卸壓煤體緩沖吸能效應模擬分析

李小亮，郭偉耀，尹延春，肖亞勛，湯興學

（1.山東科技大學 能源與礦業(yè)工程學院，山東 青島266590；2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢430071）

隨著煤炭資源的開采，煤層的開采深度也隨之 增加。礦井沖擊地壓危害與日俱增，嚴重危害煤炭開采的安全[1-5]。針對如何防治沖擊地壓這種礦山動力災害，國內外研究學者對沖擊地壓的機理進行深入的研究。先后提出了強度理論、剛度理論、能量理論[6-7]、三準則理論[8]等，其中從能量的角度揭示沖擊地壓發(fā)生的機理得到了廣大學者的普遍認可，繼而從能量的角度考慮防治措施，是解決沖擊地壓防治問題的關鍵。國內外研究學者通過從能量的角度揭示沖擊地壓機理來防止沖擊地壓災害，先后提出了一列的理論與防治方法。竇林名等[9]提出的沖擊地壓強度弱化減沖理論，指出在沖擊危險區(qū)域通過采取松散煤巖體的方式，降低煤巖體的強度和沖擊傾向性，使得沖擊危險性降低。于正興等[10]提出防治沖擊地壓的應力三向化理論，通過對煤層進行擴孔卸壓，煤層頂板進行斷頂卸壓，煤層底板進行斷底卸壓，三向卸壓使應力高峰區(qū)向煤巖體深部轉移，從而解除沖擊危險區(qū)域。周立春等[11]通過室內試驗測得卸壓鉆孔可以改變煤體的物理力學性質, 通過降低煤體破壞極限強度和密度, 降低了煤體的沖擊傾向性,增加了煤體的應變率,在一定范圍內形成卸壓保護帶。譚云亮等[12-13]研究了“煤體”自身能量釋放型和“煤體+頂?shù)装濉惫餐芰酷尫判? 類煤巷幫部失穩(wěn)誘沖機理, 分析了深部煤巷幫部不同破壞類型的能量釋放特征,揭示了深部煤巷幫部“卸-固”協(xié)同控制機理。對于煤巖體卸壓手段，國內外研究學者分別采取煤層大鉆孔卸壓、煤層注水、煤層爆破卸壓等技術來研究煤層卸壓對防治沖擊地壓的效果[14-18]，李躍文[19]，劉華博[20]等利用數(shù)值軟件模擬卸壓鉆孔對巷道煤體的卸壓作用，研究表明：對煤巖體卸壓能夠釋放煤體內部能量，降低沖擊性危險性，能夠有效的防治沖擊地壓災害。目前，關于煤體卸壓的研究較多，但對于卸壓后的煤體對沖擊能量的緩沖吸能效果，以及對支護系統(tǒng)影響的問題有待進一步的研究和完善。通過利用PFC 顆粒流模擬卸壓煤體對沖擊能量的緩沖吸能效果以及對支護系統(tǒng)的影響，揭示了卸壓煤體緩沖吸能的規(guī)律。

1 卸壓煤巖體緩沖吸能機理

采掘工作面圍巖在高應力和開采擾動的作用下，會形成破碎區(qū)、損傷區(qū)和彈性區(qū)，其中破碎區(qū)承載能力較低，由破碎煤巖塊體組成，具有非連續(xù)性、接觸耗散性等特征。相對于完整的煤體，破碎的煤體聚積能量的能力較弱，煤體的沖擊傾向性也大大降低。卸壓煤體緩沖吸能示意圖如圖1，在沖擊荷載作用下，破碎區(qū)煤巖塊體會相互碰撞、滑動或滾動，塊體壓實及進一步破碎，對沖擊起到一定的緩沖作用，從而降低沖擊對巷道支護體系的破壞。鑒于破碎區(qū)對防沖的有利效果，沖擊礦井一般采用大鉆孔卸壓、深孔爆破、高壓注水等方法，進一步擴大破碎區(qū)的范圍及破碎程度，充分發(fā)揮破碎區(qū)緩沖吸能作用，從而達到理想的防沖效果。

圖1 卸壓煤體緩沖吸能示意圖Fig.1 Schematic chart of buffer energy absorption of pressure-relief coal

