頂板垮斷作用下巷道支護(hù)體系抗沖擊能力研究

趙志鵬，邱海濤，李紅平，姬振興，賈兵兵，孔令宇，楊 旭，秦洪巖，歐陽(yáng)振華

（1.國(guó)能能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 831215；2.華北科技學(xué)院，河北 廊坊 065201）

沖擊地壓是一種煤礦在開(kāi)采過(guò)程中由于煤體彈性能突然釋放而產(chǎn)生劇烈破壞，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、采掘空間變形以及人員傷亡等重大損失的動(dòng)力現(xiàn)象[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)生在巷道的沖擊地壓事故占比高達(dá)90%。由于外界動(dòng)載擾動(dòng)，巷道圍巖在動(dòng)靜載疊加作用下產(chǎn)生動(dòng)力破壞，而工作面支護(hù)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于兩巷，幾乎沒(méi)有沖擊地壓傷亡事故[3-5]。由此可見(jiàn)，維持巷道圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定是有效預(yù)防和治理沖擊地壓事故的關(guān)鍵，優(yōu)化支護(hù)體系、提高抗沖解危能力對(duì)于減少和避免發(fā)生沖擊地壓事故具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于巷道支護(hù)體系防沖能力和解危效果進(jìn)行了大量的研究，針對(duì)巷道支護(hù)體系的支護(hù)方式和參數(shù)優(yōu)化、支護(hù)效果模型提供了理論支持和評(píng)價(jià)方案，闡述了大能量事件在傳播時(shí)的能量耗散過(guò)程及巷道支護(hù)體系的響應(yīng)特征[6-9]。以往研究表明：堅(jiān)硬的頂板巖層易于誘發(fā)沖擊地壓事故，其在開(kāi)采過(guò)程中的突然破壞或斷裂所產(chǎn)生的脈沖應(yīng)力和震動(dòng)極易導(dǎo)致周?chē)后w彈性能的突然釋放[10-11]；上覆巖層的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)下部煤層及巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生決定性影響，巷道上方堅(jiān)硬頂板由于其強(qiáng)度大、整體性好而容易造成采空區(qū)周邊煤體應(yīng)力集中并存儲(chǔ)大量彎曲應(yīng)變能，頂板垮斷時(shí)產(chǎn)生的沖擊波能量巨大，會(huì)對(duì)下部巷道產(chǎn)生強(qiáng)擾動(dòng)作用，是沖擊地壓防治的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象[12-13]；動(dòng)、靜載載荷疊加狀態(tài)下的巷道更是沖擊地壓防治難點(diǎn)，沖擊地壓巷道處于自重應(yīng)力以及構(gòu)造和采動(dòng)應(yīng)力的共同作用下，應(yīng)力結(jié)構(gòu)復(fù)雜；且巷道堅(jiān)硬頂板垮斷產(chǎn)生的沖擊荷載作用時(shí)間短，蘊(yùn)含能量高，使得巷道支護(hù)體系極易產(chǎn)生變形[14-15]；作為防治沖擊地壓的最后1 道防線(xiàn)，合理的防護(hù)措施與支護(hù)體系可以有效降低巷道沖擊地壓事故，減少損失和破壞。因此，有必要采用動(dòng)靜載組合作用的方式，對(duì)堅(jiān)硬頂板條件下巷道支護(hù)體系的抗沖擊能力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征進(jìn)行深入的研究，以便于更好地防范此類(lèi)型沖擊地壓。為此，以寬溝煤礦I010203 工作面為例，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)堅(jiān)硬頂板巷道動(dòng)載擾動(dòng)下的動(dòng)力傳播過(guò)程以及巷道支護(hù)體系的變形響應(yīng)特征進(jìn)行研究，分析不同能量事件對(duì)單巷道以及臨近采空區(qū)巷道的影響，對(duì)該工作面的支護(hù)體系做出評(píng)價(jià)。

1 工程地質(zhì)概況

寬溝煤礦I010203 工作面地處呼圖壁縣，礦井主采煤層為B2 號(hào)煤層，埋藏深度平均440 m，厚度8.62～20.84 m，平均9.5 m，屬特厚煤層；I010203 工作面東至運(yùn)輸上山保護(hù)煤柱，南至井田邊界，北至I010201 工作面，之間留設(shè)煤柱15 m；工作面上部為已開(kāi)采的I010405、I010403 工作面采空區(qū)，I010203工作面上部為I010405 工作面采空區(qū)。經(jīng)鑒定，B2煤層具有弱沖擊傾向性，煤層頂板具有強(qiáng)沖擊傾向性。根據(jù)工作面基本條件、掘進(jìn)期間的動(dòng)力顯現(xiàn)，初步判斷該I010203 工作面回采過(guò)程中可能存在沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)。基本頂為致密堅(jiān)硬的粉砂巖，厚4.8 m，直接頂厚度為19.3 m，是以砂巖為主，含少量中砂的細(xì)砂巖，直接底為粗砂巖，厚度為21 m。I010203工作面巷道沿底掘進(jìn)，不留設(shè)底煤，I010203 工作面布置圖如圖1。

