實(shí)體煤巷掘進(jìn)速度誘沖時(shí)空效應(yīng)研究

郭紅軍

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和煤炭資源開采格局的變化，我國礦井由低開采強(qiáng)度向高開采強(qiáng)度、由淺部向深部、由簡單地質(zhì)條件向復(fù)雜地質(zhì)條件和小斷面向大斷面發(fā)展。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，煤巷占礦山巷道的80%左右，而掘進(jìn)過程中沖擊一般發(fā)生在煤巷(表1)，且沖擊顯現(xiàn)位置、釋放能量、破壞形式等均不相同[1-2]，嚴(yán)重威脅了礦井安全高效生產(chǎn)。

表1 煤巷掘進(jìn)沖擊事故統(tǒng)計(jì)(近10年)

工程實(shí)踐表明，促使煤巷掘進(jìn)過程中發(fā)生沖擊事故的主要地質(zhì)及開采因素有：煤層沖擊傾向性、留底煤厚度、開采深度、煤柱尺寸、地質(zhì)構(gòu)造和煤厚變化，統(tǒng)計(jì)得到不同因素致沖案例情況見表2[8]。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。

表2 煤巷掘進(jìn)沖擊影響因素統(tǒng)計(jì)[8]

然而，掘進(jìn)速度對(duì)巷道沖擊的影響常常被忽略。沈威[9]統(tǒng)計(jì)了巷道掘進(jìn)速度與高能微震事件的關(guān)系，如圖1所示，可以看出，隨著掘進(jìn)速度增大，微震總頻次和大于1.0E+3J的震源頻次均呈增加趨勢，某種程度反映出掘進(jìn)速度增加增大了巷道沖擊可能性。因此，探究巷道掘進(jìn)速度致沖作用對(duì)礦井安全生產(chǎn)有重要意義。

圖1 掘進(jìn)速度與震源平均頻次的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，隧道掌子面附近應(yīng)力環(huán)境是以空間效應(yīng)為主、且與時(shí)間效應(yīng)綜合作用的結(jié)果[10-11]；隧道施工“空間效應(yīng)”及“時(shí)間效應(yīng)”對(duì)其圍巖穩(wěn)定性有很大影響，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件給出了初次及二次支護(hù)的最佳時(shí)機(jī)[12-16]。王彪[17]也認(rèn)為隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)與施工工藝、圍巖狀況、支護(hù)時(shí)機(jī)和空間效應(yīng)等有關(guān)，且支護(hù)時(shí)機(jī)和空間效應(yīng)對(duì)其圍巖穩(wěn)定性起主導(dǎo)作用。孟軍凱等[17]研究了影響快速掘進(jìn)巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素，針對(duì)巷道空頂空間大及時(shí)間長和難支護(hù)問題，提出了聯(lián)合主動(dòng)支護(hù)的原則。吉茂杰等[19]研究了基坑工程中的時(shí)間、空間效應(yīng)，提出了時(shí)間和開挖尺寸影響系數(shù)，得到了基于時(shí)空效應(yīng)的隧道變形計(jì)算方法。秦二濤等[20]利用數(shù)值模擬從應(yīng)力和位移角度探討了掘進(jìn)速度對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，本文旨在從能量角度研究掘進(jìn)速度對(duì)巷道沖擊破壞的影響作用，進(jìn)一步完善“小空間、低擾動(dòng)”應(yīng)力環(huán)境中的沖擊機(jī)理。

1 掘進(jìn)速度誘沖數(shù)值模擬研究

實(shí)際工程中，掘進(jìn)速度是一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的量，而FLAC3D軟件通常給出的是某個(gè)量與計(jì)算時(shí)步之間的關(guān)系。為了合理模擬掘進(jìn)速度對(duì)巷道沖擊的影響，從巷道開挖后應(yīng)力調(diào)整及平衡所用時(shí)間的角度考慮，即掘進(jìn)單位長度巷道給定應(yīng)力調(diào)整時(shí)間越長，則掘進(jìn)速度越慢，反之，掘進(jìn)速度越快。

假設(shè)不同掘進(jìn)速度條件下，煤層及其頂?shù)装鍘r層相同，開采深度和巷道參數(shù)不變，最大水平主應(yīng)力方向與巷道軸向保持平行，側(cè)壓系數(shù)取水平主應(yīng)力平均值與垂直主應(yīng)力之比且側(cè)壓系數(shù)和水平主應(yīng)力之比均取1。