2 巷道圍巖局部模型

為研究巷道周圍卸壓后的破碎煤巖體對沖擊能量的緩沖吸能效果，利用PFC 顆粒流方法，建立了巷道圍巖局部模型，分析巷道圍巖不同卸壓破碎區(qū)損傷度、破碎范圍下破碎煤體對沖擊能量的緩沖吸能作用，對卸壓參數(shù)設計提供一定的指導。本次模擬建立的破碎圍巖顆粒流模型如圖2，模型分為頂板、底板、煤體和巷幫支護體。其中頂板、底板、煤體均采用顆粒填充且相互接觸，巷幫支護體采用墻體模型實現(xiàn)。煤體劃分為2 部分，一部分為完整煤體，另一部分為破碎煤體。

圖2 破碎圍巖顆粒流模型Fig.2 Particle flow model of fractured surrounding rock

為模擬卸壓破碎煤體，即卸壓煤體中填充的顆粒存在黏結與無黏結顆粒。煤體的破碎程度用無黏結的顆粒數(shù)量與填充的總顆粒數(shù)量之比表示，即煤體的損傷度D。破碎煤體的傷度D 用公式表示為：

式中：N0為無黏結的顆粒單元數(shù)量；N 為總顆粒單元數(shù)量。

模擬試驗中，首先為模擬深部煤巖體受到的高地應力，對模型頂部施加10 MPa 豎向恒定應力。為模擬煤巖體收到礦震沖擊，然后在模型左側施加一正弦速度波作為沖擊源，速度水平向右，周期為10 s，幅值為5 m/s，沖擊源震動波波形曲線如圖3，模型中煤巖體參數(shù)選取見表1。

圖3 沖擊源震動波波形曲線Fig.3 Waveform curve of vibration wave

表1 模型材料的力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of model materials

3 卸壓煤體對沖擊能量的吸收效果

為分析煤體對沖擊能量的緩沖吸能作用，給定卸壓煤巖體寬3 m、損傷度為40%，且受沖擊荷載作用下時，在0～4 m 的范圍內每隔0.5 m 設1 個監(jiān)測點記錄煤體內部動能變化，卸壓煤體動能監(jiān)測示意圖如圖4。

圖4 卸壓煤體動能監(jiān)測示意圖Fig.4 Schematic diagram of kinetic energy monitoring of pressure-relief coal

1）動能演化曲線如圖5。分析圖5 曲線發(fā)現(xiàn)：隨著時間及沖擊源處顆粒速度加載的變化，煤體內部動能也隨著發(fā)生近似正弦的波動變化，且隨距沖擊源距離的增加，動能波形曲線極值點時間延后、數(shù)值逐漸減小。

圖5 動能演化曲線Fig.5 Kinetic energy evolution curves

2）不同煤體深度處動能極值及減少值如圖6。分析圖6 曲線發(fā)現(xiàn)：完整煤體和卸壓煤體對動能的吸收效果有明顯的差別，在完整煤體中，2 m 的距離動能減少值為1.8～2.7 kJ，卸壓煤體每0.5 m 平均吸收動能3.2 kJ，卸壓煤體對沖擊能量的消耗大約是完整煤體的2 倍；在完整煤體與卸壓煤體交界面和卸壓煤體與支護體交界面附近，煤體對沖擊能量的消耗明顯增加。

圖6 不同煤體深度處動能極值及減少值Fig.6 Extremum and reduction of kinetic energy at different coal body depths

4 不同卸壓條件下支護體受力分析

4.1 不同損傷度煤體支護體受力對比

不同損傷度煤體巷幫支護體受力變化如圖7。卸壓煤體破碎深度為3 m，考慮了4 種不同的煤體損傷度，即0%、20%、40%、60%，通過分析曲線發(fā)現(xiàn)：隨著煤體損傷度的增加，靜載下巷幫支護體受力逐漸增加；與靜載相比，沖擊載荷作用下支護體受力隨煤體損傷度增加而逐漸減小，這種遞減趨勢在損傷度0～20%范圍內非常顯著，而在損傷度大于20%之后，遞減趨勢逐漸變緩；當卸壓煤體的損傷度在40%左右時，在保持支護體受力較小下，并充分吸收沖擊能量。

圖7 不同損傷度煤體巷幫支護體受力變化Fig.7 Stress change of support body of coal roadside with different damage degrees

