矩形巷道巖爆危險性受側(cè)壓系數(shù)的影響研究

茹銳鋒，于雁武，賈康輝，趙浩冬，郭 遠，常 皓

(1.中北大學 環(huán)境與安全工程學院，山西 太原 030051；2.中國人民解放軍32382部隊，北京 100072)

0 引 言

巖爆是一種發(fā)生在洞室圍巖的具有突發(fā)性的、猛烈的脆性破壞現(xiàn)象，它是由于高地應(yīng)力地區(qū)洞室開挖后局部應(yīng)力集中而導致的[1]，其隨機性、緩慢性、突發(fā)性等特點會對生產(chǎn)安全和工程可靠性造成負面影響，嚴重影響礦山的正常生產(chǎn)[2-4].

關(guān)于巖爆的預(yù)測問題，國內(nèi)外研究主要集中于圓形及拱形巷道，因為這種巷道的截面形狀規(guī)則，便于分析[5-8].但在實際工作中，礦山巷道的斷面大多數(shù)為拱形、矩形及梯形，其中矩形巷道因具有開挖支護便利的特點以及對于回采工作面的快速推進有促進作用而得到廣泛使用[9].然而，目前對于矩形巷道的研究多圍繞圍巖松動及變形展開，忽略了圍巖應(yīng)力集中帶來的巖爆危險性[10-12].

王學濱等[13]針對圓形巷道在不同側(cè)壓系數(shù)條件下的巖爆過程進行模擬，得出不同側(cè)壓系數(shù)造成的巖爆破壞區(qū)域有所不同.本文參照其研究方法，嘗試將巖爆的概念引入矩形巷道的研究中.利用FLAC3D軟件建立矩形巷道模型，分析不同側(cè)壓系數(shù)條件下巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)及位移量變化，為巖爆的預(yù)測提供依據(jù).將分析結(jié)果代入巖爆判據(jù)中，判斷可能發(fā)生巖爆的危險部位，并得出巖爆等級及最安全側(cè)壓條件.

1 巖爆數(shù)值模擬

巖體在地下所受到的應(yīng)力在水平方向與垂直方向并不是處處相等的.根據(jù)世界范圍內(nèi)統(tǒng)計的116個現(xiàn)場資料，埋深超過1 000 m時，垂直應(yīng)力為水平應(yīng)力的0.5倍～2倍[14].根據(jù)前期研究結(jié)果，側(cè)壓系數(shù)k(水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值)對巷道圍巖的破壞形式、應(yīng)力分布等方面有重要的影響[15-17].因此，本文選取埋深為1 000 m的矩形巷道，探討側(cè)壓系數(shù)分別為0.5，1，1.5時對巖爆變化趨勢的影響.

1.1 計算模型及本構(gòu)關(guān)系

模型尺寸為寬×厚×高=20 m×20 m×20 m，其中頂?shù)装鍘r層為石灰?guī)r，中間部分為煤層.矩形巷道的斷面尺寸為4 m×3 m.模型四周為水平約束，底部固定，上部為自由面.巷道圍巖體采用摩爾-庫侖彈塑性模型，計算模型及網(wǎng)格劃分見圖1，模型共劃分為256 000個單元.

圖1 計算模型

1.2 參數(shù)設(shè)定

在模擬過程中，最合適的開挖步長為1.5 m，這也是結(jié)合實際條件得出的，由于受到模擬條件以及單元數(shù)量的限制，計算過程耗時無法控制，所以，模擬時設(shè)置巷道一次開挖10 m.巖體力學參數(shù)取值參照《構(gòu)造地質(zhì)學》[18]和文獻[19]，見表1.

表1 巖體力學參數(shù)表

模型在水平方向受到壓力Ph作用，在垂直方向受到壓力Pv作用.根據(jù)文獻[14]所述埋深對垂直應(yīng)力的影響，共選擇了3個計算方案：方案1的Ph、Pv分別為40.5 MPa、27 MPa；方案2的Ph、Pv分別為27 MPa、27 MPa；方案3的Ph、Pv分別為13.5 MPa、27 MPa.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 巷道圍巖應(yīng)力分析

文獻[20]中對巖爆問題的研究表明，部分巖爆發(fā)生的位置在距離掌子面約 2 m～3 m的地方，因此，本文取距開挖前掌子面8 m處截面進行分析.圖2～圖4 分別為8 m處側(cè)壓系數(shù)k為0.5，1，1.5時，巷道頂板的最大主應(yīng)力線性圖.

