易 帥,唐 海,王建龍,丁安松,吳仕鵬

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭市 411201)

卸壓巷對被保護(hù)巷變形影響的數(shù)值模擬*

易 帥,唐 海,王建龍,丁安松,吳仕鵬

(湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭市 411201)

在礦業(yè)開采過程中，巷道圍巖受應(yīng)力變化影響，頂?shù)装迮c兩幫均會發(fā)生變形收斂。通過開挖卸壓巷和優(yōu)化卸壓巷的幾何參數(shù)，能有效減少巷道圍巖收斂。利用3DEC離散元模擬軟件，模擬在400 m埋深條件下不同形狀、位置的卸壓巷對被保護(hù)巷道的頂?shù)装?、兩幫的位移變化?guī)律，研究卸壓巷對被保護(hù)巷道的影響。模擬結(jié)果表明：以X正方向為起點0°，逆時針旋轉(zhuǎn)，在離被保護(hù)巷1.65倍巷寬的315°位置處，開挖正(長)方形卸壓巷，能有效減少被保護(hù)巷的整體變形。

卸壓巷；巷道變形； 數(shù)值模擬；離散元

伴隨著我國煤礦開采技術(shù)的飛速發(fā)展，以及煤礦深度的逐漸加深、條件愈趨惡劣，巷道支護(hù)由此越加困難[1￣2]。目前認(rèn)為，錨桿支護(hù)是一種經(jīng)濟(jì)、有效的巷道支護(hù)手段[3￣4]。但是錨桿支護(hù)并非是唯一的解決手段，研究表明，通過合理的卸壓巷技術(shù)，給巷道一個良好的低應(yīng)力環(huán)境，降低支護(hù)難度，一定程度上也能增加巷道支護(hù)有效作用[5]。

一直以來，國內(nèi)外的學(xué)者開展了很多關(guān)于巷道卸壓方面的研究，伴隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，以數(shù)值模擬為手段分析卸壓巷機(jī)理與幾何特征的研究逐漸增多。張偉杰、蘭思棟[6]采用數(shù)值模擬的研究手段，分析了卸壓巷與巷道開挖順序、巷道位置及巷道尺寸對卸壓效果的影響。段軍、楊鵬等人[7]結(jié)合工程實踐與數(shù)值模擬，分析了沿空巷道圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律，以及不同位置下卸壓巷對沿空掘巷圍巖應(yīng)力分布的影響。何榮興、任鳳玉等人[8]利用數(shù)值模擬的方法，研究了不同卸壓巷高度和寬度下采場進(jìn)路應(yīng)力分布狀態(tài)。蘇海、趙玉成等人[9]基于ANSYS 數(shù)值模擬軟件，研究了卸壓巷位置、尺寸對下部巷道兩幫移近量和底鼓量的規(guī)律。

綜上所述，采用數(shù)值模擬手段分析卸壓巷力學(xué)機(jī)理，已經(jīng)是目前研究領(lǐng)域比較成熟、有效的研究手段。而以往的研究多采用有限元、有限差分等數(shù)值模型，缺乏對巖體本身不連續(xù)性的考慮。因此，本文在唐海、吳仕鵬、趙海龍[10]的研究基礎(chǔ)上，基于3DEC離散元模擬軟件，建立巷道巖體不連續(xù)模型，研究卸壓巷位置、形狀、中心距對煤礦中央水泵房變形的影響，為卸壓巷的研究、實踐提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 卸壓巷的卸壓機(jī)理

卸壓巷可以通過降低被保護(hù)巷所處的應(yīng)力，提高巷道穩(wěn)定性，減少變形。為簡單起見，本文選取圓形巷應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為例證分析。如圖1所示，在被保護(hù)巷上方開挖卸壓巷，使重力場的應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生變化，形成應(yīng)力增高區(qū)與應(yīng)力降低區(qū)，再通過優(yōu)化卸壓巷幾何參數(shù)，使被保護(hù)巷處于應(yīng)力降低區(qū)，可以有效提高巷道穩(wěn)定性。