4.2 不同破碎深度煤體支護體受力對比

由4.1 中，卸壓煤體在損傷度40%時，能夠達到較為理想吸收沖擊能量效果，不同破碎深度煤體巷旁支護體受力變化如圖8。圖8 給出了卸壓煤體損傷度40%，考慮了4 種不同的煤體破碎深度，即1、2、3、4 m，通過分析曲線發(fā)現(xiàn)：隨著煤體破碎深度的增加，靜載下巷幫支護體受力逐漸增加；與靜載相比，沖擊作用下支護力隨煤體破碎深度增加而逐漸減小，這種減小的趨勢在0～2 m 范圍內尤為明顯，而在破碎深度大于2 m 之后，遞減趨勢逐漸變緩；當卸壓煤體的損傷度在40%，破碎深度為3 m 左右時，達到較為理想了緩沖吸能效果，減少巷幫支護體成本。

圖8 不同破碎深度煤體巷旁支護體受力變化Fig.8 Stress change of support body of coal roadside with different crushing depths

5 工程案例

模擬研究表明，在一定范圍內煤體破碎程度與深度越大，對沖擊荷載的緩沖越有利，但過度破碎的煤體會造成支護體失效，從而變相誘發(fā)動力災害。因此，在進行高應力煤體卸壓時，應選擇合理的卸壓參數(shù)，確?！靶?支”平衡，即要充分發(fā)揮卸壓煤體緩沖吸能效果，又要確保支護體的承載強度。現(xiàn)階段最常用的沖擊地壓局部解危措施是大直徑鉆孔卸壓，鉆孔直徑一般為110～150 mm，孔深為10～20 m，鉆孔間距根據(jù)沖擊危險程度設計為1、2、3 m（或1.2 m 的倍數(shù)等）。大直徑卸壓鉆孔施工時，巷幫淺部支護影響區(qū)與深部高應力區(qū)的孔徑與孔間距參數(shù)一致，參數(shù)設計較難滿足“卸-支”平衡的要求。

針對巷幫深-淺煤體在沖擊地壓防治中的作用與角色不同，唐口礦實施了1 種分段擴孔卸壓技術，即：巷幫淺部區(qū)域（0～5 m）鉆孔孔徑為90 mm，深部區(qū)域（5～20 m）孔徑擴大為230 mm。分段擴孔卸壓示意圖如圖9。

圖9 分段擴孔卸壓示意圖Fig.9 Block reaming pressure relief diagram

結合模擬結果，破碎程度越高的煤巖體對沖擊能量的緩沖吸能效果越好，該分段擴孔技術通過對深部區(qū)域孔徑擴大增加深部區(qū)域煤巖體的破碎程度，充分吸收沖擊能量；模擬結果表明隨著煤體破碎程度的增加，在靜載作用下巷幫支護體受力也隨之增加，在巷幫淺部區(qū)域減小孔徑減小煤巖體破碎程度，降低巷幫支護體受力；數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)在完整煤體與卸壓煤體交界面和卸壓煤體與支護體交界面附近，煤體對沖擊能量的消耗明顯增加，通過分段擴孔技術增加交界面也達到了充分吸收沖擊能量的效果。該技術可在保證卸壓效果的基礎上，避免過度破壞支護體系，確?！靶?支”平衡。

6 結 論

1）隨著距離沖擊源的距離的增加，煤體內部受到?jīng)_擊能量逐漸減小，對煤體的沖擊效果逐漸降低，且隨著距離的增加，煤體內部沖擊荷載呈現(xiàn)波形相似、幅值減小、時間延后的演化規(guī)律。相較于完整煤體，損傷度40%卸壓煤體吸收沖擊能量是完整煤體的2 倍，卸壓煤體對沖擊能量的消耗要遠遠大于完整煤體。

2）隨著煤體破碎程度和破碎深度的增加，在靜載作用下巷幫支護體受力也隨之增加，同時由于煤體的破碎程度增加對沖擊能量的消耗也增加，能夠降低沖擊載荷對支護體的沖擊，在沖擊載荷作用下，煤巷支護體受力呈遞減趨勢。

3）當卸壓煤體的損傷度在40%，破碎深度在3 m 時，能夠充分的吸收沖擊能量同時減少巷幫支護體成本。為了達到理想的卸-支平衡效果，可以采取卸壓煤體破碎帶破碎程度高-低結合的卸壓方式，即深部高破碎度，淺部低破碎度，能夠有效吸收沖擊能量同時達到較好的卸-支平衡。