基于UDEC Trigon模型分析采動對深部巷道的破壞機理

陳小林，岳 鑫，馬嘉偉

(1.山西焦煤集團 正利煤業(yè)有限公司， 山西 呂梁 033500； 2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院, 江蘇 徐州 221116)

我國煤礦主要以井工礦為主，每年需要掘進各類井下巷道約12 000 km[1]，巷道承擔著煤炭開采工作中設備物料運輸、人員進出和通風等主要作用。因此，維護巷道穩(wěn)定是煤礦安全高效開采的重要保證。

深部巷道由于巖層賦存條件和地應力的改變，巷道支護一直是專家和學者們探究的熱點問題[2-4]. 受采動影響的深部巷道，其圍巖控制遇到的問題則更是嚴重[5,6]. 左宇軍等[7,8]分析了動力擾動對深部巖巷破壞過程的影響，從細觀角度分析了不同深度或受不同靜壓力的巖石巷道在動力擾動下的破壞規(guī)律。朱萬成等[9]運用數(shù)值軟件系統(tǒng)RFPA，模擬分析了動態(tài)擾動觸發(fā)深部巷道發(fā)生失穩(wěn)破裂的機理，提出動態(tài)擾動誘發(fā)的損傷區(qū)是采動情況下巷道破壞的主要原因。陳登紅[10]等采用真三軸相似模擬方法，模擬了不同加載梯度下巷道圍巖應變特征，當采動應力集中系數(shù)大于2時，深埋巷道圍巖應變進入非線性大應變狀態(tài)。

本文基于UDEC Trigon模型，分析巷道在經(jīng)歷初次開掘、上工作面采動影響、本工作面采動影響的相互疊加作用下，巷道的破壞機理。

1 工程背景

山西焦煤集團嵐縣正利煤業(yè)14103工作面位于寧武煤田東南部，礦井為立井開拓方式，布置一個開采水平，+593 m水平。礦井斷層發(fā)育規(guī)模小，不影響采區(qū)合理劃分及工作面的推進，對煤層開采無影響，未揭露陷落柱及巖漿巖，構(gòu)造屬簡單類。巷道所在煤層為4#煤層，其頂?shù)装鍘r性及其彈性模量、單軸抗壓強度見圖1. 14103工作面軌道順槽要求服務至14103工作面回采結(jié)束，見圖2，順槽在服務期間除了受巷道開挖對其本身的影響之外，還受上工作面(14102工作面)和本工作面的兩次采動影響，分別為14102工作面采動過程中產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力和本工作面推進過程產(chǎn)生的超前支承壓力[11]，這三者對軌道順槽兩幫產(chǎn)生較大的破壞作用，致使其變形嚴重。

圖1 巷道所在煤巖層力學特征圖

圖2 工作面布置圖

軌道順槽的支護方式：錨桿+金屬網(wǎng)/塑料網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護。其中，頂板和兩幫錨桿選用規(guī)格為d20 mm×L2 200 mm的高強度螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，錨固方式為全長錨固，見圖3.

圖3 14103工作面軌道順槽支護圖

2 離散元數(shù)值模擬

針對14103工作面軌道順槽實際情況，選用離散元數(shù)值模擬軟件對上下工作面回采過程中采動應力對順槽的影響建立數(shù)值模型進行分析。

2.1 UDEC Trigon 模型簡介

UDEC Trigon模型是由Gao F Q等[12]基于UDEC多邊形隨機模型提出的一種更符合實際情況的數(shù)值模型。在UDEC Trigon模型中，巖石或者巖體被隨機劃分為一系列的三角形塊體，它們之間通過接觸面連接，塊體被視為彈性體，模型沿著接觸面有兩種破壞形式，分別為拉伸破壞、剪切破壞[13].

將庫侖摩擦定律應用于三角形塊體。塊體的力學關系為：

Δσn=-knΔun

(1)

式中，Δσn為法向應力有效增量；Δun為法向位移有效增量；kn為法向剛度。

在切向上，塊體的力學關系為：

|τs|≤C+σntanφ=τmax

(2)

(3)

或者

|τs|≥τmax

(4)

τs=sign(Δus)τmax

(5)

2.2 模型建立

基于工程背景，建立14103工作面軌道順槽的UDEC Trigon模型，見圖4. 為了計算效率最大化，在順槽周邊一定范圍內(nèi)的塊體劃分成三角形，塊體平均大小為0.2 m，考慮到計算的精確性，防止塊體突然增大導致計算結(jié)果誤差增大，塊體隨著與順槽中心距離的增大而逐漸增大，在遠離巷道范圍內(nèi)的塊體被劃分為0.5～4 m的矩形塊體。順槽左邊是14102工作面，右邊是14103工作面。

圖4 數(shù)值計算模型圖

2.3 煤巖力學參數(shù)

14104工作面軌道順槽頂?shù)装鍘r層的單軸抗壓強度和彈性模量見表1，數(shù)據(jù)是通過制作成標準試件(d50 mm×L100 mm)實驗室測量而得來，RQD值通過鉆孔窺視測得。

表1 煤巖塊-煤巖體轉(zhuǎn)換后力學參數(shù)表

運用學者們總結(jié)歸納出的計算方法首先將實驗室測得的煤巖樣塊力學參數(shù)轉(zhuǎn)化為巖體的力學參數(shù)。

彈性模量轉(zhuǎn)化運用RQD值來計算[14]，計算公式為式(6)；在獲得巖體彈性模量的基礎上，運用經(jīng)驗法獲得巖體的抗壓強度[15]，計算公式為式(7)；基于抗壓強度，再利用估算的方法，得到巖體的抗拉強度，其計算公式為式(8).