圖1 卸壓巷機(jī)理

一般研究認(rèn)為，圓形卸壓巷道直徑的確定可根據(jù)d2=SW/2計算[11]，其中S為工程巷道的面積，W為無卸壓巷時巷道斷面收縮率，一般為50%。工程實踐及已有研究表明，合理的設(shè)計卸壓巷位置、卸壓巷與被保護(hù)巷道的中心距，一定程度上能優(yōu)化卸壓巷對被保護(hù)巷道的卸壓效果。另一方面，不同形狀的卸壓巷所表現(xiàn)的應(yīng)力分布不同，合理的選擇卸壓巷的形狀參數(shù)，也能有效的優(yōu)化卸壓效果。

2 數(shù)值模擬

2.1 地質(zhì)狀況

模擬煤礦其煤層平均埋深H為400 m，煤厚2.1～6.2 m，平均厚度3.1 m，傾角0°～8.4°，平均傾角5.2°，屬近水平煤層，模擬巷道位于煤層及石灰石中。主要地層力學(xué)參數(shù)見表1[10]。

表1 主要地層力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模型

選用3DEC離散元軟件，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境建立尺寸為60 m ×30 m ×60 m的力學(xué)模型(如圖2所示)，中央水泵房截面為寬6 m、直墻高3 m、半徑為3 m的半圓拱型巷，主要地層為煤、石灰?guī)r。模型邊界條件4個側(cè)面為水平位移約束，底面為豎向位移約束，頂面為應(yīng)力邊界，應(yīng)力大小等同模型上邊界以上的上覆巖層自重，計算為上覆巖層容重γ與上覆巖層厚度H之積(σ=γH)，模型的本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫模型。圖3為被保護(hù)巷(中央水泵房)監(jiān)測點布置圖。

圖2 中央水泵房力學(xué)計算模型

圖3 被保護(hù)巷(中央水泵房)監(jiān)測點布置圖

本文主要模擬研究卸壓巷位置、中心距、形狀對被保護(hù)巷的卸壓效果，為提高準(zhǔn)確性，在研究單一影響因素時，設(shè)置一致的卸壓巷、被保護(hù)巷背景參數(shù)，模擬全部選擇超前開挖方式，且卸壓巷長度與被保護(hù)巷長度一致。根據(jù)公式d2=SW/2 計算得d=2.78 m，實際取值范圍3～4 m，模擬選擇d=3.5 m。模擬方案如下：

(1) 卸壓巷位置因素影響的模擬方案設(shè)計為:以模型X軸正方向為起點、間隔45°，逆時針方向布置8種卸壓巷。

(2) 卸壓巷與被保護(hù)巷中心距因素影響的模擬方案設(shè)計為:中心距為1， 1.5， 2， 2.5， 3倍被保護(hù)巷寬的卸壓巷。卸壓巷位置根據(jù)模擬方案1的結(jié)果選擇。

(3) 卸壓巷形狀因素影響的模擬方案設(shè)計為:圓形、正方形、長方形與半圓拱形卸壓巷，且各卸壓巷面積相近。卸壓巷位置、中心距根據(jù)模擬方案1，2的結(jié)果選擇。

3 巷道變形分析

為了研究不同卸壓巷對被保護(hù)巷變形的影響，本模擬通過對比開挖卸壓巷前后的位移，確定卸壓巷對被保護(hù)巷的變形影響；對比卸壓后位移變化率(式(1))，判斷最優(yōu)卸壓巷參數(shù)。模擬選擇被保護(hù)巷頂板、兩幫、底板四個監(jiān)測點做數(shù)據(jù)統(tǒng)計與簡要分析。表2為無卸壓巷時監(jiān)測點位移，其中左右兩幫位移絕對值不一樣，在蘇海等人[9]的卸壓巷研究中，亦同樣出現(xiàn)此類現(xiàn)象，具體原因有待進(jìn)一步研究。

