實(shí)體煤巷道靜載型沖擊孕育數(shù)值模擬研究

郭紅軍，陳晶晶，陳朋磊，李高鋒，陳紅杰

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)近10年煤巷掘進(jìn)沖擊事故中，單次事故傷亡人數(shù)最多達(dá)74人、死亡人數(shù)達(dá)21人，嚴(yán)重威脅礦井從業(yè)者生命安全、制約礦井安全高效生產(chǎn)，同時(shí)也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-6]。因此，研究并掌握煤巷掘進(jìn)沖擊機(jī)理、科學(xué)預(yù)測(cè)預(yù)防沖擊礦壓至關(guān)重要。

劉賽[7]研究發(fā)現(xiàn)，促使煤巷掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生沖擊事故的主要地質(zhì)及開(kāi)采因素(占比)有：煤層沖擊傾向性(25%)、留底煤厚度(24%)、埋深(22%)、煤柱尺寸(14%)、地質(zhì)構(gòu)造(13%)和煤厚變化(2%)。實(shí)際工程中，往往是某一因素主導(dǎo)、多因素綜合作用引發(fā)沖擊事故。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)誘沖因素進(jìn)行了大量研究與探索。潘鳳濤[8]結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件研究了沖擊危險(xiǎn)性演化特性，提出了適宜的解危措施；Zhu Guang′an等[9-10]針對(duì)煤層厚度變化分析了巷道圍巖應(yīng)力及變形破壞演化規(guī)律；Manouchehrian等[11-12]研究了斷層或剪切帶附近隧道巖爆發(fā)生機(jī)理和特征；Feng Fan等[13]以隧道圍巖結(jié)構(gòu)面為切入點(diǎn)探討了硬巖破壞模式，借助數(shù)值軟件對(duì)巖爆現(xiàn)象進(jìn)行了模擬研究；Jiang Quan等[14]利用能量指數(shù)法研究了隧道巖爆特征，并以深埋隧道為例進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。眾所周知，煤巖變形破壞實(shí)質(zhì)上是內(nèi)部?jī)?chǔ)能超出了其承載極限，但上述研究基本上都是從變形或受力角度展開(kāi)研究、進(jìn)而探討與沖擊之間的關(guān)系。基于此，本文利用FLAC3D軟件，從能量積聚與釋放角度模擬分析不同地質(zhì)因素(埋深、側(cè)壓系數(shù)和煤層厚度)和生產(chǎn)因素(巷道寬高比)條件下實(shí)體煤巷道掘進(jìn)沖擊孕育特征[15]，為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)沖防沖提供依據(jù)。

1 埋深效應(yīng)

煤層開(kāi)采應(yīng)力環(huán)境主要由埋深決定，埋深越大，煤層所受應(yīng)力越高，掘進(jìn)及回采難度越大。為了進(jìn)一步掌握埋深對(duì)巷道掘進(jìn)沖擊的影響，不同埋深條件下數(shù)值模型假設(shè)如下：①掘進(jìn)擾動(dòng)范圍內(nèi)，煤層及其頂?shù)装鍘r層相同；②巷道沿底掘進(jìn)，其參數(shù)不變且軸向與最大水平主應(yīng)力方向夾角為0°；③側(cè)壓系數(shù)和水平主應(yīng)力之比均為1。

以咸陽(yáng)礦區(qū)某礦為例，建立FLAC3D數(shù)值模型，模型尺寸為x×y×z=65 m×1 m×70 m，煤巖層共計(jì)11層，單元體最小邊長(zhǎng)0.5 m，如圖1所示。巷道為矩形斷面，其尺寸為5 m×4 m，支護(hù)情況如圖2所示。

圖1 數(shù)值模型

圖2 錨桿索支護(hù)斷面

埋深H分別取400、600、800和1 000 m，模型上部邊界(z=70 m)施加均布載荷分別為8.948、13.948、18.948、23.948 MPa。根據(jù)尺寸效應(yīng)，煤巖強(qiáng)度參數(shù)隨著試樣尺寸減小而增大。為了減小這一影響，一些學(xué)者基于結(jié)構(gòu)面和節(jié)理特征提出了煤巖與煤巖體強(qiáng)度之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系[16-20]，即：

(1)

(2)

式中，E、μ分別為煤巖試樣彈性模量、泊松比；E′、μ′分別為煤巖體彈性模量、泊松比；S為節(jié)理間距；kn為法向剛度。

研究認(rèn)為，煤巖黏聚力和抗拉強(qiáng)度通常為測(cè)試值的10%～25%，內(nèi)摩擦角近似等于測(cè)試值，泊松比為測(cè)試值的120%～140%[21]。結(jié)合煤巖樣實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果，各參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 煤巖參數(shù)