圖1 I010203 工作面布置圖Fig.1 Layout of I010203 working face

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立

以寬溝煤礦I010203 工作面為例，采用Abaqus數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型，對(duì)動(dòng)靜載組合作用下巷道圍巖的變形特征以及圍巖抗沖擊能力進(jìn)行分析。為了提高模擬結(jié)果的可靠性，利用MTS815 伺服控制測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該工作面所在區(qū)域不同巖層的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，巖石力學(xué)參數(shù)表見(jiàn)表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表Table 1 Rock mechanics parameters table

根據(jù)該工作面綜合地質(zhì)鉆孔圖可得地層分布并結(jié)合實(shí)際工況建立了運(yùn)輸巷模型，模型尺寸為100 m×100 m×2.4 m。模型巷道斷面為圓弧拱形，掘進(jìn)寬度為4.7 m，巷道斷面中心掘進(jìn)高度3.4 m。采用錨索結(jié)構(gòu)單元模擬沿空巷道錨桿錨索支護(hù)，取1 個(gè)錨桿錨索支護(hù)單元厚度2.4 m 作為模型厚度。錨桿參數(shù)見(jiàn)表2。巷道模型及支護(hù)參數(shù)圖如圖2。

圖2 巷道模型及支護(hù)參數(shù)圖Fig.2 Roadway model and supporting parameters

表2 錨桿參數(shù)Table 2 The parameters of the anchor

2.2 頂板沖擊荷載模擬

工作面開(kāi)采過(guò)程中，共監(jiān)測(cè)到104J 以上的大能量事件10 次，且多發(fā)為相鄰采空區(qū)之間，I010203 工作面大能量事件統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。保守起見(jiàn)，以寬溝煤礦微震監(jiān)測(cè)預(yù)警值2×106J 進(jìn)行模擬。動(dòng)力加載過(guò)程中，主要考慮以下3 個(gè)方面，分別為機(jī)械阻尼、邊界條件以及動(dòng)載荷施加和傳播。模型采用了局部阻尼以實(shí)現(xiàn)在傳播過(guò)程中的能量耗散，根據(jù)李可等[16]的研究，臨界阻尼比以5%計(jì)，通過(guò)對(duì)計(jì)算模型的模態(tài)分析，確定模型的瑞利阻尼系數(shù)α=0.122 74，β=0.004 69。

表3 I010203 工作面大能量事件統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of large energy events of I010203 working face

2.3 初始應(yīng)力及邊界條件

I010203 工作面平均埋深420 m，上覆巖層平均密度為2 500 kg/m3，考慮巖層自重應(yīng)力，對(duì)模型上表面施加10.5 MPa 荷載。在初始靜力條件下，對(duì)模型的4 個(gè)垂直面和模型底部分別施加水平和垂直位移約束。根據(jù)煤礦錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范以及現(xiàn)場(chǎng)工況，設(shè)定錨桿屈服應(yīng)力為700 MPa，并施加190 kN的預(yù)應(yīng)力。設(shè)定錨索屈服應(yīng)力為1 860 MPa，并對(duì)錨索施加100 kN 的預(yù)應(yīng)力。采用熱膨脹法在數(shù)值模擬中對(duì)錨桿施加了預(yù)應(yīng)力。當(dāng)溫度降低1 ℃時(shí)，由式（1）可得錨桿膨脹系數(shù)為0.001 28 m/s2，錨索膨脹系數(shù)為0.000 675 m/s2。預(yù)應(yīng)力F 為：

式中：A 為錨桿橫截面積；E 為彈性模量；α 為膨脹系數(shù)；△T 為溫度梯度；F 為預(yù)應(yīng)力，kN。

2.4 動(dòng)載施加及傳播過(guò)程

鑒于之前的研究[17-19]，礦山地震活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間約為幾十毫秒，且能量值大于1×105J 的微震事件頻率在5 Hz 左右，故本例研究中頻率設(shè)置為5 Hz。根據(jù)Zhu 等[20]研究可知，如果動(dòng)態(tài)干擾源是由頂板崩落引起的，則波形通常屬于單峰波形。因此，P 波可用于動(dòng)態(tài)載荷的模擬。數(shù)值模擬中沖擊波輸入波形根據(jù)式（2）進(jìn)行模擬[21]。巖爆沖擊點(diǎn)速度V 為：

