張克偉 李恩忠
(1.棗莊礦業(yè)付村煤業(yè)有限公司,山東省濟寧市,277000;2.山東科技大學(xué),山東省青島市,266590)
隨著我國煤礦開采深度逐年增加,沖擊礦壓顯現(xiàn)次數(shù)與危害程度也相應(yīng)增加,造成了大量設(shè)備損壞、巷道破壞和人員傷亡。此類事故的發(fā)生區(qū)域為距離震源位置較近的臨空區(qū),主要表現(xiàn)形式為底鼓,沖擊礦壓顯現(xiàn)均伴隨大能量的強礦震事件。
相關(guān)研究表明,此類底板沖擊礦壓發(fā)生的主要因素為煤巖體自重應(yīng)力與高水平應(yīng)力共同作用造成局部應(yīng)力集中,最終導(dǎo)致整個煤巖系統(tǒng)失穩(wěn)與破壞。
目前,針對動靜載耦合作用下底板沖擊礦壓誘發(fā)機理的研究相對較少。本文結(jié)合彈性力學(xué)與應(yīng)力波傳播相關(guān)理論,對動靜載組合作用誘發(fā)底板沖擊礦壓條件進行理論推導(dǎo),利用數(shù)值模擬方法研究不同側(cè)壓系數(shù)條件下動靜載組合作用對底板應(yīng)力場、位移場、塑性區(qū)的影響規(guī)律,最后利用SOS微震監(jiān)測技術(shù)對結(jié)論進行驗證,并提出相應(yīng)控制措施,為動靜載組合作用下深井巷道底板沖擊礦壓顯現(xiàn)提供一定理論指導(dǎo)。
由于煤巷埋深較大,可以簡化成圓形隧道的彈性力學(xué)問題。假設(shè)巷道圍巖均質(zhì),各向同性,為彈性介質(zhì)。根據(jù)彈性力學(xué)理論可知,圓形巷道圍巖任意一點的靜應(yīng)力為:
(1)
式中:σr——底板徑向應(yīng)力,MPa;
σθ——底板切向應(yīng)力,MPa;
q——垂直應(yīng)力,MPa;
λ——側(cè)壓系數(shù);
a——巷道半徑,m;
r——圍巖任意一點距巷道中心距離,m;
θ——極角,(°)。
假設(shè)應(yīng)力波沿著巷道徑向方向傳播,應(yīng)力波產(chǎn)生動載主要為p波(橫波),故不考慮s波(縱波)。故可得巷道底板p波產(chǎn)生動載的計算公式為:
σd=ρvP(vpp)Pe-ηd
(2)
式中:σd——底板動載,MPa;
ρ——煤巖體密度,kg/m3;
vp——p波傳播速度,m/s2;
(vpp)p——p波造成煤巖體震動速度,m/s2;
η——衰減系數(shù);
d——應(yīng)力波傳播距離,m。
由式(1)和式(2)可知,底板所受水平應(yīng)力σ為底板切向應(yīng)力σθ和動載σd之和,且動靜載組合作用誘發(fā)底板沖擊礦壓時σ往往大于底板破壞的臨界應(yīng)力。
由庫倫—摩爾準則可知,動靜載組合作用下發(fā)生底板沖擊礦壓的力學(xué)條件為:
(3)
式中:φ——底板巖層內(nèi)摩擦角,(°);
σc——底板單軸抗壓強度,MPa。
由式(3)可知,動靜載組合作用誘發(fā)底板沖擊礦壓的靜載參數(shù)包括底板徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力、煤巖體力學(xué)性質(zhì)(密度、單軸抗壓強度、內(nèi)摩擦角);動載參數(shù)包括p波傳播速度、震動速度、衰減系數(shù)、震動波距離巷道位置等。當σθ遠大于σr時或應(yīng)力波傳播速度較快、震源較近等條件下,很容易達到誘發(fā)沖擊礦壓條件。由此可見,動靜載組合作用更容易發(fā)生底板沖擊礦壓。
巷道圍巖力學(xué)參數(shù)依照付村煤礦一采區(qū)1108工作面地質(zhì)勘探資料,如表1所示。采用FLAC2D中Dynamic動態(tài)功能模塊,進行不同側(cè)壓系數(shù)條件下巷道煤巖體動力響應(yīng)規(guī)律的研究。巷道埋深700 m,數(shù)值模型的幾何尺寸為100 m×80 m,巷道尺寸為6 m×4 m。模型位移邊界條件為兩側(cè)限定水平位移,底部邊界限定垂直位移。應(yīng)力邊界條件為上部邊界施加18.2 MPa的垂直載荷,兩側(cè)側(cè)壓系數(shù)λ分別取1.0、1.5、2.0和2.5,重力加速度g=9.81 m/s2。