模型中，體積模量和剪切模量利用式(3)和式(4)計(jì)算得到：

(3)

(4)

式中，E為彈性模量；μ為泊松比。

巷道掘進(jìn)過(guò)程中，圍巖應(yīng)力不斷調(diào)整最后達(dá)到平衡。同理，模型開(kāi)挖時(shí)計(jì)算各單元體內(nèi)部?jī)?chǔ)存變形能均不斷變化，其變形能可表示為：

(5)

式中，σ1、σ2、σ3分別為最大、中間、最小主應(yīng)力。

當(dāng)we(i+1)>wei(i為計(jì)算步)時(shí)，模型單元體儲(chǔ)存能量，反之釋放能量。同時(shí)，也意味著單元體發(fā)生屈服甚至破壞。

為了獲取開(kāi)挖失衡至圍巖系統(tǒng)二次平衡過(guò)程中圍巖內(nèi)部能量的變化情況，在巷道幫部0～15 m內(nèi)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間距為0.5 m，即斷面內(nèi)共計(jì)布設(shè)30個(gè)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算，不同埋深條件運(yùn)輸巷道圍巖內(nèi)部變形能分布如圖3所示。

圖3 埋深與巷道圍巖變形能演化云圖

由圖3可以看出，巷道圍巖徑向方向由淺至深分別形成了能量釋放區(qū)和能量積聚區(qū)。埋深較小時(shí)，圍巖能量積聚區(qū)主要分布在巷道兩幫底角處；隨著埋深增大，圍巖能量積聚區(qū)由巷道兩底角向底板匯聚，逐漸在巷道底板下部形成高能連續(xù)帶。生產(chǎn)實(shí)踐中，巷道底板往往有效支護(hù)，因而，深部巷道更易發(fā)生底鼓或底板沖擊顯現(xiàn)。

利用數(shù)據(jù)提取和擬合等方法得到埋深和巷道圍巖內(nèi)部能量之間的關(guān)系，如圖4所示：①巷道圍巖內(nèi)部變形能峰值位置隨埋深增加向深部轉(zhuǎn)移，400 m埋深時(shí)能量峰值距巷幫3 m，而1 000 m埋深時(shí)能量峰值距巷幫4.5 m；②巷道圍巖內(nèi)部變形能峰值隨埋深增加呈線性增長(zhǎng)，且大于5.0×105J能量出現(xiàn)頻次不斷增加，埋深超過(guò)800m時(shí)增加尤為劇烈，1 000 m埋深時(shí)高能頻次(8 574次)幾乎為800 m時(shí)(482次)的18倍。

圖4 埋深與巷道圍巖能量關(guān)系

由此可知，較大埋深誘發(fā)了巷道沖擊，尤其超過(guò)800 m埋深時(shí)，對(duì)其貢獻(xiàn)率增加迅猛。

2 側(cè)壓系數(shù)效應(yīng)

為了研究巷道掘進(jìn)過(guò)程中側(cè)壓系數(shù)對(duì)圍巖內(nèi)部能量分布的影響，模型作如下假設(shè)：不同側(cè)壓系數(shù)條件下，埋深、煤巖層和巷道等參數(shù)不變，水平主應(yīng)力比值為1。生產(chǎn)實(shí)踐中，側(cè)壓系數(shù)λ大部分集中在0.8～1.5[21]，模擬中選取0.5～2.5，以800 m埋深為例進(jìn)行研究，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖6 側(cè)壓系數(shù)與巷道圍巖能量的關(guān)系

由圖5和圖6可知，隨著側(cè)壓系數(shù)增大，巷道圍巖能量積聚區(qū)由巷道幫部向頂?shù)装宸较蜣D(zhuǎn)移，能量峰值迅速增加(λ>1.5時(shí)線性增加，圖6(b))且與巷道表面距離呈先減小后穩(wěn)定趨勢(shì)，高能頻次整體呈上升趨勢(shì)。當(dāng)1.0<λ<1.5時(shí)，大于5.0×105J能量頻次劇烈增加；當(dāng)λ=2.0時(shí)達(dá)到最大，為7 600次；當(dāng)λ=2.5時(shí)，反而出現(xiàn)下降。因此，低于或高于靜水壓力水平時(shí)，均不利于巷道圍巖穩(wěn)定。一般地，側(cè)壓系數(shù)越大，越易達(dá)到巷道沖擊條件，引發(fā)沖擊事故。

