金 亮， 裴晨浩

(河南理工大學 土木工程學院， 河南 焦作 454000)

動靜載作用下常村礦底臌治理效果研究

金 亮， 裴晨浩

(河南理工大學 土木工程學院， 河南 焦作 454000)

為了研究在動靜載作用下鉆孔卸壓治理巷道后的動態(tài)響應，以常村礦S61#為研究對象，運用FLAC 3D數(shù)值軟件進行分析。研究結(jié)果表明：在動靜載作用下，巷道底臌量相對于靜載作用時增加了92 mm，使巷道底臌現(xiàn)象更加嚴重；整個巷道在荷載作用下主要發(fā)生受剪和拉剪兩種屈服，在動載作用下，在模型底角向巷道底角方向和離模型底面大約2 m處產(chǎn)生新的拉剪和剪切屈服。

巷道工程；動靜載；鉆孔卸壓；底臌治理

近年來，隨著煤礦開采深度的增加，煤巖受到的圍壓越來越大，致使巷道的最大主應力多為水平應力，導致頂?shù)装搴蛢蓭拖蛳锏纼?nèi)發(fā)生位移，底板向上隆起，發(fā)生底臌現(xiàn)象[1-2]。與此同時，煤炭在開采時還會受到?jīng)_擊地壓(巖爆)、人工爆破掘進、激烈地殼運動等動力的作用，從而進一步增加了底臌量。從巷道圍巖控制的原理與方法考慮，傳統(tǒng)底臌治理方法可以歸結(jié)為加固法和卸壓法[3]。其中，卸壓法因其工作量小,施工方便,施工速度較快,施工成本低等優(yōu)點[4]，常被用于巷道底臌治理中，并取得了大量的成果[5-10]。S61#回風上山巷頂?shù)装鍘r性為該礦乃至該區(qū)域煤層頂?shù)装鍘r性的代表，研究S61#回風上山巷道在動靜載作用下鉆孔卸壓治理底臌效果，對該區(qū)域的礦井巷道底臌的治理起著指導作用。因此，本文以常村礦S61#回風上山巷道為研究對象，對動靜載作用下常村礦底臌治理效果進行研究。

1 工程概況

S61#回風上山巷道位于S6采區(qū)東北部，西接S翼1#回風巷，北鄰S62#回風上山(已掘)，南鄰S6皮帶上山(在掘)，東接S6采區(qū)正頭聯(lián)絡巷(在掘)。該巷道沿3#煤頂板掘進，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.18 m，老頂為中粒砂巖，平均厚度7.09 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.88 m，老底為細粒砂巖，平均厚度0.97 m。另外，S61#回風上山掘進期間頂板巖性探測結(jié)果顯示，從開口位置到距S翼1#回風巷425 m位置，頂板砂質(zhì)泥巖厚度從1.8 m增大為5.2 m。煤科總院在該井田內(nèi)做的地應力測試結(jié)果顯示：S6采區(qū)內(nèi)原巖應力以水平應力為主，且該巷道掘進方向與當?shù)卦瓗r應力最大水平主應力方向垂直，造成巷道掘進過程中發(fā)生不同程度的底臌，嚴重地影響了礦井的正常生產(chǎn)。雖然對其進行過一些處理，如拉底、加固頂板和兩幫，但效果均不理想，不能有效控制底臌。

2 數(shù)值模型

2.1 標準模型及參數(shù)選擇

本文以常村煤礦S61#回風上山巷為標準模型，巷道沿著距離煤底板2.5 m掘進，具體物理力學指標見表1。根據(jù)理論分析可知，巷道對圍巖中應力分布影響范圍一般是巷道半徑的3～5倍，寬度取一個循環(huán)進尺，模型的尺寸為60 m×40 m×1.8 m。巷道的設計斷面為矩形，其高和寬分別為3.5 m、5 m。巷道的原有支護形式是錨桿錨索聯(lián)合支護，錨索在頂幫加強支護，錨索的間距為2 000 mm，排距為900 mm；錨桿分布在頂板和左右兩幫，其間距為900 mm，排距為900 mm。在兩幫打9 m長的兩排卸壓孔，底板采用2.5 m長的卸壓孔。具體的尺寸及位置如圖1所示。

表1 工程地質(zhì)參數(shù)

(a) (b)圖1 數(shù)值模型及測點分布圖

2.2 邊界條件

靜載時，在模型的上邊界施加9.261 MPa來模擬垂直方向的力，水平方向施加10.775 MPa水平應力，其他三個邊界的約束條件為位移約束。在動靜載作用時，若動力源比較遠，可以將遠處的動力擾動近似地等效為平面波，故在模型底部施加平面波，具體情況參考文獻[11]。施加的動載大小如圖2所示。為了更好地模擬出半無限體中的應力波的傳播規(guī)律，把數(shù)值模型左右邊界、上邊界均設置為黏滯吸收邊界。

圖2 動載曲線

3 動靜載作用下的底臌治理效果

3.1 應力波傳播規(guī)律

圖3是應力波的時程曲線，圖中4個測點的位置如圖1(a)所示。

圖3 動靜載作用下巷道底部巖石應力波時程曲線

由圖3可知：4條應力波時程曲線規(guī)律比較相似，都是受壓，并以靜載壓應力為起點，當應力波傳播到測點時就起跳，并逐漸增加至峰值，然后逐漸減小，最后振動達到平衡；在應力波加載面距離從小到大變化過程中，動載起跳的時間越來越遲，初始壓應力、應力波的峰值和殘余壓應力逐漸減小。從數(shù)值上可以看出它們都是動靜載作用的結(jié)果，符合動靜作用的規(guī)律，說明數(shù)值分析結(jié)果比較合理。