表1 巷道圍巖的力學(xué)特性參數(shù)
此次模擬將動載震源視為簡諧波,每個模型的簡諧波位置均在巷道頂板正上方15 m位置,根據(jù)微震監(jiān)測要求,震動頻率取15 Hz,作用時間為0.3 s。每個模型均提取底板水平應(yīng)力、位移、塑性區(qū)分布圖。各個工況的模擬過程分3步:計算初始位移場與應(yīng)力場;計算巷道開挖后的位移場與應(yīng)力場;施加應(yīng)力波進行動態(tài)分析。
2.2.1 動靜載組合作用下底板水平應(yīng)力變化規(guī)律
不同側(cè)壓系數(shù)動靜載組合作用下底板水平應(yīng)力變化如圖1所示。由圖1可以看出,在動靜載共同作用下,不同側(cè)壓力系數(shù)的底板水平應(yīng)力在0~0.033 s內(nèi)出現(xiàn)明顯上升,并均在0.033 s時達到峰值;在0.033~0.093 s范圍內(nèi),水平應(yīng)力出現(xiàn)較大程度的下降;隨著側(cè)壓系數(shù)的增加,應(yīng)力下降幅度越大,0.093 s后應(yīng)力值均基本平穩(wěn)波動。這說明在應(yīng)力波作用下,煤巖體可在0.033 s內(nèi)釋放較大彈性能,最終誘發(fā)沖擊礦壓。
圖1 不同側(cè)壓系數(shù)動靜載組合作用下底板水平應(yīng)力變化
不同側(cè)壓系數(shù)條件下底板應(yīng)力下降擬合曲線如圖2所示。由圖2可知,應(yīng)力下降隨側(cè)壓系數(shù)增加而呈拋物線型增加。當側(cè)壓系數(shù)大于1.5時,增加幅度逐漸減小,表明隨著側(cè)壓系數(shù)增加,動載擾動下底板應(yīng)力降隨之增加,極限狀態(tài)下煤巖體釋放能量增高,更容易發(fā)生煤巖沖擊現(xiàn)象。
圖2 不同側(cè)壓系數(shù)底板應(yīng)力下降擬合曲線
2.2.2 動靜載組合作用下底板位移變化規(guī)律
不同側(cè)壓系數(shù)動靜載組合作用下底板位移變化如圖3所示。由圖3可知,受動靜載組合作用巷道底板位移均出現(xiàn)大幅度瞬間增長。在震動波作用0.27 s范圍內(nèi),瞬時位移在側(cè)壓系數(shù)等于2時達到最大值0.433 m;0~0.04 s范圍內(nèi),瞬時位移基本不變;0.04~0.25 s范圍內(nèi),位移出現(xiàn)線性增長;0.25 s后底板位移逐漸平穩(wěn)。由此可見,在動靜載組合作用下底板位移也出現(xiàn)了瞬時增長的情況,但位移增長起始時間晚于應(yīng)力下降起始時間約0.01 s。
圖3 不同側(cè)壓系數(shù)動靜載組合作用下底板位移變化
圖4 不同側(cè)壓系數(shù)底板位移增長值擬合曲線
不同側(cè)壓系數(shù)底板位移增長值擬合曲線如圖4所示。由圖4可以看出,隨著側(cè)壓系數(shù)增加,底板位移增長值呈拋物線型增加。側(cè)壓系數(shù)小于2時,底板位移增長值的上升幅度基本保持不變;側(cè)壓系數(shù)大于2時,底板的位移增長值小幅下降。這表明側(cè)壓系數(shù)大于2時,動靜載組合作用造成底板破壞深度加大,但彈性能釋放位置距離增加,導(dǎo)致底板臨空面周圍能量密度分布因子變小,動靜載組合作用下底板位移增長值反而變小。
2.2.3 動靜載組合作用下底板塑性區(qū)變化規(guī)律
不同側(cè)壓系數(shù)動靜載組合作用下底板塑性區(qū)分布如圖5所示。其中綠色叉代表剪切塑性區(qū)、紫色圓圈代表拉伸塑性區(qū)、紅色叉代表圍巖已經(jīng)破碎。
由圖5可以看出,在動靜載組合作用下,底板出現(xiàn)剪切與拉伸破壞現(xiàn)象。這表明巷道底板穩(wěn)定性減弱,動靜載共同產(chǎn)生塑性區(qū)釋放的能量隨之增大,預(yù)示高水平應(yīng)力下的沖擊礦壓強度會增強。