以咸陽礦區(qū)某礦生產(chǎn)地質(zhì)條件為工程背景，建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，模型x向剖面如圖2(a)所示、y向剖面如圖2(c)所示，模型長(x)×寬(y)×高(z)=65 m×160 m×70 m，單元體最小邊長為0.5 m。巷道為矩形斷面，其尺寸為5 m×4 m，支護(hù)情況如圖3所示。

圖2 數(shù)值模型(m)

圖3 錨桿索支護(hù)斷面

模型中煤巖層力學(xué)參數(shù)見表3。模型x與y方向施加水平位移約束，底部邊界(z=0)施加垂直位移約束，上部邊界(z=70)施加均布載荷。開采深度約800 m，結(jié)合模型高度均布載荷為18.948 MPa。

表3 煤巖參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場，巷道掘進(jìn)日進(jìn)尺為5 m，因此，模擬計(jì)算中以5m為一個(gè)開挖單元。為了監(jiān)測掘進(jìn)過程中圍巖變形或沖擊參數(shù)的變化，巷幫0～15 m范圍每0.5 m布置一個(gè)測點(diǎn)，同一斷面內(nèi)測點(diǎn)為一組，沿巷道軸向每5 m布置一組。具體模擬過程為：①模型建立與初始平衡；②巷道開挖y=0～30 m并計(jì)算至平衡；③巷道開挖y=30～130 m，每5 m開挖一次，并以5 m/100 step、5 m/200 step、5 m/300 step、5 m/400 step和5 m/500 step進(jìn)行計(jì)算；④保存結(jié)果文件并導(dǎo)出各測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

能量變化是引起巷道圍巖變形破壞甚至發(fā)生沖擊的根本原因，因此模型計(jì)算過程中，以圍巖內(nèi)儲(chǔ)存變形能作為表征巷道圍穩(wěn)定性的指標(biāo)。由于各單元體均處于平衡前的動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，內(nèi)部儲(chǔ)存變形能不斷調(diào)整，變形能we可表示為：

式中：σ1為最大主應(yīng)力；σ2為中間主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；E為巷道圍巖彈性模量；μ為泊松比。

通過模擬計(jì)算得到不同掘進(jìn)速度條件下巷道圍巖內(nèi)部能量積聚及儲(chǔ)存情況，如圖4所示。

圖4 掘進(jìn)速度與巷道圍巖能量演化云圖

由圖4可以看出，迎頭卸壓釋能區(qū)和能量迅速升高區(qū)與迎頭距離均隨掘進(jìn)速度增加成指數(shù)增大(圖5)。隨著掘進(jìn)速度增加，近迎頭一定范圍內(nèi)圍巖能量積聚程度降低且范圍增大，釋能區(qū)由超前迎頭發(fā)展向滯后迎頭發(fā)展轉(zhuǎn)變，其形態(tài)由不連續(xù)“八”型向“C”型、剪刀型及傘型變化，而隨著迎頭向前推進(jìn)，不同掘進(jìn)速度條件下高能區(qū)形態(tài)相似[20]，說明掘進(jìn)速度增加了圍巖能量明顯調(diào)整的空間范圍，為巷道沖擊創(chuàng)造了條件，這與沖擊事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果相吻合。

圖5 掘進(jìn)速度與巷道圍巖能量演化空間關(guān)系

結(jié)合各測點(diǎn)數(shù)據(jù)，得到了不同掘進(jìn)速度條件下巷道圍巖不同深度最大能量演化情況，如圖6所示。

圖6 掘進(jìn)速度與巷道圍巖能量的關(guān)系

由圖6可以看出：①掘進(jìn)速度為5 m/100 step時(shí)，巷道圍巖最大能量分布與其他掘進(jìn)速度條件下明顯不同，其原因是5 m/100 step掘進(jìn)速度較快，導(dǎo)致巷道圍巖能量調(diào)整時(shí)間不充分，其演化過程相對(duì)滯后且能量集度較低，說明快速掘進(jìn)延遲了近迎頭位置圍巖能量的集中進(jìn)程，反之，低速掘進(jìn)為巷道圍巖能量長時(shí)積聚創(chuàng)造了條件；②距迎頭20～100 m范圍內(nèi)，圍巖能量變化基本上是由長時(shí)平衡作用引起的，圍巖深部能量減小并趨于穩(wěn)定，巷道徑向方向，距巷幫4 m處出現(xiàn)能量峰值，巷道軸向方向，隨著與迎頭距離增大呈圍巖能量緩慢增加并達(dá)到平衡，距迎頭100 m位置，不同掘進(jìn)速度引起的圍巖能量二次分布曲線接近重合；③巷道圍巖淺部(距巷幫2 m)能量在巷道軸向方向呈周期性變化(約30 m一個(gè)周期)，這是由掘進(jìn)速度、與迎頭距離、圍巖力學(xué)參數(shù)等多因素共同作用形成的較規(guī)律性能量調(diào)整過程。