3.2 動靜載作用下的位移變化

底臌點的位移時程曲線見圖4。從圖4可以看出：當應力波沒有傳到監(jiān)測點時就已經(jīng)有位移，為159 mm。應力波經(jīng)過13 ms的傳播到達底板，此時開始受到動載的作用起跳，位移逐漸增大，大約到50 ms后位移發(fā)生小范圍的振動，并達到平衡，最大位移為251 mm。根據(jù)傳播規(guī)律可知，剛開始的位移應該是靜載作用下的位移，但動靜載作用下的位移比

靜載作用下的位移小。這主要是因為，在數(shù)值分析加動載時，將加載面的位移邊界條件改成了應力邊界條件。為了不受改變邊界條件的影響，取動靜載作用前后的位移差來分析，位移差見表2，并根據(jù)表2的數(shù)據(jù)繪成圖5。從表2和圖5可看出：在動靜載作用下，整個巷道的位移都發(fā)生了變化，頂板和兩幫均向巷道外移動，底板向巷道內(nèi)移動，即底板位移是增加的，位移差是底板最大，其次是兩幫，最小是頂板，為2.2 mm。底板的位移差以中間向兩邊對稱分布，最大是中間測點(43)，為92 mm；兩幫位移差逐漸減小，最小是兩邊的巷道側(cè)墻底腳處，為16 mm。綜上所述，在動載作用下巷道底臌量有所增大，即使在靜載的作用下巷道仍安全、穩(wěn)定，但在動載的作用下有可能會對巷道的安全、穩(wěn)定構(gòu)成威脅。所以，在進行底臌治理設計時要考慮動載的影響。

圖4 動靜載作用下巷道最大底板位移時程曲線

表2 動靜載作用下的位移差 mm

圖5 動靜載作用下巷道四周各點位移差

根據(jù)應力傳播規(guī)律可知，當應力波傳播12 ms時，整個數(shù)值模型塑性區(qū)已趨于穩(wěn)定，故圖6為選取12 ms以內(nèi)4個有代表性時間點的塑性圖，分別是應力波作用時間為1.0 ms、10 ms、10.3 ms 、12 ms的塑性圖。由圖6可知，當應力波傳播1.0 ms時，其塑性圖與靜載作用時塑性圖一樣。隨著時間的推移，當應力波傳播10 ms時，在模型底角向巷道底角方向開始產(chǎn)生新的剪切屈服。在動載作用10.3 ms時，新產(chǎn)生剪切屈服的范圍進一步擴大，并且在離模型底面大約2 m處開始出現(xiàn)新的剪切屈服。當應力波作用時間達到12 ms時，兩個產(chǎn)生的新屈服區(qū)域進一步增大，并且在離模型底面大約2 m處開始出現(xiàn)拉剪屈服。因此，動載對巷道穩(wěn)定性的影響不容忽視。

(a) 1 ms (b) 10 ms

(c) 10.3 ms (d) 12 ms圖6 動靜載作用下巷道塑性圖

4 結(jié) 語

通過對S61#回風上山巷道在動靜載作用下的底板壓力、位移和塑性區(qū)變化的數(shù)值分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)巷道在動靜載作用下，底板下巖石壓應力、底板位移和塑性區(qū)都是以靜載作用狀態(tài)為起點，并隨著應力波傳播時間的延長發(fā)生相應的變化，這符合動靜作用規(guī)律。

(2)相對于靜載作用，在動靜載作用下，巷道的頂板和兩幫均向巷道外移動，底板向巷道內(nèi)移動，移動量在底板最大。底板的最大位移增加了92 mm，使巷道底臌現(xiàn)象更加嚴重，對巷道的安全、穩(wěn)定構(gòu)成威脅。所以，在進行底臌治理設計時要考慮動載的影響。

(3)隨著應力波的傳播，在靜載作用基礎上，塑性區(qū)逐漸在模型底角向巷道底角方向和離模型底面大約2 m處產(chǎn)生新的拉剪和剪切屈服，并逐漸擴大。

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(責任編輯：姜海芹)

Study on the Effect of Harnessing Floor Heave of Changcun Coal Mine Under Dynamic and Static Loading

JIN Liang, PEI Chen-hao

(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

In order to study the dynamic response of the roadway by pressure relief role under the action of static and dynamic, the Chang village S61# was taken as the research object, and analyzed by FLAC 3D software.The results show： under static and dynamic loads, the floor heave displacement is increased by 92 mm compared with the static load, so that the phenomenon of floor heave is more serious. Under dynamic load, the new shearing yield and tensile-shearing yield is generated at the bottom corner of the model and at about 2 m from the bottom of the model.

roadway engineering； dynamic and static load； borehole pressure relief； harnessing floor heave

2017-01-05

河南省高等學校青年骨干教師資助計劃項目(2015GGJS-069)

金亮(1991-)，男，河南信陽人，碩士生，主要研究方向為巖土方向。

1671-6906(2017)01-0060-05

TD 353

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2017.01.013