紅慶梁煤礦11303回風(fēng)巷底板變形的數(shù)值模擬

劉振文， 段燕偉， 劉 志， 秦 濤

(1.黑龍江科技大學(xué) 科技處， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150022)

0 引 言

回采巷道的底鼓問(wèn)題一直是煤礦支護(hù)的難題之一[1-3]，底鼓現(xiàn)象是由于巷道圍巖性質(zhì)發(fā)生變化，使頂?shù)装搴蛢蓭蛶r體變形并向巷道內(nèi)移動(dòng)，底板向上隆起[4]。強(qiáng)烈底鼓可能引發(fā)礦壓等安全問(wèn)題，因此研究巷道底鼓演化規(guī)律，可以從源頭上有效地避免底鼓引發(fā)的安全問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同條件下回采巷道底鼓演化規(guī)律開(kāi)展了大量的研究工作。孫曉明等[5]利用數(shù)值模擬分析了不同應(yīng)力邊界條件下層狀底板的變形演化規(guī)律。楊仁樹(shù)等[6]探討了弱膠結(jié)軟巖巷道底板層狀特性對(duì)底鼓的影響。王志強(qiáng)等[7]對(duì)沿空巷道底板的非對(duì)稱應(yīng)力分布進(jìn)行分析，得出了巷道底鼓的演化規(guī)律。華心祝等[8]通過(guò)開(kāi)展典型條件沿空留巷相似模擬實(shí)驗(yàn)，獲得了該條件下底鼓的演化規(guī)律。曹平等[9]開(kāi)展了深部不同側(cè)壓下底鼓過(guò)程模擬，獲得了高側(cè)壓巷道的底板變形規(guī)律。李新旺等[10]分析了夾層厚度在不同側(cè)壓系數(shù)條件下對(duì)底鼓發(fā)生的影響因素及巷道底板變形規(guī)律。肖福坤等[11]通過(guò)對(duì)粗砂巖和細(xì)砂巖的力學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，開(kāi)展了裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的力學(xué)特性和聲學(xué)特征研究，可為巷道砂巖底板變形規(guī)律提供理論指導(dǎo)。江東海等[12]通過(guò)建立復(fù)雜節(jié)理巖體巷道數(shù)值模型，獲得了該地質(zhì)條件下的底鼓規(guī)律。孫利輝等[13]通過(guò)結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，對(duì)比分析了夾層對(duì)巷道底鼓量和應(yīng)力分布規(guī)律的影響。

基于以上研究，筆者通過(guò)對(duì)紅慶梁煤礦11303回風(fēng)巷底板破壞特征的總結(jié)分析，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，獲得了該巷道在掘進(jìn)穩(wěn)定后的垂直應(yīng)力及位移分布情況以及工作面推進(jìn)不同長(zhǎng)度時(shí)底板變形演化規(guī)律，以期為現(xiàn)場(chǎng)底鼓的防控提供指導(dǎo)。

1 工程概況

紅慶梁煤礦3-1煤層厚度為4.70～5.70 m，平均5.15 m。煤層傾角為0～6°，平均傾角為3°。3-1號(hào)煤層11303綜采工作面沿煤層傾向布置，工作面巷道沿煤層走向布置。該工作面位于3-1煤層輔助運(yùn)輸大巷西部，走向長(zhǎng)4 290 m，傾向長(zhǎng)為275 m。11303工作面回風(fēng)巷道在掘進(jìn)時(shí)，巷道變形特征主要表現(xiàn)為底鼓、頂板下沉、兩幫移近和錨桿錨索失效等現(xiàn)象；變形量均呈緩慢增加趨勢(shì)，底鼓量最大達(dá)到1.0 m，頂板下沉量達(dá)到0.5 m，兩幫移近量達(dá)到0.5 m。工作面出現(xiàn)煤壁片冒、底鼓、幫鼓等現(xiàn)象，極易誘發(fā)頂?shù)装鍨?zāi)害事故，安全風(fēng)險(xiǎn)程度明顯增高。