式中：V0為波速幅值；τ 為沖擊脈沖時(shí)間跨度；t為沖擊波周期，t=1/f；f 為頻率。

根據(jù)A Mcgarr[22]提出的監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值速度、震源到巷道的距離R 與巖爆強(qiáng)度之間的關(guān)系可知：

式中：R 為震源中心到巖爆沖擊點(diǎn)的距離，cm；v 為巖爆沖擊點(diǎn)的峰值速度，cm/s；ML為震級(jí)；EL為震源能量。

以礦震能量值最大的“3.8”礦震事件震源位置為參考，大能量事件發(fā)生于運(yùn)輸巷上方約50 m 處，考慮到煤層上覆19.3 m 厚的細(xì)砂巖堅(jiān)硬頂板，故將動(dòng)載源設(shè)置在細(xì)砂巖之上并向右45°偏移，距離巷道直線(xiàn)距離50 m 位置處。根據(jù)式（3）和式（4）采用試算法，當(dāng)震源距巖爆沖擊點(diǎn)半徑R 為50 m，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值速度v 為0.4 m/s 時(shí)，可算得巖爆能量大約為2×106J。具體的動(dòng)載參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 加載的相關(guān)參數(shù)Table 4 Loading parameters

通過(guò)二分法對(duì)輸入波形進(jìn)行迭代試算并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知當(dāng)波速幅值V0為14 m/s 時(shí)，震源處峰值速度V 約為6.18 m/s，動(dòng)載作用下巷道監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度曲線(xiàn)如圖3。

圖3 動(dòng)載作用下巷道監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度曲線(xiàn)Fig.3 Velocity curves of roadway monitoring point under dynamic load

由圖3 可知，動(dòng)載抵達(dá)巷道時(shí)的峰值速度達(dá)0.45 m/s，與預(yù)設(shè)的0.4 m/s 速度基本一致，表明本數(shù)值模擬具有較強(qiáng)的可靠性。根據(jù)式（4）可算得該動(dòng)載釋放能量等同于2.37 級(jí)礦震所釋放能量。

3 動(dòng)載擾動(dòng)下巷道圍巖動(dòng)力響應(yīng)

3.1 圍巖動(dòng)力響應(yīng)特征

動(dòng)載傳播過(guò)程及特性如圖4。

圖4 動(dòng)載傳播過(guò)程及特性Fig.4 Dynamic load propagation process and characteristics

由圖4（a）可知，沖擊動(dòng)力逐漸傳遞至巷道并在巷道底部形成反射波，引起巷道在巖體中震蕩，并引起巷道幫部產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力。根據(jù)圖4（b）可知在整個(gè)動(dòng)載沖擊過(guò)程中，巷道圍巖應(yīng)力呈上下波動(dòng)狀態(tài)。其中，頂板處應(yīng)力較小，沖擊波初次抵達(dá)巷道后，頂板應(yīng)力會(huì)有1 個(gè)增大的現(xiàn)象，并最終在1.5 MPa 上下浮動(dòng)。而煤幫應(yīng)力波動(dòng)相對(duì)較大，波動(dòng)幅度可達(dá)1 MPa。并且由于側(cè)方?jīng)_擊的原因，巷道圍巖應(yīng)力逐漸顯現(xiàn)出不對(duì)稱(chēng)性，卸壓區(qū)與應(yīng)力集中區(qū)均有大約順時(shí)針?lè)较?0°～15°的偏移，且在動(dòng)載加載末尾階段，偏移量最大。隨著巷幫應(yīng)力集中區(qū)的偏移，巷幫應(yīng)力由原來(lái)的最小9.1 MPa 降低至8.8 MPa 左右。

3.2 動(dòng)載擾動(dòng)下巷道抗沖擊特性

動(dòng)力沖擊下，巷道圍巖變形情況如圖5。圖5（a）為巷道頂板垂直方向位移，可知受側(cè)方?jīng)_擊的原因，動(dòng)載沖擊側(cè)的煤層位移較大，整體位移量呈傾斜狀態(tài)，并由傾斜曲線(xiàn)可知，在大約1 s 處頂板產(chǎn)生最大位移，約為0.56 m。圖5（b）為巷幫水平方向位移，可知整體水平位移受動(dòng)載沖擊影響較為明顯，右側(cè)煤幫位移明顯高于左側(cè)。頂板垂直方向位移與巷幫水平方向位移曲線(xiàn)趨勢(shì)相同，但巷幫水平方向位移量整體較小，在0.43 m 上下波動(dòng)。