(6)

(7)

(8)

式中,Em為巖體的彈性模量,GPa;Er為巖塊的彈性模量,GPa;RQD值在煤巖塊現(xiàn)場取芯時得到。σcj為巖體的抗壓強度,MPa;σci為巖塊的單軸抗壓強度,MPa. 令n=1/Gradient，n的值在巖體不同的破壞形式時取值不同，其中，劈裂和剪切為0.56，滑動為0.66，旋轉(zhuǎn)為0.72，平均值為0.63，由于巖體破壞形式復雜多變，此處取平均值0.63;σti為巖體抗拉強度，MPa；σcj為巖體抗壓強度,MPa.

利用UDEC Trigon模型進行單軸壓縮實驗,校驗測得的煤巖參數(shù)值,見表2，單軸壓縮實驗模型圖見圖5，為避免網(wǎng)格大小帶來的實驗誤差，其網(wǎng)格劃分大小與模型中的網(wǎng)格大小一致。

圖5 煤巖力學參數(shù)校驗模型圖

表2 煤巖力學參數(shù)校正表

2.4 地應力大小與模型開挖順序

根據(jù)14102工作面綜合柱狀，回采巷道埋深約620 m，取平均體積力為27 kN/m3，減去煤層上方模型的高度20 m，故在模型上方施加大小為16.2 MPa的垂直應力，模型的左右兩側(cè)采用水平位移固定，底邊垂直位移固定。在4-1#和4#煤層中各鋪設一條水平測線，在順槽四周設置8個測點，其中，順槽兩幫的測點用來測幫部的水平位移與垂直應力，順槽頂?shù)装宓臏y點用來測垂直位移與垂直應力。

1) 開挖14103工作面軌道順槽：在地應力平衡之后，通過刪除塊體的方式將順槽開挖出來，并立即進行支護，再進行平衡計算，巷道變形見圖6a).

2) 開挖14102工作面：14102工作面屬于上工作面，每10 m為一個計算步距，每次開挖計算平衡后計算下一步，共計算80 m，巷道變形見圖6b).

3) 開挖14103工作面：14103工作面屬于本工作面，起開挖方式與14102工作面一致，巷道變形見圖6c).

圖6 不同階段軌道順槽變形情況圖

3 巷道破壞機理分析

圖6顯示了不同階段巷道的變形情況，可以看出，巷道開掘之后，圍巖變形較小，巷道兩幫產(chǎn)生少許裂隙，而在14102和14103工作面回采結(jié)束后，巷道右?guī)彤a(chǎn)生嚴重的變形，14103工作面回采結(jié)束后巷道四周變形量見圖7.

圖7 巷道四周變形量曲線圖

由圖7可以看出，巷道頂?shù)装宓拇怪睉D(zhuǎn)移較小，而巷道左幫的垂直應力值高達約80 MPa，右?guī)徒咏?00 MPa. 由于巷道兩幫都是煤體，其抗壓強度為7 MPa以下，故可以判斷巷道兩幫的煤體處于已被破壞狀態(tài)。

3.1 采動應力分布規(guī)律

采動對巷道變形產(chǎn)生很大影響，從采動應力的角度分析對巷道的影響。巷道周圍巖層在不同階段的垂直應力云圖見圖8. 在巷道掘出后，兩幫應力增大至約20 MPa，巷道頂?shù)装鍛p小至原巖應力以下。14102工作面回采帶來的側(cè)向支承壓力導致巷道兩幫應力顯著增大至60 MPa左右，而14103工作面采動形成的超前支承壓力與14102工作面的側(cè)向壓力疊加導致巷道兩幫的應力增大至約80 MPa，應力集中系數(shù)達到4.7.

圖8 不同階段巷道圍巖垂直應力分布圖

3.2 采動裂隙演化規(guī)律

不同采動階段巷道四周的裂隙發(fā)育情況和錨桿的變形情況見圖9. 巷道掘出并及時支護后，在巷道兩幫的淺部產(chǎn)生少量裂隙，錨桿未產(chǎn)生大的變形，說明未受采動應力影響時，現(xiàn)有巷道的支護是合理的。14102工作面回采帶來的側(cè)向支承壓力導致巷道兩幫的裂隙向深部發(fā)育，左部分塊體產(chǎn)生較大位移，導致錨桿產(chǎn)生較大變形，并且巷道底板的裂隙也逐漸向深部發(fā)育，導致底板鼔起。而14103工作面回采帶來的工作面前方超前支承壓力導致巷道右?guī)痛笞冃危瑝K體離散，位移顯著增大，底板鼔起量進一步增大，兩幫的錨桿彎曲變形嚴重，對巷道兩幫的淺部煤體幾乎失去約束作用。這說明采動應力的疊加導致巖體發(fā)生破壞，進一步帶來錨桿的實效，導致巷道支護體系被破壞，巷道變形嚴重。

圖9 不同階段巷道圍巖裂隙演化規(guī)律圖

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場調(diào)研、實驗室實驗、數(shù)值模擬等方法，對正利煤業(yè)深部巷道受本巷道掘進影響和上工作面、本工作面產(chǎn)生的采動影響導致的破壞機理進行研究，主要得到以下結(jié)論：

1) 結(jié)合實驗室實驗和其他學者的研究總結(jié)，求出了4#煤系煤巖體的力學參數(shù)。

2) 巷道在服務期間共經(jīng)歷3次擾動，分別是巷道掘進、上工作面回采和本工作面回采，在本工作面回采時巷道幫部所受垂直應力高達100 MPa，應力集中系數(shù)達到4.7.

3) 高應力導致煤巖體發(fā)生破壞，巖塊產(chǎn)生大量的裂隙，錨桿彎曲變形，巷道破壞。