3 煤層厚度效應(yīng)

為了研究煤層厚度對(duì)掘進(jìn)巷道圍巖內(nèi)部能量分布的影響，模型作如下假設(shè)：不同煤厚條件下，埋深、煤巖層和巷道等參數(shù)不變，側(cè)壓系數(shù)和水平主應(yīng)力之比均為1。以800 m埋深為例，模型尺寸同章節(jié)1，模擬中煤厚分別取5、10、15、20、30、40 m，計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知，煤厚超過(guò)15 m時(shí)巷道圍巖能量演化趨于一致，隨著煤厚增加，能量峰值變化很小。當(dāng)h=30 m時(shí)出現(xiàn)峰值，為6.6×105J，大于5.0×105J高能頻次隨之呈現(xiàn)先升后降；當(dāng)h<20 m時(shí)增速較大，反之增速顯著降低。

圖7 煤厚與巷道圍巖變形能演化云圖

圖8 煤層厚度與巷道圍巖能量的關(guān)系

由此可見(jiàn)，煤厚對(duì)巷道圍巖內(nèi)部能量積聚影響較小，但在一定范圍內(nèi)(<20 m)增加煤厚能縮短巷道沖擊的孕育時(shí)間。

4 巷道寬高比效應(yīng)

為了分析掘進(jìn)巷道寬高比對(duì)圍巖內(nèi)部能量分布的影響，模型假設(shè)[22]：不同巷道寬高比條件下，埋深和煤巖層等參數(shù)不變，最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸向夾角為0°，側(cè)壓系數(shù)和水平主應(yīng)力之比均為1。根據(jù)章節(jié)1內(nèi)容，巷道掘進(jìn)斷面面積為20 m2，結(jié)合實(shí)際工程中巷道斷面尺寸情況，選取不同寬高比的巷道、掘進(jìn)面積相等(S=20 m2)，具體見(jiàn)表2。

表2 巷道尺寸及寬高比

以埋深800 m為例，模型尺寸同章節(jié)1，計(jì)算結(jié)果如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可以看出，巷道寬高比增加使圍巖能量峰值增大且向圍巖淺部轉(zhuǎn)移，在圍巖淺部形成了較高能量集中，高能頻次隨之持續(xù)增加，即巷道寬高比越大，高能震源越多，巷道沖擊概率增大。工程實(shí)踐中，往往采取適當(dāng)增加巷道寬高比的方式，其目的是預(yù)留巷道變形空間，如果巷道發(fā)生可控變形收斂，該措施既能保證巷道正常使用，而且減少了后期維修工程量。需強(qiáng)調(diào)的是，過(guò)大的巷道寬高比會(huì)使安全生產(chǎn)面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，尤其是頂板問(wèn)題，設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中一定要謹(jǐn)慎。

圖9 巷道寬高比與圍巖變形能演化云圖

圖10 巷道寬高比與圍巖能量的關(guān)系

5 結(jié)論

結(jié)合實(shí)體煤巷道掘進(jìn)沖擊影響因素，利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)埋深、側(cè)壓系數(shù)、煤厚、巷道寬高比等進(jìn)行了模擬研究，得到以下結(jié)論。

(1)隨著埋深增加，巷道圍巖積聚能量和高能頻次均呈增大趨勢(shì)，易形成高應(yīng)力高能量作業(yè)環(huán)境，為巷道掘進(jìn)沖擊創(chuàng)造了條件，當(dāng)埋深超過(guò)800 m時(shí)，對(duì)其貢獻(xiàn)率迅速增加。

(2)低于或高于靜水壓力水平時(shí)，均不利于巷道圍巖穩(wěn)定性，隨著側(cè)壓系數(shù)增大，巷道更容易發(fā)生沖擊事故。

(3)煤厚對(duì)巷道圍巖能量積聚影響較小，但在20 m范圍內(nèi)煤厚增加能加快巷道沖擊孕育進(jìn)程。

(4)隨著巷道寬高比增加，圍巖內(nèi)高能震源頻次上升，巷道沖擊概率增大，尤其是頂板事故和底板型沖擊。

(5)巷道設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能降低或避免生產(chǎn)因素對(duì)巷道掘進(jìn)沖擊的影響；掘進(jìn)期間，應(yīng)結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件加強(qiáng)礦壓監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，對(duì)高能區(qū)域及時(shí)卸壓，對(duì)巷道圍巖弱面或脆弱區(qū)域及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，保證安全生產(chǎn)。