圖5 圍巖位移云圖以及監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)Fig.5 The displacement cloud diagrams of surrounding rock and monitoring curves

錨桿支護(hù)和破壞情況如圖6。大巷開(kāi)挖后在幫部近場(chǎng)圍巖中存在較大的壓縮主應(yīng)力，大巷中的支護(hù)錨桿和錨索預(yù)應(yīng)力如圖6（a），可見(jiàn)兩側(cè)支護(hù)的錨桿和錨索預(yù)應(yīng)力與施工過(guò)程中的預(yù)應(yīng)力值基本一致。動(dòng)力沖擊2 s 時(shí)錨桿應(yīng)力及塑性區(qū)如圖6（b）和圖6（c），可見(jiàn)右?guī)湾^桿最大應(yīng)力值達(dá)到預(yù)設(shè)的抗拉強(qiáng)度值700 MPa 而失效破壞，而左幫錨桿雖有不同程度破壞但仍處于屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)。頂板的錨桿錨索大部分完好。整體支護(hù)結(jié)構(gòu)較完整，仍能有效防護(hù)圍巖的沖擊動(dòng)能。I010203 工作面的支護(hù)結(jié)構(gòu)在微震監(jiān)測(cè)預(yù)警值2×106J 能量沖擊荷載作用下，支護(hù)結(jié)構(gòu)較為完好，主體部分仍可有效防護(hù)圍巖的沖擊動(dòng)能。

圖6 錨桿支護(hù)和破壞情況Fig.6 Anchor support and damage

3.3 巷道支護(hù)體系抗沖擊能力驗(yàn)算

對(duì)該巷道支護(hù)體系極限抗沖擊能力進(jìn)行試計(jì)算，調(diào)整動(dòng)載幅值大小，并取可以順利計(jì)算的極限值作為該支護(hù)體系可抵抗的最大能量值。頂板垂直方向速度曲線(xiàn)如圖7，支護(hù)體系應(yīng)力云圖如圖8。

由圖7 和圖8 可知，經(jīng)過(guò)試計(jì)算，當(dāng)動(dòng)載位于巷道斜上方50 m，脈沖幅度為50 m/s 時(shí)，巷道頂板處峰值速度約1.3 m/s，多數(shù)錨桿所受荷載均已超出其屈服強(qiáng)度，退出工作狀態(tài)，并且錨索也已進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)。支護(hù)體系已失去其防護(hù)作用。

圖7 頂板垂直方向速度曲線(xiàn)Fig.7 Displacement curve of roof in vertical direction

圖8 支護(hù)體系應(yīng)力云圖Fig.8 Stress diagram of support system

由式（3）～式（4）可算得該動(dòng)載能量約為1.02×108J，約為3.27 級(jí)礦震所釋放能量。故寬溝煤礦I010203 工作面可承受的大能量事件極限值為1.02×108J，根據(jù)表3 中寬溝煤礦I010203 工作面歷次大能量事件統(tǒng)計(jì)可知，該支護(hù)體系具有較好的支護(hù)能力，對(duì)于常規(guī)大能量事件可起到有效防護(hù)作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）以寬溝煤礦I010203 工作面為例，實(shí)現(xiàn)了基于Abaqus 的巷道支護(hù)體系抗沖能力的設(shè)計(jì)方法。取寬溝煤礦微震監(jiān)測(cè)預(yù)警值2×106J，對(duì)巷道斜上方50 m 位置處施加動(dòng)載進(jìn)行模擬，該動(dòng)載釋放能量等同于震級(jí)為2.37 級(jí)礦震。側(cè)方?jīng)_擊致使巷道圍巖應(yīng)力出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性，并導(dǎo)致巷幫應(yīng)力出現(xiàn)小幅降低。

2）動(dòng)載沖擊側(cè)巷幫位移高于對(duì)向巷幫，但整體位移量低于頂板。且動(dòng)載沖擊側(cè)巷幫錨桿出現(xiàn)失效破壞，左側(cè)錨桿有不同程度破壞，頂板的錨桿錨索大部分完好，整體支護(hù)結(jié)構(gòu)仍能有效防護(hù)圍巖的沖擊動(dòng)能。

3）驗(yàn)算了I010203 工作面運(yùn)輸巷支護(hù)體系的抗沖擊能力，得到了其可承受沖擊的最大能量值，結(jié)果表明該支護(hù)體系可承受較高的沖擊能量值，對(duì)歷次大能量事件可起到有效的支護(hù)作用。