2 巷道底板破壞特征

巷道仰拱底鼓破壞模式與過(guò)程會(huì)因地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)條件、荷載、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量等因素的不同，巷道底鼓破壞模式也有相應(yīng)的區(qū)別。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)，紅慶梁煤礦11303回風(fēng)巷存在的底鼓類型主要是擠壓流動(dòng)型。

基底圍巖為軟弱破碎巖層或基底圍巖處于在外力或地下水膨脹作用下，基底圍巖承載力將不斷下降，相對(duì)于支擋結(jié)構(gòu)的巖體，基底圍巖強(qiáng)度遠(yuǎn)小于支擋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；支擋結(jié)構(gòu)周圍及上部圍巖在自重應(yīng)力QS作用下，在隧道拱腳位置易受到較大的剪力產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，基底圍巖將產(chǎn)生較大塑性應(yīng)變，甚至產(chǎn)生流動(dòng)的狀態(tài)。發(fā)生擠壓流動(dòng)型底鼓破壞，對(duì)于仰拱結(jié)構(gòu)，最大拉應(yīng)力q主要集中在巷道拱腳處和仰拱拱底位置，回填層最大拉應(yīng)力集中在巷道中心位置表層單元。擠壓流動(dòng)型底鼓破壞過(guò)程及示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 擠壓流動(dòng)型底鼓破壞過(guò)程及示意 Fig. 1 Failure process and schematic of extruded flow type floor heave

3 計(jì)算模型的建立

模型采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，根據(jù)鉆孔柱狀圖建立三維計(jì)算模型如圖2a所示。模型x、y、z方向分別為工作面走向、工作面傾向和重力方向。根據(jù)采掘工程平面圖和11303工作面采煤規(guī)程，巷道寬為5.5 m，高為4.0 m，聯(lián)絡(luò)巷寬5.5 m，高為4.0 m，煤柱寬均為20.0 m，由于工作面長(zhǎng)度較大，選取回采影響的范圍，長(zhǎng)度為240.0 m?？紤]邊界效應(yīng)，11301采空區(qū)、11303采空區(qū)和11303運(yùn)輸巷右側(cè)實(shí)體煤均設(shè)為50.0 m，工作面示意圖如圖2b所示。因此，模型尺寸設(shè)置為440.0 m×240.0 m×73.5 m，共有469 200個(gè)單元體和506 729個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 三維模型及工作面示意Fig. 2 3D model and working face schematic

本模擬采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，分別對(duì)模型的底部和四周施加位移約束，模型頂部施加12.2 MPa的等效載荷。各地層力學(xué)參數(shù)情況如表1所示。

表1 地層力學(xué)參數(shù)及厚度

表1中，Kv為體積模量，Kt為剪切模量，c為內(nèi)聚力，θ為內(nèi)摩擦角，σ為抗拉強(qiáng)度，ρ為密度，h為巖層厚度。計(jì)算時(shí)首先根據(jù)模擬的條件構(gòu)成初始應(yīng)力場(chǎng)，巖層的水平應(yīng)力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果(σx=17.94 MPa，σy=10.18 MPa)施加。模擬過(guò)程分為兩個(gè)階段：第1階段模擬巷道開(kāi)挖過(guò)程，獲取巷道穩(wěn)定后的底板應(yīng)力和位移分布特征；第2階段模擬沿當(dāng)前工作面向前推進(jìn)不同長(zhǎng)度，長(zhǎng)度選取為30、60和90 m，獲取該過(guò)程底板應(yīng)力和位移的演化規(guī)律。

4 巷道底板應(yīng)力分布特征

4.1 掘巷穩(wěn)定后巷道圍巖應(yīng)力分布特征

圖3為回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力分布云圖。由圖3a可知，垂直應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)域分布在距巷幫約3.5 m的范圍內(nèi)，應(yīng)力峰值為19.28 MPa；頂?shù)装鍨榈蛻?yīng)力區(qū)域。由圖3b可知，巷道左側(cè)受煤柱影響出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值為3.80 MPa，低應(yīng)力區(qū)分布大致呈“X”型。頂?shù)装鍨榈蛻?yīng)力區(qū)，兩幫為高應(yīng)力區(qū)。