位移變化率W為：

(1)

式中，W1為無卸壓巷時被保護(hù)巷的位移;W2為卸壓巷下被保護(hù)巷的位移。由式(1)可知，當(dāng)位移變化率為正時，代表卸壓巷下被保護(hù)巷監(jiān)測點位移減少；當(dāng)位移變化率為負(fù)時，代表卸壓巷下被保護(hù)巷監(jiān)測點位移增加。

表2 無卸壓巷時監(jiān)測點位移

注：頂?shù)装逦灰普荡鞿軸正方向；左右?guī)臀灰普?/p>

值代表X軸正方向。

3.1 不同位置卸壓巷對巷道變形的影響

表3為有卸壓巷時監(jiān)測點位移，圖4為不同位置卸壓巷監(jiān)測點位移變化率曲線，由式(1)計算而得。

根據(jù)表2、3及圖4可知：在被保護(hù)巷270°位置開挖卸壓巷，頂板位移減少率為7.22%左右，卸壓巷對頂板變形的抑制效果最好；在被保護(hù)巷90°位置開挖卸壓巷，底板位移減少率為12.49%左右，卸壓巷對底板變形的抑制效果最好；在被保護(hù)巷225°位置開挖卸壓巷，左幫位移減少率為43.07%左右，卸壓巷對左幫變形的抑制效果最好；在被保護(hù)巷135°位置開挖卸壓巷，右?guī)臀灰茰p少率為9.75%左右，卸壓巷對右?guī)妥冃蔚囊种菩Ч詈谩Ｍ瑫r，由圖4可知，部分位置開挖卸壓巷時，會加劇被保護(hù)巷某側(cè)位移。例如90°、270°位置卸壓巷開挖后，被保護(hù)巷兩幫位移明顯增加。由此，綜合分析可知：本模擬中卸壓巷開挖在被保護(hù)巷315°位置，被保護(hù)巷整體位移最??；45°、135°、225°位置開挖卸壓巷整體位移較??；90°、270°位置卸壓巷其次；0°、180°位置卸壓巷最差。

圖4 不同位置卸壓巷監(jiān)測點位移變化率曲線

卸壓巷位置/(°)頂板位移/cm左幫位移/mm右?guī)臀灰?mm底板位移/cm0-0．133570．216392-0．1704650．17746945-0．136540．197613-0．1467600．17172690-0．126940．244040-0．1578870．147414135-0．133720．256485-0．1234200．170335180-0．134270．235055-0．1370090．167168225-0．136120．129681-0．1299180．174005270-0．117700．254430-0．1671340．163358315-0．137730．226602-0．1276920．148656

注：頂?shù)装逦灰普荡鞿軸正方向；左右?guī)臀灰普荡鞽軸正方向。

3.2 不同中心距卸壓巷對巷道變形的影響

根據(jù)上述結(jié)果，315°位置卸壓巷被保護(hù)巷整體位移最小。因此，本階段模擬選擇315°位置卸壓巷，其他條件不變。圖5為不同中心距卸壓巷監(jiān)測點位移變化率曲線。

根據(jù)圖5可知，卸壓巷下被保護(hù)巷頂板位移變化率為負(fù)值，表明目前條件下頂板位移加??；卸壓巷與保護(hù)巷距離(中心距)在2.5倍巷寬附近，卸壓巷能有效減小被保護(hù)巷左幫位移；卸壓巷與保護(hù)巷距離(中心距)在1.5～2.5倍巷寬，卸壓巷能有效減小被保護(hù)巷右?guī)臀灰?；卸壓巷與保護(hù)巷距離(中心距)在1.5倍巷寬附近，卸壓巷能有效減小被保護(hù)巷底板位移。同時，模擬中依舊存在加劇被保護(hù)巷某側(cè)位移的情況，但程度明顯降低。由此，綜合分析可知：卸壓巷與保護(hù)巷距離(中心距)在1.5～2.5倍巷寬時，可以有效減小被保護(hù)巷整體位移。

