深部巷道爆破卸壓圍巖穩(wěn)定性分析

李 昂

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030024)

目前我國(guó)煤礦開采逐步從淺埋深煤層向深部轉(zhuǎn)移。在進(jìn)行深部煤層開采過程中，覆巖除了承擔(dān)比淺部煤層更高的自重應(yīng)力外，其初始應(yīng)力也有了較大幅度的增大，復(fù)雜的地應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響十分嚴(yán)重[1-2]. 同時(shí)礦山開采活動(dòng)使得圍巖中應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力重新分布導(dǎo)致在巷道形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中過大時(shí)巷道發(fā)生失穩(wěn)，因此對(duì)深部巷道穩(wěn)定性進(jìn)行研究十分重要[3-4]. 本文以某礦16121工作面為研究背景，對(duì)深部巷道卸壓爆破技術(shù)進(jìn)行模擬分析，對(duì)爆破作用下的圍巖變形及能量進(jìn)行研究，為深部巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

1 模型建立

隨著開采活動(dòng)向著深部發(fā)展，地下工程受到的地應(yīng)力不斷提高，與此同時(shí)，開挖使得應(yīng)力集中突出，此時(shí)巷道產(chǎn)生變形，一旦變形超過圍巖支護(hù)承載上限值后，巷道發(fā)生失穩(wěn)破壞。目前來說常見的破壞失穩(wěn)可分為5個(gè)類型：1) 巷道局部出現(xiàn)落石失穩(wěn)破壞。2) 圍巖受到拉裂折斷破壞。3) 剪切復(fù)合破壞形式。4) 巖爆破壞失穩(wěn)。5) 潮解膨脹破壞。深部巷道爆破卸壓技術(shù)主要是通過巖層爆破，切斷力的傳遞，消除巷道應(yīng)力集中現(xiàn)象，維護(hù)巷道穩(wěn)定性的一種方法。

利用ANSYS有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行建立，建立模型的尺寸為長(zhǎng)12.1 m×寬1.5 m×高23.5 m，巷道的斷面形式為馬蹄形，巷道斷面尺寸設(shè)定為4.2 m×3.5 m. 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)充分考慮計(jì)算時(shí)間及計(jì)算精度，在巷道1 m范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)劃分，在距離巷道較遠(yuǎn)的位置進(jìn)行模型粗劃分，完成模型劃分后共計(jì)434 790個(gè)單元和456 475個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)模型進(jìn)行約束條件劃分，在模型的左右及下端部施加固定約束，限制其X、Y、Z方向的位置，巷道設(shè)定為自由邊界。對(duì)模型上端及左右邊界施加初始地應(yīng)力。根據(jù)地質(zhì)情況，模型埋深800 m，施加在巷道垂直方向應(yīng)力為22 MPa，水平最大及最小主應(yīng)力分別為35 MPa和20 MPa. 采用庫(kù)倫摩爾模型為本構(gòu)模型，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，圍巖密度為2 635 kg/m3，彈性模量為40.08 GPa，黏聚力為42.87 MPa，泊松比為0.24，內(nèi)摩擦角為40°，抗壓和抗拉強(qiáng)度分別為97 MPa和16.5 MPa，完成模型的建立。

2 模擬計(jì)算

2.1 地應(yīng)力模擬分析

對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，得出巷道開挖后巷道圍巖切向應(yīng)力及最大主應(yīng)力的分布云圖，見圖1.

圖1 巷道圍巖切向應(yīng)力及最大主應(yīng)力的分布云圖

從圖1中可以看出，進(jìn)行開挖后，地應(yīng)力重新分布，整體在云圖中呈現(xiàn)對(duì)稱分布的特征，對(duì)稱軸為巷道垂直方向的中軸線，同時(shí)在巷道開挖面的附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在巷道的頂板及底角位置，在巷道頂板垂直應(yīng)力分布云圖中可以看出,頂板位置應(yīng)力峰值為59.1 MPa，底角位置應(yīng)力峰值為129 MPa. 在巷道切向應(yīng)力分布云圖中可以看出，在巷道的頂板位置應(yīng)力值為30.1 MPa，在底角位置出現(xiàn)應(yīng)力最大值，此時(shí)的應(yīng)力峰值為51.6 MPa. 由此可知，在巷道的頂板及底角位置應(yīng)當(dāng)進(jìn)行及時(shí)的支護(hù)，避免由于底角及頂板的變形造成巷道失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.2 巖爆傾向性模擬分析

對(duì)深部巷道圍巖的巖爆傾向性進(jìn)行研究，根據(jù)試驗(yàn)資料已知，圍巖的單軸抗壓和單軸抗拉強(qiáng)度分別為97.53 MPa和16.46 MPa. 模擬巷道周圍彈性應(yīng)變能密度分布情況，模擬云圖見圖2.