圖3 回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力分布云圖 Fig. 3 Stress distribution nephogram of roadway surrounding rock

4.2 工作面推進(jìn)過(guò)程巷道底板應(yīng)力分布特征

為獲得推進(jìn)過(guò)程底板的應(yīng)力演化規(guī)律，選取工作面前方底板(表面以下0.5 m)在傾向上的不同位置，其傾向垂直應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4 工作面推進(jìn)期間底板傾向垂直應(yīng)力變化曲線Fig. 4 Vertical stress curve of floor inclination during working face advancing

由圖4可知，巷道左右兩側(cè)各存在一個(gè)支承壓力增高區(qū)，且兩側(cè)大致對(duì)稱。非采動(dòng)側(cè)底板垂直應(yīng)力穩(wěn)定，而工作面底板垂直應(yīng)力變化較大。這是因?yàn)椴蓜?dòng)作用打破了原始的應(yīng)力平衡，距采動(dòng)區(qū)域越近，影響越大。底板垂直應(yīng)力與距煤壁距離l有關(guān)，煤壁處底板垂直應(yīng)力最小，距煤壁10 m處最大，隨著距煤壁的距離增加，垂直應(yīng)力逐漸降低，接近原巖應(yīng)力。

底板垂直應(yīng)力隨工作面推進(jìn)發(fā)生變化，煤壁處垂直應(yīng)力最大值從12.14 MPa下降到9.87 MPa；距煤壁10 m處底板垂直應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)加快，最大值由18.00 MPa增到21.10 MPa；距煤壁20 m處底板垂直應(yīng)力增長(zhǎng)幅度變小，最大值由15.20 MPa增到16.90 MPa；隨著距煤壁距離的增加，這種變化越來(lái)越小，這說(shuō)明采動(dòng)影響在煤壁前10～20 m范圍內(nèi)較大。沿走向底板垂直應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 工作面推進(jìn)期間底板走向垂直應(yīng)力變化曲線Fig. 5 Vertical stress curve of floor strike during working face advance

由圖5可知，工作面推進(jìn)期間底板走向垂直應(yīng)力變化曲線分為3類：巷中、巷左和巷右。巷中和巷左底板垂直應(yīng)力分布比較穩(wěn)定，在工作面開(kāi)采前后10 m范圍內(nèi)應(yīng)力變大，由于巷左為煤柱，應(yīng)力集中程度較大，巷左底板垂直應(yīng)力大于巷中。巷右為工作面，底板垂直應(yīng)力變化較大，在開(kāi)采范圍內(nèi)垂直應(yīng)力急劇減小，幾乎為零；在工作面前后10 m處，底板垂直應(yīng)力最大，并向兩側(cè)逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定。隨著工作面長(zhǎng)度的推進(jìn)，開(kāi)采范圍變大，巷道底板的影響范圍也變大，垂直應(yīng)力的波動(dòng)也有所增加，這說(shuō)明工作面開(kāi)采在走向上影響較大。

5 巷道底板變形特征

5.1 掘巷穩(wěn)定后巷道圍巖變形特征

為準(zhǔn)確反映巷道圍巖在傾向上的位移情況，圖6為巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后沿傾向圍巖變形曲線。

圖6 沿傾向巷道圍巖變形曲線Fig. 6 Deformation curve of surrounding rock along dipping roadway

從圖6可以看出，巷道頂板下沉量最大，基本保持在78 mm，在煤壁處下沉量略有波動(dòng)，在煤壁前方30 m后達(dá)到穩(wěn)定；巷道底鼓量次之，在采空區(qū)底鼓量相對(duì)穩(wěn)定為50 mm，在煤壁處稍有增加，在煤壁前方30 m逐漸穩(wěn)定，其底鼓量達(dá)到53 mm；巷道兩幫偏移量較小，且左幫略小于右?guī)?，左右兩幫分別穩(wěn)定在12.5 mm和15.3 mm。圍巖各變形量在煤壁前方區(qū)域變化不大，在y=80 m，即煤壁前方30 m后區(qū)域穩(wěn)定。采空區(qū)頂板下沉量和底鼓量變化不大，兩幫偏移量變化較大。

