馬茜濛，李世海，呂祥鋒

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊 050043;2.中國科學院力學研究所，北京 100190)

0 引言

隨著我國淺部資源的減小和枯竭，深部地下資源開采日益加劇，開采深度也逐漸增加，開采安全和支護穩(wěn)定問題也日漸突出，深埋地下工程開采安全與支護穩(wěn)定的研究更加重要。我國研究工作者在采礦工程工作面開挖覆巖變形移動規(guī)律及支護對巷道穩(wěn)定影響方面開展了較多的研究工作，取得了一定的研究成果。馬元，何國軍等通過三維物理試驗模擬巷道的真實開挖、變形和破壞過程，研究了有、無支護體系形態(tài)下的圍巖變形，針對圍巖應力以及位移變形破壞特征進行深入分析，得出深埋高應力巷道圍巖變形破壞及支護作用機理［1-2］。郭相參，戴俊等運用理論計算分析和數(shù)值模擬研究方法，對深埋高地應力隧道的卸壓支護技術進行研究，達到了降低圍巖應力和保護隧道的目的［3-5］。包海玲，孟益平等結合淮北臨渙礦有軟弱巖層交匯的特性，建立了三維有限元模型，系統(tǒng)的分析了地下傾斜巷道在自重應力場下的位移和應力情況，研究了傾斜煤層巷道圍巖變形破壞特征，指出軟弱巖層以及頂板、底板等關鍵部位的支護應注意防止底鼓現(xiàn)象的產(chǎn)生［6-8］。但從目前的研究成果來看，主要研究工作集中在采礦工作面開挖對上覆巖層變形和應力特征的實驗分析以及巷道開挖后單獨考慮支護對圍巖巷道變形的影響［9-10］，實際開采中超前支護隨工作面推進不斷前移，而超前支護對工作面開采安全起到關鍵作用，至今未見到相關方面的研究報道，因此，研究深埋地下工程開采過程及其對回采工作面超前支護穩(wěn)定的影響，對地下工程開采安全和支護穩(wěn)定起到指導意義。

1 計算模型及支護參數(shù)

1.1 計算模型

本文采用中國科學院力學所研發(fā)的基于連續(xù)介質力學的離散元方法軟件GDEM進行三維數(shù)值模擬，實現(xiàn)了回采工作面超前支護隨采隨移架的過程，模擬了深埋地下工程開采及對回采工作面超前支護的影響。以河南義馬煤田某回采工作面為例，計算模型和參數(shù)選擇分別根據(jù)當?shù)氐刭|資料和地應力測試數(shù)據(jù)取值，并結合數(shù)值計算方法，將地質模型進行適當簡化，數(shù)值計算模型尺寸長×寬×高為300m×150m×83m，矩形巷道截面尺寸為5m×4m。模型共分為五層，從上至下分別為:礫巖(厚35m)、堅硬頂板(厚15m)、煤-巖互層(厚6m)、厚煤層(厚6m)、煤-巖互層(厚6m)和底板(厚15m)。計算中，模擬模型距離地面為1000m，根據(jù)實際推進速度，計算中工作面推進速度為10m/d。工作面平面布置見圖1，煤巖層結構見圖2。

圖1 工作面平面及測點布置圖(單位:m)Fig.1 Working face plane and measuring points

圖2 煤巖層結構圖(1－1剖面，單位:m)Fig.2 Coal strata structure

1.2 模型參數(shù)及邊界條件

計算中，采用Drucker-Prager屈服準則，根據(jù)地質資料取得計算模型各巖性材料參數(shù)見表1。

表1 計算模型材料參數(shù)Table 1 The model of material parameters

由于開挖巷道尺寸相對于模型尺寸為無限小，因此可忽略尺寸效應。約束邊界條件設置為模型底面全約束，四周水平約束，頂面為自由面。模型距離地面為1000m，根據(jù)當?shù)販y試得到地應力數(shù)據(jù)，取得初始地應力為最大水平地應力為20MPa，最小水平地應力為18MPa，垂直地應力為17MPa。計算中，實現(xiàn)先加載后開挖巷道，跺式液壓支架支護(超前支護為20m，工作面后方支架隨工作面推進移架)，然后開切眼，工作面(綜采液壓支架，隨工作面推進移架)推進速度為10m/d，開采至煤層終止位置。

1.3 回采工作面超前支護參數(shù)

工作面超前支護距離為20m，工作面后方支架隨工作面推進不斷移向工作面方向，并保證超前支護距離不少于20m，每排單體支架為3個，間距為1.7m，液壓支架排距為1.0m，頂梁分別與巷道圍巖和支柱連接。單體液壓支柱選擇DWX35-250/100X(D代表單體液壓支柱，W代表外注式，35為支柱最大高度3.5m，250為支柱的額定工作阻力250kN，100為支柱的油缸直徑100mm，X為支柱的懸浮式技術原理)，搭接所有支架必須架設牢固，柱徑為100mm的不得小于90kN，柱徑為80mm的不得小于60kN。巷道超前支護結構示意見圖3。