圖2 巷道周圍彈性應(yīng)變能密度分布圖

從圖2中可以看出，巷道周圍彈性應(yīng)變能密度分布同樣呈現(xiàn)對(duì)稱趨勢(shì)，對(duì)稱軸仍為巷道的軸向?qū)ΨQ軸，根據(jù)巖爆能量判據(jù)可知，當(dāng)巷道圍巖內(nèi)的彈性應(yīng)變能密度超過1×105J/m3時(shí)，巷道圍巖就有發(fā)生巖爆破壞的傾向。根據(jù)云圖顯示的圍巖彈性應(yīng)變能分布情況可以看出，在巷道的圍巖頂板和底板附近彈性應(yīng)變能密度分布大于1×105J/m3，在此位置有巖爆破壞的傾向，所以需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)卸壓，保證巷道穩(wěn)定性。

2.3 不同深度爆破卸壓孔對(duì)圍巖應(yīng)力的模擬分析

對(duì)不同爆破卸壓孔深度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響進(jìn)行研究，分別模擬爆破深度為3 m、4 m、5 m、8 m下的巷道圍巖最大主應(yīng)力情況，將模擬結(jié)果匯總見圖3.

圖3 不同爆破卸壓孔深度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)圖

從圖 3可以看出，當(dāng)炮孔深度為3 m、4 m 和5 m時(shí)，爆破卸壓破碎帶下圍巖最大主應(yīng)力峰值走勢(shì)幾乎相同，而當(dāng)炮孔深度為8 m 時(shí)，圍巖中的應(yīng)力分布與其余3種炮孔深度下存在一定的差距。對(duì)巷道底角的最大主應(yīng)力峰值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)炮孔深度為3 m時(shí)，最大主應(yīng)力峰值為83.28 MPa，當(dāng)炮孔深度為4 m時(shí)，最大主應(yīng)力峰值為87.81 MPa，當(dāng)炮孔深度為5 m時(shí)，最大主應(yīng)力峰值為86.03 MPa，而當(dāng)炮孔深度為8 m時(shí)，最大主應(yīng)力峰值為和115.28 MPa，巷道頂板處的最大主應(yīng)力峰值分別為 27.94 MPa、30.52 MPa、32.38 MPa、50.15 MPa. 可以看出，巷道開挖面上應(yīng)力峰值隨著炮孔深度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，當(dāng)炮孔深度為3～5 m時(shí)，卸壓效果差距不是很大，而當(dāng)炮孔深度達(dá)到8 m 時(shí)，卸壓效果有了大幅度增加。

對(duì)不同炮孔深度下的巷道洞壁位移進(jìn)行對(duì)比分析，研究卸壓爆破炮孔深度對(duì)深埋巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。不同炮孔深度下巷道頂?shù)装逦灰魄€見圖4.

圖4 不同炮孔深度下巷道頂?shù)装逦灰魄€圖

從圖4中可以看出，巷道頂板及底板移近量隨著爆破卸壓孔深的增加呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在巷道垂直方向中軸線的位置出現(xiàn)巷道頂板底板移近量的最大值，當(dāng)爆破孔的深度分別為3 m、4 m、5 m、8 m時(shí)，頂?shù)装逡平孔畲笾捣謩e為13.16 mm、13.27 mm、13.79 mm、16.58 mm，炮孔深度3～5 m時(shí)，頂?shù)装逡平坎罹嗖淮?。綜上所述，隨著炮孔深度的加大，在巷道開挖面上圍巖的應(yīng)力大小逐漸增加，巷道圍巖的變形位移同樣呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，穩(wěn)定性下降。

3 結(jié) 論

1) 深部巷道在進(jìn)行開挖后，地應(yīng)力重新分布，巷道開挖面的附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在巷道的頂板及底角位置。

2) 經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，在巷道頂板及底角位置有巖爆破壞的傾向，所以需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的卸壓，保證巷道穩(wěn)定性。

3) 對(duì)不同爆破卸壓孔深度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)及頂?shù)装逡平窟M(jìn)行分析，隨著炮孔深度的加大，在巷道開挖面上圍巖的應(yīng)力大小逐漸增加，巷道圍巖的變形位移同樣呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。