圖7為巷道圍巖位移分布云圖。 由圖7a～c可知，巷道左、右?guī)臀灰瞥史菍?duì)稱分布，這是由于回風(fēng)巷左側(cè)煤柱在巷道掘進(jìn)之前進(jìn)行了應(yīng)力平衡，掘進(jìn)對(duì)其影響相對(duì)較小。巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后，頂板下沉量為78.8 mm，底鼓量為50.4 mm；左、右?guī)推屏糠謩e為12.5 mm和15.3 mm。由圖7d知，巷道開(kāi)挖后，頂板位移方向垂直向下，底板位移方向垂直向上，左右?guī)推屏孔钚?，方向基本保持垂直向下，部分指向底角，且右?guī)推频慕嵌容^大，這與巷道的位移分布云圖規(guī)律一致。

圖7 巷道圍巖位移分布云圖 Fig. 7 Displacement distribution nephogram of roadway surrounding rock

5.2 工作面推進(jìn)過(guò)程巷道底板變形特征

工作面推進(jìn)期間沿走向底鼓量變化曲線如圖8所示。

圖8 工作面推進(jìn)期間沿走向底鼓量變化曲線 Fig. 8 Change curves of floor heave along strike during working face advancing

由圖8可知，工作面推進(jìn)期間，沿走向根據(jù)底鼓量的變化可分為采空區(qū)、煤壁后區(qū)和煤壁前區(qū)。在采空區(qū)和煤壁前區(qū)，巷道底鼓量變化不大；在煤壁后區(qū)階段變化相對(duì)較大，尤其在過(guò)渡區(qū)域變化較大，過(guò)渡區(qū)域?yàn)閰^(qū)域界線向兩側(cè)延伸各10 m。

底鼓量變化曲線分為兩類：凸型和凹型。巷中和巷右底鼓量變化曲線為凸型，巷左為凹型。巷中底鼓量均為正值，表現(xiàn)為底鼓。巷右底鼓量變化范圍較大，在采空區(qū)和煤壁前區(qū)均為負(fù)值，表現(xiàn)為下沉，且巷右底鼓量與距巷中距離呈正相關(guān)。巷左底鼓量均為負(fù)值，表現(xiàn)為下沉。巷左底鼓量曲線基本重合，說(shuō)明幾乎不受距巷中距離的影響。

工作面推進(jìn)不同長(zhǎng)度，巷道底鼓量在走向上變化規(guī)律基本一致。隨著工作面的推進(jìn)，開(kāi)采范圍變大，巷道底板的影響范圍也變大，底鼓量的波動(dòng)也有所增加，這說(shuō)明工作面開(kāi)采在走向上影響較大。對(duì)比底鼓量增加幅度，第2次相比第1次變化較大，第3次較第2次變化不大，說(shuō)明初次開(kāi)采對(duì)巷道穩(wěn)定影響較大。

6 結(jié) 論

(1)掘巷穩(wěn)定后，垂直應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)域分布在距巷幫約3.5 m的范圍內(nèi)，應(yīng)力峰值為19.28 MPa，頂?shù)装鍨榈蛻?yīng)力區(qū)域；巷道左側(cè)出現(xiàn)水平應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值為3.80 MPa，低應(yīng)力區(qū)分布在頂?shù)捉俏恢?，大致呈“X”型分布。圍巖各變形量在煤壁前后10 m范圍內(nèi)波動(dòng)，在煤壁前方30 m區(qū)域達(dá)到穩(wěn)定。

(2)工作面推進(jìn)期間，底板垂直應(yīng)力和變形受采動(dòng)影響較大。垂直應(yīng)力沿傾向在煤壁前方10～20 m范圍最大，兩側(cè)應(yīng)力逐漸降低；底板沿走向垂直應(yīng)力和變形均與位置有關(guān)，距工作面越近波動(dòng)越大。對(duì)比3次推進(jìn)垂直應(yīng)力和底鼓量的增加幅度，發(fā)現(xiàn)初次推進(jìn)影響最大。