圖3 巷道超前支護結構示意圖(單位:m)Fig.3 The schematic of roadway forepoling

2 采動條件覆巖變形與支護穩(wěn)定分析

2.1 采動作用下巷道變形分析

圖4給出了煤層開采過程煤層工作面及巷道應力、變形和塑性區(qū)發(fā)展情況。由圖4(a)、(c)和(e)可知，開切眼后工作面推進60m時，水平位移在回風巷、運輸巷與煤層交界處較大，當推進至120m時，水平位移逐漸向巷道邊幫方向轉移，繼續(xù)推進至180m時，回風巷、運輸巷邊幫及周圍巖體水平位移較大，并向巷道內(nèi)側變形明顯。豎向位移計算結果見圖4(b)、(d)和(f)，隨工作面的推進，豎向位移在工作面中心位置和巷道與煤層交界處變形集中較明顯，同時工作面底面有向上隆起的趨勢。圖4(g)和(h)表示工作面推進過程中塑性區(qū)發(fā)展情況，隨著開采的推進，塑性區(qū)首先在巷道邊幫處出現(xiàn)，并不斷向邊幫周圍巖體內(nèi)發(fā)展，同時在工作面煤層中心位置也出現(xiàn)塑性區(qū)，隨工作面的推進逐漸向兩端塑性發(fā)展。

圖4 煤層開采過程模擬計算結果Fig.4 The results of coal mining process

2.2 頂板壓力與支護作用分析

圖5給出了巷道測點水平位移和應力結果，運輸巷和回風巷計算結果規(guī)律較一致，計算數(shù)值接近，從計算結果可知，隨著開采的推進，巷道邊幫水平應力呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，最大水平應力值約為30MPa，由于無構造應力或其他外力作用，巷道邊幫水平位移值較小。

圖5 回風巷測點結果Fig.5 The results of return airway measurement point

巷道頂板測點豎向應力和下沉量數(shù)據(jù)結果見圖6，從圖6(a)可知，巷道變形量逐漸在增加，最終巷道中部測點變形量最大，下沉量最大值約為12cm;圖6(b)說明沿巷道方向應力呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律，與礦壓分布基本一致，同時，受煤層開采的影響，巷道測點應力呈現(xiàn)“增大→減小→再增加”過程。

圖6 巷道頂板測點結果Fig.6 The results of roadway roof measuring point

圖7表示煤層開采中隨工作面推進移架過程支架應力變化規(guī)律。根據(jù)支架測定應力可知，支架應力最大值約為30MPa，也即支架受力約為300kN，約為柱徑100mm支柱額定工作阻力的1.2倍，此時支架受力不再增加，滿足支柱正常工作要求。各排支架測點變形規(guī)律和數(shù)值較接近，出現(xiàn)先增加后突然減小，原因在于工作面推進過程支架應力增加，同時變形量也不斷增加，當隨工作面支架移動時，支架上應力將卸除，相應變形量也迅速降低。

圖7 支架測點結果Fig.7 The results of bracket measuring point

2.3 采動覆巖變形與應力分析

圖8給出了煤層工作面開采過程中上覆巖層豎向位移和塑性區(qū)發(fā)展計算結果。當工作面推進60m時，上覆巖層整體變形下沉量較小，當工作面繼續(xù)推進時，上覆巖層下沉變形量增加，整體變形量最大值約為16cm，且變形量分布逐漸向開采煤層中部移動。

圖8 工作面推進過程計算結果Fig.8 The results of working face to promote the process

圖9給出了煤層上覆巖層變形下沉量和應力測點結果，由圖9(a)可知，隨著工作面推進，煤層上覆巖層下沉變形量逐漸增加，且沿推進方向覆巖下沉變形量增加，在中心位置處變形量最大，整體呈現(xiàn)出中心下沉變形量最大，兩端變形量稍小的趨勢。從圖9(b)可以看出，隨工作面的推進，覆巖應力呈現(xiàn)出增加后迅速減小，主要原因在于開采使得應力產(chǎn)生集中，最大應力值約為40MPa，工作面開采后應力集中區(qū)得到有效釋放所致。由于覆巖存在一定變形擠壓，煤層上覆巖層應力開采后未減小至零。

圖9 煤層覆巖測點結果Fig.9 The results of seam overburden measuring points

3 結論

基于連續(xù)介質力學的離散元方法，實現(xiàn)了回采工作面超前支護隨采隨移架的過程，模擬了深埋地下工程開采及對回采工作面超前支護的影響，得到以下主要研究結論:

(1)工作面中心位置和巷道與煤層交界處變形集中較明顯，同時工作面底面有向上隆起趨勢;巷道邊幫水平應力呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，最大水平應力值約為30MPa，巷道兩幫相對移近量范圍約15mm，圍巖總體收斂量不大，超前支護作用較好;巷道頂板測點應力呈現(xiàn)“增大→減小→再增加”過程，頂板最大下沉量范圍在12cm以內(nèi)，頂板支護圍巖較穩(wěn)定。

(2)隨工作面支架移動時，支架上應力將卸除，相應變形量也迅速降低，支架壓力分布規(guī)律與實際一致，支架最大受力約為300kN，是額定工作阻力的1.2倍，符合支柱正常工作要求，開采與支護均較穩(wěn)定。

(3)工作面推進過程中，應力集中區(qū)得到有效釋放使得覆巖應力呈現(xiàn)出增加后迅速減小，工作面采動支承壓力分布同監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律一致，超前影響范圍約35m，最大采動支承壓力發(fā)生在工作面前方約20m處;上覆巖層下沉變形量增加，整體變形量最大值約為16cm。

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