周圍垂直值增大，位移場均勻分布被破壞。巷道非對稱底鼓破壞嚴重。

由圖8(c)可知，掘進影響穩(wěn)定階段的巷道開挖穩(wěn)定后垂直位移場呈均勻上下對稱“鐘”型分布，頂板巖層主要以負向位移即垮落剪切為主，巷道兩幫及底板主要以正位移即拉伸為主，并以巷道中心向頂板和底板兩側(cè)變形量都逐漸減小，最大底鼓位于巷道底板中心，底鼓量9.46×10-2m，最大垮落位置位于頂板中心，最大垮落量為4.78×10-2m；由圖8(d)可知受采動影響后，巷道位移場呈不均勻“波浪”形，巷道周圍垂直位移值普遍增大，尤其是煤柱下底板及巷道靠近煤柱部分底板，煤柱側(cè)底鼓范圍及底鼓量遠大于實體煤一側(cè)，最大底鼓處位于距煤柱側(cè)底板1.8 m處，底鼓量達到5.09×10-1m，增幅達到438%。

4.3 不同階段下塑性區(qū)對比分析

運用離散元數(shù)值模擬軟件3DEC導(dǎo)出巷道在掘進影響穩(wěn)定階段和采動影響階段下塑性區(qū)圖，如圖9所示。由圖9可知，深部巷道在掘進影響穩(wěn)定階段和采動階段塑性區(qū)分布存在巨大差異：①采動階段巷道頂?shù)装寮皟蓭偷乃苄詤^(qū)破壞范圍遠大于掘進影響穩(wěn)定階段，巷道左下角(煤柱側(cè))塑性區(qū)破壞范圍和深度遠大于巷道右下角(實體煤側(cè))；②巷道底板煤柱側(cè)塑性破壞嚴重，破壞深度大，遠大于實體煤一側(cè)，呈現(xiàn)非對稱破壞。

圖9 不同階段塑性區(qū)對比

5 結(jié) 語

1) 通過防爆相機和地質(zhì)雷達實測發(fā)現(xiàn)趙固二礦11060軌道巷在11041工作面回采期間底板圍巖變形破壞嚴重，巷道呈現(xiàn)非對稱底鼓。

2) 深部開采具有強擾動特性，深部開采時底板塑性屈服區(qū)、卸荷破壞區(qū)、卸荷擴展區(qū)、觸矸破壞區(qū)及峰前損傷區(qū)的范圍遠大于淺部開采，深部開采強擾動性產(chǎn)生的觸矸也會進一步加大底板破壞范圍，易產(chǎn)生非對稱破壞。

3) 3DEC數(shù)值模擬表明，深部巷道在掘進影響穩(wěn)定階段和采動階段圍巖應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)存在巨大差異，掘進影響穩(wěn)定階段的巷道垂直應(yīng)力、偏應(yīng)力云圖、垂直位移云圖均呈現(xiàn)明顯的以巷道中心為中心的對稱性，采動影響后，各應(yīng)力及位移場普遍向煤柱一側(cè)發(fā)生偏移，巷道底鼓破壞更嚴重，產(chǎn)生非對稱底鼓。