圖2 k=0.5時巷道頂板最大主應(yīng)力線性圖

圖3 k=1時巷道頂板最大主應(yīng)力線性圖

圖4 k=1.5時巷道頂板最大主應(yīng)力線性圖

由圖2～圖4 可知，矩形巷道頂板邊界最大主應(yīng)力在中部最低，向兩側(cè)隨距離的增加逐漸增大，由于應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在頂點處，所以，主應(yīng)力最大值也出現(xiàn)在頂點處，且應(yīng)力值與側(cè)壓系數(shù)呈正相關(guān).這是由于巷道頂板在垂直應(yīng)力作用下將彎曲下沉，在邊角部位處極易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，且在底板及兩幫也存在同樣趨勢.文獻[21]表明，在全煤巷道中，當側(cè)壓系數(shù)在0.5～1時，隨著矩形巷道頂點側(cè)壓系數(shù)的增大，最大應(yīng)力集中值也逐漸增加，在實際施工過程中，為保證施工安全，巷道側(cè)壓系數(shù)不應(yīng)超過0.6.且矩形巷道的四頂點為最大主應(yīng)力集中點，與側(cè)壓系數(shù)正相關(guān)，經(jīng)比較可得，矩形巷道圍巖應(yīng)力受側(cè)壓系數(shù)影響從大到小為頂板、兩幫、底板，文獻[22]中也有對應(yīng)討論.對于不同側(cè)壓系數(shù)的描述中，每個巷道的最大應(yīng)力點都有4個，且都在邊界上成對稱分布，本文中頂板兩頂點集中應(yīng)力大于底板兩頂點是由于設(shè)置重力作用造成的.本文通過比較在3個不同側(cè)壓系數(shù)下矩形巷道頂點的應(yīng)力集中值，得出最安全側(cè)壓系數(shù)為0.5，這與文獻[22]所述相同.由此可以得出，本實驗建模及參數(shù)設(shè)置是準確的.

2.2 巷道圍巖位移量分析

圖5～圖7 分別為距開挖前掌子面8 m處側(cè)壓系數(shù)k為0.5，1，1.5時，巷道的最大位移量云圖.

圖5 k=0.5時巷道最大位移量云圖

圖6 k=1時巷道最大位移量云圖

圖7 k=1.5時巷道最大位移量云圖

從圖5～圖7 可以看出，巷道兩幫變形量大于頂?shù)装?，這是由于密度較低的煤聚集在頂?shù)装?，導致頂?shù)装宀馁|(zhì)松軟，所以，頂?shù)装逶谑艿絺?cè)壓作用時變形量大，而且當矩形巷道兩幫側(cè)壓系數(shù)增大時，由于密度小的煤受到擠壓，兩幫最大位移量也緩慢增加，二者呈正線性關(guān)系，這與文獻[22]中側(cè)壓系數(shù)為0.4～1時，全煤巷道煤巖兩幫的位移量變化趨勢相同.而頂?shù)装宓淖畲笪灰屏孔兓c側(cè)壓系數(shù)呈負相關(guān)，即隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，頂?shù)装宓淖畲笪灰屏恐饾u減小.其中，頂板最大位移量受側(cè)壓系數(shù)的影響大于底板，這是由于受到重力的影響.綜上得出，矩形巷道圍巖最大位移量受側(cè)壓系數(shù)影響從大到小為兩幫、頂板、底板，與文獻[23]中隨側(cè)壓系數(shù)增大，巷道不同位置圍巖塑性區(qū)破壞范圍大小為兩幫>頂板>底板的結(jié)論相同.

2.3 矩形巷道圍巖巖爆趨勢預(yù)測

2.3.1 判據(jù)選擇

國內(nèi)外針對圍巖應(yīng)力和巖爆的密切關(guān)系，提出了一些判別準則，主要有Turchaninov巖爆判別、Barton巖爆判據(jù)、陶振宇判據(jù)、谷明成判據(jù)等[24-26]，其中，應(yīng)用最廣泛的陶振宇判據(jù)和谷成明判據(jù)是基于最大主應(yīng)力對巖爆進行判據(jù)，但這兩種判據(jù)在判別巖爆發(fā)生時有偏高和偏低的現(xiàn)象.張鏡劍等在總結(jié)上述兩種判據(jù)的優(yōu)缺點后將兩種判據(jù)進行結(jié)合，形成了修改后的谷-陶巖爆判據(jù)[24]，得到的巖爆分級表見表2.本文將采用修改后的判據(jù)對巷道圍巖巖爆趨勢進行預(yù)測.

