杜曉麗 宋宏偉 陳 杰

(1.中國礦業(yè)大學力學與建筑工程學院,江蘇徐州 221008;2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇徐州 221008)

隨著我國對自然資源需求的日益增加,地表資源已日趨短缺,造成露天開采陸續(xù)轉(zhuǎn)為地下開采,地下礦山也向深部礦床伸展,致使煤礦深部開采成為世界上大多數(shù)主要采煤國家目前和將來要面臨的問題[1-2].從開采環(huán)境看,采深的增加將導(dǎo)致煤層頂?shù)装鍓毫υ龃?對煤層的夾持作用更加明顯;從采動作用而言,開采活動打破了原有的應(yīng)力平衡,導(dǎo)致采場三維空間中的宏觀應(yīng)力場與能量場的重新分布,這種應(yīng)力場與能量場的動態(tài)演化與發(fā)展必然為動力災(zāi)害的孕育、發(fā)生和發(fā)展創(chuàng)造條件.目前,國內(nèi)外學者對采煤工作面圍巖移動特征、基本頂?shù)闹芷趤韷?、工作面上覆巖層移動規(guī)律等方面已進行了大量研究[3-9],取得了眾多成果.但這些研究主要聚焦上覆巖層的"三帶"和回采空間周圍的煤柱區(qū)域,而對采礦動壓引起巷道圍巖變形破壞的研究成果尚不多見.統(tǒng)計資料表明:與其它巖土工程領(lǐng)域相比,煤礦巷道的圍巖穩(wěn)定性80%都受到采動動壓的強烈影響[10-11],而巷道內(nèi)的沖擊地壓災(zāi)害多是采掘活動的結(jié)果[12-13].為了弄清巷道變形破壞的主要原因,特別是煤巖產(chǎn)生沖擊地壓的危險性,本文以某煤礦2采區(qū)回采為例,建立數(shù)值模型,在分析煤礦開采引起的應(yīng)力場演化的基礎(chǔ)上,詳細探討了采礦圍巖對巷道兩幫圍巖應(yīng)力的影響,進而從巷道圍巖應(yīng)力、應(yīng)變等方面對巷道變形破壞部位和沖擊地壓的危險性進行了預(yù)測.

1 數(shù)值模擬對象及建模過程

義馬千秋煤礦已延伸到平均980m的二水平,目前正在采用回退式長臂開采法加緊回采寬200m、長1000m、煤層厚度12m的2工作面.在采礦圍巖和高地應(yīng)力的復(fù)合作用下,導(dǎo)致距離采區(qū)邊緣70m處的巷道(寬6.3m,高4.8 m)存在圍巖變形破壞、片幫底鼓和沖擊地壓等嚴重的問題.

根據(jù)該礦剖面1和鉆孔柱狀圖[14],采用ANSYS大型數(shù)值模擬軟件系統(tǒng)建立長1200m、寬626 m、高1350m的三維模型,并在模型內(nèi)部布置2采區(qū)和直墻拱形的巷道.考慮到采空區(qū)圍巖自然冒落的特點,假定初次周期來壓后采空區(qū)上部圍巖以自然拱形冒落,冒落高度為采煤高度的3倍.由于該礦巖體的形狀比較規(guī)則、表面平整、產(chǎn)狀平緩、巖體本身沒有經(jīng)受較大的構(gòu)造作用,故文中只考慮巖體自重應(yīng)力.為模型材料盡可能符合實際,模型中所有都使用solid65固體材料,網(wǎng)格劃分時采用四節(jié)點四面體單元,開挖模型側(cè)面邊界限制水平移動,底面邊界限制垂直移動,巖體力學參數(shù)和計算模型分別如表1和圖1所示.

表1 模型巖體的力學參數(shù)

模型計算采用DP強度準則,分為8種工況進行計算:即先求解原巖應(yīng)力,再利用生死單元模擬技術(shù)分別計算開挖水平巷道和2采區(qū)(開采進度依次為:距離開切眼30m、80m、180m、330m、530m、800m).

2 回采工作面應(yīng)力演化規(guī)律分析

地下巖體在采動以前,由于自重作用其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力,原巖體處于應(yīng)力平衡狀態(tài).礦山采掘活動擾動引起應(yīng)力重新分布,再次形成新的應(yīng)力平衡.因此,采掘活動引起的圍巖應(yīng)力變化和破壞狀況,可用圖2采場mises應(yīng)力來反映.

對比分析采煤工作面依次向前推進30m、80 m、180m、330m、530m、800m的應(yīng)力場,發(fā)現(xiàn)應(yīng)力在演化過程中存在以下規(guī)律:①應(yīng)力隨著采場工作面推進具有逐步向周邊擴展、向前推進、連續(xù)變化的特點;②最大應(yīng)力值隨開采進度的增大而增加,最值點亦隨著推進距離的變化而改變;③隨工作面應(yīng)力向周圍巖體的轉(zhuǎn)移,巷道圍巖應(yīng)力在數(shù)值和影響范圍上具有自西向東不斷增加和延伸的趨勢.