圖5 不同中心距卸壓巷監(jiān)測點位移變化率曲線

3.3 不同形狀卸壓巷對巷道變形的影響

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，本階段模擬中心距為10 m(1.65倍巷寬)，其他條件不變。圖6為不同形狀卸壓巷監(jiān)測點位移變化率點狀圖。

根據(jù)圖6分析可知：圓形、半圓拱形卸壓巷下，被保護(hù)巷道右?guī)臀灰品謩e減少了41.8%、27.3%，但加劇了被保護(hù)巷其他側(cè)位移，被保護(hù)巷道頂板位移分別增加了4.8%、7.9%，被保護(hù)巷道左幫板位移分別增加了2.6%、3.6%，被保護(hù)巷道底板位移分別增加了1.5%、21.7%；正方形卸壓巷下被保護(hù)巷道除頂板、左幫位移基本不變，右?guī)臀灰茰p少19.9%，底板位移減少8.3%；長方形卸壓巷下被保護(hù)巷道除頂板、底板位移基本不變，左幫位移減少3.5%，右?guī)臀灰茰p少31.6%。

3.4 卸壓巷對被保護(hù)巷變形的影響

綜上所述，開挖卸壓巷對于被保護(hù)巷的頂?shù)装?、兩幫變形抑制效果有明顯差異。不同幾何參數(shù)下的卸壓巷，在減少被保護(hù)巷某側(cè)變形的同時，還會加劇被保護(hù)巷其他側(cè)變形。根據(jù)本文數(shù)值模擬，通過優(yōu)化卸壓巷形狀、中心距與位置參數(shù)，最終確定在離被保護(hù)巷1.65倍巷寬的315°位置處，開挖正(長)方形卸壓巷，能有效減少被保護(hù)巷整體變形。參考數(shù)值模擬下卸壓巷的優(yōu)化參數(shù)，在中央水泵房附近開掘卸壓巷，并設(shè)計錨桿支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)被保護(hù)巷。目前，經(jīng)現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，中央水泵房變形微小，巷道穩(wěn)定。

綜合分析卸壓巷對整個被保護(hù)巷頂?shù)装?、兩幫的卸壓效果，是施工設(shè)計過程中需要考慮的重要因素。通過合理規(guī)劃卸壓巷的位置、形狀、中心距等參數(shù)，可以用于減少被保護(hù)巷的整體變形，也可以針對頂?shù)装?、兩幫某?cè)變形，配合錨桿等手段對巷道某側(cè)支護(hù)。

圖6 不同形狀卸壓巷監(jiān)測點位移變化率點狀圖

4 結(jié) 論

(1) 卸壓巷開挖在被保護(hù)巷315°位置，被保護(hù)巷整體位移最小，45°、135°、225°位置開挖卸壓巷位移較小，90°、270°位置其次，0°、180°位置較差。

(2) 卸壓巷與保護(hù)巷距離(中心距)在1.5～2.5倍巷寬時，可以有效減小被保護(hù)巷位移。

(3) 正、長方形卸壓巷對減少被保護(hù)巷變形效果較好；圓、半圓拱形卸壓巷有加劇被保護(hù)巷其他側(cè)變形。

(4) 卸壓巷在減少被保護(hù)巷某側(cè)變形時，可能會增加其他側(cè)變形。合理規(guī)劃卸壓巷的幾何參數(shù)，即可以用于減少被保護(hù)巷的整體變形，也可以針對頂?shù)装?、兩幫某?cè)變形，再輔以支護(hù)，增強被保護(hù)巷整體穩(wěn)定。

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國家自然科學(xué)基金資助項目(51374104).

易 帥(1993-), 男，湖北潛江人，研究生，研究方向為采礦與巖石力學(xué),Email：929755790@qq.com。