不同側(cè)壓系數(shù)底板塑性區(qū)深度擬合曲線如圖6所示。由圖6可知,底板塑性區(qū)深度隨著側(cè)壓力系數(shù)增加而呈指數(shù)型增加。這說明隨著開采深度增加,水平應(yīng)力集中程度越大,底板受到相同動載擾動,沖擊礦壓強度將會變強。在底板從開始失穩(wěn)到?jīng)_擊發(fā)生的過程中,高水平側(cè)壓力是決定底板沖擊礦壓強度的基本條件,動載起到了誘發(fā)沖擊作用及提高沖擊強度作用。
圖6 不同側(cè)壓系數(shù)底板塑性區(qū)深度擬合曲線
付村煤礦一采區(qū)位于礦井煤田中部,采區(qū)范圍內(nèi)褶曲構(gòu)造發(fā)育,東側(cè)為背斜軸部,西側(cè)為向斜軸部。一采區(qū)煤層厚度18.2~54.5 m,平均厚度31.0 m。礦區(qū)的地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主,巷道底板的側(cè)壓系數(shù)較大。通過對該礦進行地應(yīng)力測量,在向斜軸部附近最大水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值范圍為1.6~1.9,在背斜軸部附近比值范圍為1.8。
巷道底板微震監(jiān)測能量-頻次分布如圖7所示。由圖7可以看出,微震監(jiān)測系統(tǒng)布置在一采區(qū)1108工作面底板附近,距向斜軸900~1000 m時,側(cè)壓系數(shù)小于1.75,能量在2×106~4×106J范圍內(nèi)。距離向斜軸500~900m時,隨著側(cè)壓系數(shù)逐漸增加,部分煤巖體處于極限狀態(tài),故底板震動過程中釋放的能量稍大于距向斜軸900~1000 m,可達到4×106~6×106J范圍內(nèi)。
隨著工作面逐漸推進至向斜軸附近,側(cè)壓系數(shù)逐漸增加,礦震頻次逐漸升高,最終可以達到280次,震動能量也大幅度上升,距離向斜軸400 m范圍內(nèi)可達到6×106~1.8×107J范圍內(nèi)。由此可見,側(cè)壓系數(shù)越大,工作面底板震動頻次越多,釋放能量也越高。底板破壞引發(fā)沖擊礦壓的頻次與強度與高側(cè)壓力有直接關(guān)系,動載在此過程中起到了誘發(fā)沖擊作用,與前述分析結(jié)果一致。
圖7 巷道底板微震監(jiān)測能量-頻次分布圖
針對深井巷道底板動靜載耦合誘發(fā)沖擊礦壓形成機理來看,動靜載誘發(fā)底板沖擊礦壓礦壓控制的思路在于盡可能降低底板水平應(yīng)力,提高底板煤巖體強度,并采取降低動載的措施。因此采取礦壓控制措施需劃分為3個方面:(1)近場卸壓措施。以減小煤巖體水平應(yīng)力集中現(xiàn)象,主要方法有大直徑鉆孔卸壓、爆破卸壓等方式;(2)遠場高強度支護。加強2 m以外的遠場區(qū)域煤巖體強度,抵抗一部分動載擾動,主要措施有底板錨桿或反弧形支護;(3)降低動載的傳遞。采用合理的采掘部署,盡量采取保護層開采方式,將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)域內(nèi),防止大能量動載擾動,誘發(fā)沖擊礦壓。
(1)理論分析表明,動靜載組合作用誘發(fā)底板沖擊礦壓的靜載條件有底板徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力、煤巖體力學(xué)性質(zhì)(密度、單軸抗壓強度、內(nèi)摩擦角);動載條件有p波傳播速度、震動速度、衰減系數(shù)、震動波距離巷道位置等。
(2)動靜載組合作用下底板突然破壞所需臨界水平應(yīng)力和最大應(yīng)力差均隨側(cè)壓力系數(shù)增加而呈拋物線型增加,底板位移均出現(xiàn)瞬間增長,底板塑性區(qū)的深度隨著側(cè)壓力系數(shù)增加而呈指數(shù)增加。
(3)數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場微震監(jiān)測結(jié)果表明,在底板從失穩(wěn)到發(fā)生沖擊的過程中,高側(cè)壓力起到主導(dǎo)作用,動載起到了誘發(fā)沖擊作用,并將礦壓控制措施分為近場卸壓、遠場高強度支護、降低動載傳遞3個方面。