3 巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變及破壞原因分析

3.1 巷道兩幫圍巖應(yīng)力變化分析

為便于提取反映大巷兩幫圍巖應(yīng)力的數(shù)據(jù),文中以圖3中的1、2兩條直線為大巷左右兩幫圍巖應(yīng)力的提取路徑.圖4為巷道兩幫選取路徑上的垂直應(yīng)力與開掘進度的變化關(guān)系,對比分析圖4(a)巷道右?guī)秃蛨D4(b)巷道左幫的應(yīng)力變化具有以下共同特征:①巷道開挖引起距離兩幫30m內(nèi)的圍巖應(yīng)力集中明顯,最大圍巖應(yīng)力值位于巷道兩幫,最大值比原巖應(yīng)力增加了2MPa;②工作面推進到距離開切眼180 m段,巷道兩幫的圍巖垂直應(yīng)力雖有增大的趨勢,然而由于工作面遠離選取剖面,選取路徑上的應(yīng)力變化增加幅值較小;③工作面推進到距離開切眼330～800 m段,圍巖垂直應(yīng)力出現(xiàn)大幅度增加,但采煤工作面由330m推進到550m,圍巖垂直應(yīng)力增加梯度較工作面由550 m推進到800 m時明顯要大.由此可推知,在超前或落后于工作面約110m的范圍內(nèi)形成的采動動壓對軌道巷道圍巖應(yīng)力的影響非常突出,而大于超前或落后于工作面約110m,則巷道垂直應(yīng)力變化將急劇減小.

從圖4中還可觀察到采礦礦壓對巷道兩幫圍巖應(yīng)力影響的差異.顯然,除同一推進距離下,沿巷道軸向任意點的右?guī)蛧鷰r變形量均大于左幫外;右?guī)蛧鷰r的垂直應(yīng)力曲線由左到右呈現(xiàn)出先緩慢增加,后急劇增加化,再緩慢增加的階梯狀變化,而左幫圍巖垂直應(yīng)力由左到右而呈規(guī)則的曲線變化.

3.2 巷道軸向兩幫圍巖應(yīng)力和變形分析

為弄清開拓巷道變形破壞的原因,特別是近距離工作面開采時,巷道產(chǎn)生沖擊地壓的危險性,下文將進一步分析沿巷道軸向的圍巖應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律.

圖5為工作面回采后,沿巷道軸向上的兩幫圍巖應(yīng)力和變形狀況.

由圖5可知,①采礦圍巖作用下,采礦動壓引起軌道巷道右?guī)蛧鷰r的應(yīng)力曲線和變形曲線較左幫圍巖的更不規(guī)則、且應(yīng)力數(shù)值要大;②巷道右?guī)偷膰鷰r應(yīng)力和變形呈現(xiàn)一致性變化,即圍巖應(yīng)力大的地方圍巖變形亦大,而左幫圍巖應(yīng)力與變形這種關(guān)系不明顯.③沿軌道巷道軸向320 m處,右?guī)蛧鷰r應(yīng)力和變形最大,其最值分別為39MPa和7.5 mm;在280～ 340m段,右?guī)蛧鷰r應(yīng)力集中、圍巖變形較嚴重;不論是巷道右?guī)秃妥髱?巷道東西兩端的圍巖應(yīng)力和變形都最小.

3.3 巷道軸向頂板應(yīng)力和位移變化分析

圖6為巷道頂板軸向的頂板豎向位移和垂直應(yīng)力曲線.由圖6(a)可知,回采后沿軌道巷道軸向280 m處的頂板豎向位移最大,其值為0.38 m,相對于開挖前的0.33m而言,采礦圍巖引起的巷道頂板位移增加量為15%.由圖6(b)可知,采礦圍巖壓力引起軌道巷道圍巖最大應(yīng)力值增量為7.4MPa,最小應(yīng)力值增量為2.6 MPa;巷道頂板圍巖應(yīng)力和變形分別比增加未回采時增加了28%和10%.由圖5還可知大巷左幫應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢基本一致,均存在波動現(xiàn)象,分析原因在于采動動壓頻繁作用于巷道,導(dǎo)致巷道兩幫圍巖變形不協(xié)調(diào)的緣故.

綜上研究表明,該礦2采區(qū)開采引起回采空間周圍巖層應(yīng)力重新分布,不僅在回采空間周圍的煤柱上造成應(yīng)力集中,而且它形成的應(yīng)力集中將隨著開采距離的增加而不斷向巷道演化,導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力集中、巷道變形破壞加重.但增加的圍巖應(yīng)力主要以彈性變形能儲存在巷道圍巖中,這就為巷道沖擊地壓的發(fā)生創(chuàng)造了充要條件.

4 結(jié) 論

(1)采區(qū)工作面推進過程中,采場應(yīng)力具有數(shù)值不斷增加,應(yīng)力集中區(qū)域自臨空面向深部圍巖擴展、向前推進、連續(xù)變化的演化規(guī)律;巷道圍巖應(yīng)力在數(shù)值和影響范圍上亦有自西向東不斷增加和延伸的趨勢.

(2)巷道兩幫圍巖垂直應(yīng)力隨工作面推進距離的增大而增大.同一開采進度下,右?guī)蛧鷰r應(yīng)力數(shù)值和增加梯度大于左幫圍巖;同一路徑上,右?guī)蛧鷰r應(yīng)力曲線呈階梯狀變化,而左幫的圍巖應(yīng)力呈規(guī)則狀的曲線變化.

(3)采礦動壓導(dǎo)致巷道右?guī)蛧鷰r的變形曲線較左幫圍巖更不規(guī)則、且變形量大.特別是沿巷道軸向280～340m段,巷道右?guī)蛧鷰r的變形嚴重.

(4)巷道圍巖應(yīng)力集中,且集中的應(yīng)力主要以彈性變形能的形式儲存在巷道圍巖體內(nèi),這就為沖擊地壓的發(fā)生創(chuàng)造了內(nèi)在條件.

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