表2 修改后建議的巖爆分級表[24]

2.3.2 巖爆預(yù)測

由于本實驗?zāi)Ｐ椭虚g設(shè)置為煤層，而谷-陶巖爆判據(jù)在煤層中的應(yīng)用尚處于研究階段[27]，因此，本文只對巷道的頂?shù)装逡约敖屈c進行巖爆預(yù)測分析，選取最危險條件，抗壓強度為53 MPa.圖8、圖9 分別為頂?shù)装搴妥髠?cè)上下兩個角點隨側(cè)壓系數(shù)變化的巖爆趨勢預(yù)測圖.

圖8 頂?shù)装鍘r爆趨勢圖

圖9 頂?shù)捉菐r爆趨勢圖

由圖8 可知，矩形巷道頂板及底板的巖爆等級隨側(cè)壓系數(shù)的增加而增加，約為線性增長，其中頂板的增長趨勢大于底板.根據(jù)表2 得出，底板在側(cè)壓系數(shù)分別為0.5，1，1.5時，σ1/Rc<0.15，巖爆等級為I級，均無巖爆現(xiàn)象發(fā)生；頂板在側(cè)壓系數(shù)為0.5時，σ1/Rc<0.15，巖爆等級為I級，無巖爆現(xiàn)象發(fā)生；頂板在側(cè)壓系數(shù)為1時，σ1/Rc>0.2，可能發(fā)生III級中等巖爆活動，且有較強聲發(fā)射現(xiàn)象；頂板在側(cè)壓系數(shù)為1.5時，σ1/Rc>0.4，可能發(fā)生IV級高巖爆活動，并伴隨有很強的爆裂聲.

從圖9 中可以看出，巷道頂角與底角發(fā)生巖爆的趨勢與頂?shù)装逡恢拢珟r爆危險性均高于頂?shù)装?其中頂角在側(cè)壓系數(shù)為1時，σ1/Rc>0.2，可能發(fā)生III級中等巖爆活動；側(cè)壓系數(shù)為1.5時，σ1/Rc>0.4，可能發(fā)生IV級高巖爆活動.而在側(cè)壓系數(shù)為1.5時，底角的σ1/Rc值雖然小于0.15，但極為接近，應(yīng)引起重視.

綜上得出，當側(cè)壓系數(shù)為1和1.5時，頂板及頂角均有可能發(fā)生巖爆活動，側(cè)壓系數(shù)為0.5時, 巖爆活動在巷道圍巖不會發(fā)生，較為安全，與文獻[22]中提到的巷道的最安全側(cè)壓系數(shù)要小于等于0.6一致.這是由于巖爆發(fā)生的必要條件之一是巖體完整或比較完整，從而使其集聚了很大的彈性應(yīng)變能，較容易發(fā)生巖爆[28].通過模擬發(fā)現(xiàn)，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，巷道頂?shù)装宓奈灰圃谥饾u減小，巖體中的裂隙變小導致巖體維持完整的可能性變高，可以集聚更多的彈性應(yīng)變能來誘發(fā)巖爆.因此，隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，矩形巷道頂?shù)装宓膸r爆危險性增大，側(cè)壓系數(shù)0.5為最安全狀態(tài)條件.

3 結(jié) 論

1)矩形巷道不同位置(頂板、兩幫、底板)的最大主應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在頂點處，且隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，應(yīng)力值增大.側(cè)壓系數(shù)對于巷道圍巖應(yīng)力影響從大到小為頂板、兩幫、底板.

2)矩形巷道兩幫變形量隨側(cè)壓系數(shù)的增加表現(xiàn)出線性緩慢增加的趨勢，而頂?shù)装宓淖畲笪灰屏孔兓c側(cè)壓系數(shù)負相關(guān).側(cè)壓系數(shù)改變對巷道圍巖不同位置最大位移量的影響從大到小為兩幫、頂板、底板.

3)矩形巷道頂板、底板及四角點的巖爆等級均隨側(cè)壓系數(shù)的增加而增加.當側(cè)壓系數(shù)為1和1.5時，頂板及頂角有可能發(fā)生巖爆活動，而側(cè)壓系數(shù)為0.5時，巷道圍巖無巖爆活動，因此，側(cè)壓系數(shù)0.5為最安全狀態(tài)條件.

4)矩形巷道作為地下礦井開采中的回采巷道而被廣泛應(yīng)用，今后在開采中應(yīng)注重頂板及頂角的支護.同時，煤巖是矩形巷道中必不可少的一層，目前針對煤巖巖爆分析的判據(jù)適用問題還有待研究.