根據(jù)研究，一般煤體發(fā)生微震所需最小能量不低于1.0E+5J[9,21]。為了分析不同掘進(jìn)速度對(duì)巷道沖擊的影響，本文統(tǒng)計(jì)了大于5.0E+5J的高能頻次，如圖7所示。

圖7 掘進(jìn)速度與巷道圍巖高能頻次的關(guān)系

由圖7可知，巷道圍巖能量積聚到一定程度時(shí)，高能頻次近似線性增加且增幅隨掘進(jìn)速度增加而減小，距迎頭100 m位置，5 m/100 step(快速)條件下高能頻次為0次，5 m/200 step條件下高能頻次為73次，而5 m/500 step(慢速)條件下高能頻次達(dá)到569次(近8倍)。因此，快速掘進(jìn)縮短了迎頭附近圍巖能量的調(diào)整時(shí)間，延遲了能量集中進(jìn)程，從時(shí)間角度考慮利于掘進(jìn)安全。

根據(jù)上述研究得出，掘進(jìn)速度對(duì)巷道沖擊的影響存在一個(gè)臨界值，要從圍巖能量調(diào)整空間和積累時(shí)間兩個(gè)方面綜合考慮，不能簡單地判定某掘進(jìn)速度是否適宜現(xiàn)場。結(jié)合現(xiàn)場認(rèn)為，小范圍或局部快速掘進(jìn)是可行的，如通過地質(zhì)構(gòu)造等，但是較大范圍快速掘進(jìn)很可能會(huì)誘發(fā)沖擊事故。

2 建 議

時(shí)間效應(yīng)不難理解，長時(shí)積聚使能量不斷儲(chǔ)存，當(dāng)其超過圍巖及支護(hù)系統(tǒng)承受極限時(shí)發(fā)生破壞甚至沖擊，再者就是降低了動(dòng)載誘發(fā)沖擊的閾值，因此，在實(shí)踐應(yīng)用中應(yīng)盡可能減少巷道成巷及其服務(wù)時(shí)間，比較而言，空間效應(yīng)可操作性差。結(jié)合沈威博士論文[9]巷道掘進(jìn)沖擊位置統(tǒng)計(jì)(表4)發(fā)現(xiàn)，煤巷掘進(jìn)沖擊破壞主要集中在距迎頭100 m范圍內(nèi)，由于生產(chǎn)地質(zhì)條件差異，各礦掘進(jìn)巷道易沖位置不同，如硯北礦和華亭礦實(shí)體煤掘進(jìn)沖擊頻發(fā)于距迎頭20～30 m范圍，而徐礦集團(tuán)煤巷掘進(jìn)沖擊均緊跟迎頭發(fā)生。因此，煤巷掘進(jìn)沖擊預(yù)測防治需基于礦井實(shí)際條件和成巷時(shí)空效應(yīng)綜合分析評(píng)定易沖區(qū)域并制定相應(yīng)的卸壓釋能降沖防沖措施，不能盲目復(fù)制鄰近礦區(qū)相關(guān)參數(shù)和治理措施。

表4 實(shí)體煤巷掘進(jìn)沖擊位置統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 語

利用數(shù)值模擬方法從能量角度研究了掘進(jìn)速度對(duì)巷道沖擊的影響，得到以下結(jié)論：

1) 快速掘進(jìn)易形成較大空間范圍內(nèi)圍巖能量的明顯變化，使巷道圍巖處于動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)，增加了沖擊可能性；反之，低速掘進(jìn)避免了能量空間效應(yīng)，但是會(huì)出現(xiàn)圍巖能量長時(shí)積累效應(yīng)，使巷道圍巖處于高能狀態(tài)，降低了沖擊閾值，即增加了低能擾動(dòng)誘發(fā)沖擊的幾率。

2) 當(dāng)遇到地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，可適當(dāng)增加掘進(jìn)速度，快速通過構(gòu)造影響區(qū)，降低巷道沖擊破壞危險(xiǎn)性。

3) 根據(jù)掘進(jìn)速度對(duì)巷道沖擊的時(shí)空效應(yīng)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件選擇適宜現(xiàn)場的掘進(jìn)速度，不能盲目確定。