趙韋韋

(山西潞安集團(tuán) 慈林山煤業(yè)有限公司， 山西 長治 046605)

0 引言

在煤礦生產(chǎn)中，隨著開采深度的增加，復(fù)雜的地質(zhì)條件使得高應(yīng)力、高圍壓的巖石巷道越來越多，沖擊地壓災(zāi)害常有發(fā)生，此種情況嚴(yán)重影響我國煤炭的正常開采并帶來一定的安全問題。目前，多種釋放高應(yīng)力的手段被應(yīng)用于礦井生產(chǎn)，其中大直徑鉆孔卸壓技術(shù)的應(yīng)用效果明顯，并且應(yīng)用成本較低，被廣泛使用[1]。鉆孔卸壓技術(shù)使得巷道的應(yīng)力峰值向巷道圍巖的深部轉(zhuǎn)移，降低了所處圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，有效防止了圍巖沖擊地壓的發(fā)生[2-3]。本文采用考慮應(yīng)變軟化的摩爾庫倫準(zhǔn)則計(jì)算分析巷道圍巖軟化區(qū)范圍，并以此為基礎(chǔ)作為現(xiàn)場設(shè)計(jì)卸壓鉆孔間距的理論依據(jù)。

1 工程地質(zhì)背景

山西潞安集團(tuán)慈林山煤礦的高應(yīng)力巷道開挖過程中，伴隨著極其強(qiáng)烈的沖擊地壓發(fā)生，對生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，對工人生命安全帶來嚴(yán)重威脅。因構(gòu)成巷道的巖石巖性多為軟巖，進(jìn)行支護(hù)的效果并不顯著，且支護(hù)成本及維護(hù)的費(fèi)用較高，所以對礦山的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了較大的阻礙。為解決巷道圍巖的應(yīng)力集中問題，決定采用大直徑鉆孔卸壓方法,如何最優(yōu)化布置大直徑鉆孔間距影響到卸壓效果的好壞以及卸壓成本的高低，為得到有效且合理的卸壓孔布置方案，本文以應(yīng)變軟化下的塑性區(qū)大小為依據(jù)確定卸壓孔間距。

2 理論分析

2.1 力學(xué)模型

本文采用考慮應(yīng)變軟化的摩爾庫倫準(zhǔn)則[4-6]，該準(zhǔn)則所使用的力學(xué)模型由圖1所示。

圖1 考慮應(yīng)變軟化的摩爾庫倫準(zhǔn)則力學(xué)模型

圖1中,P0為原巖應(yīng)力；設(shè)巷道斷面為圓形，其圓形半徑為r0；在巷道徑向方向產(chǎn)生了塑性破碎區(qū)Rb與塑性軟化區(qū)Rp。由圖1可以看出,所劃分的2個開挖影響區(qū)域由內(nèi)而外分別定義為塑性破碎區(qū)、塑性軟化區(qū)。2個區(qū)域分別代表著圍巖處于塑性軟化狀態(tài)和殘余應(yīng)力狀態(tài)。計(jì)算時僅考慮塑性軟化區(qū)的范圍大小，不考慮塑性破碎區(qū)。

2.2 屈服準(zhǔn)則

假設(shè)鉆孔處于靜水應(yīng)力場，且不考慮圍壓不等，該問題屬于軸對稱問題。構(gòu)成巷道的圍巖具有各向同性且均質(zhì)。假設(shè)巷道軸向長度無限，簡化為平面應(yīng)變問題。

摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則在塑性區(qū)的表達(dá)為：

(1)

3 鉆孔應(yīng)力分布狀態(tài)及影響范圍

在側(cè)壓系數(shù)為1的條件下，塑性軟化區(qū)總應(yīng)變：

(2)

(3)

(4)

式中：σc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；Mc為巖石的軟化模量，可由應(yīng)力等值于殘余強(qiáng)度的差值和最大、最小主應(yīng)變的差值相比求得；η1為系數(shù),取值上可與KP取同值。

當(dāng)圍巖處于塑性狀態(tài)時：

可得塑性軟化區(qū)半徑表達(dá)式為:

(5)

4 數(shù)值模擬分析

由圖2看出,隨著與巷道壁距離的逐漸增加，巷道徑向方向的切向應(yīng)力先增大后減小，在與距離巷道壁10 m時的最大應(yīng)力為14.5 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.45，在距離巷道壁30 m時應(yīng)力減小為原巖應(yīng)力。巷道徑向方向的徑向應(yīng)力逐漸增大，在距離巷道壁30 m時，增大到原巖應(yīng)力。

圓形巷道圍巖中的切向應(yīng)力可以視為巷道垂直應(yīng)力[3]。提取圖2中按巷道徑向方向各點(diǎn)的切向應(yīng)力，得表1。以鉆孔深度為基準(zhǔn)，按照求得開挖巷道的塑性圈大小的方法，可以得出不同深度下鉆孔所對應(yīng)的應(yīng)力值，即表1所示。

圖2 開挖巷道的徑向與切向應(yīng)力變化曲線表1 按巷道徑向方向各點(diǎn)切向應(yīng)力

與巷道壁距離/m124681012應(yīng)力/MPa1.11.33.14.612.814.513.2

以表1所得的鉆孔軸向(即沿巷道徑向方向)各個點(diǎn)的切向應(yīng)力大小為基礎(chǔ)，將求得的鉆孔各點(diǎn)的截面作為新的圓形截面，分別求截面的塑性區(qū)大小，并以塑性軟化區(qū)的邊界作為鉆孔的影響范圍，以表1各個點(diǎn)所對應(yīng)的影響范圍為判斷依據(jù)，將表1對應(yīng)的切向應(yīng)力作為鉆孔各個點(diǎn)計(jì)算其塑性區(qū)大小的原巖應(yīng)力，代入式(5)，得出鉆孔各個點(diǎn)的塑性軟化區(qū)影響半徑，見表2。

表2 沿鉆孔軸向卸壓范圍與變形量

由表2可知：各個鉆孔各個點(diǎn)的影響范圍大小，最大影響范圍為0.51 m，將此范圍作為鉆孔的最大影響范圍，并以此為基礎(chǔ)布置鉆孔可得出鉆孔的布置間距在1 m時，不同鉆孔之間可以相互影響達(dá)到卸壓的目的。

巖石的黏聚力反映了巖石本身的性質(zhì)，根據(jù)上述鉆孔卸壓的相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)用MATLAB進(jìn)行了巖石黏聚力的數(shù)值模擬，見圖3。

由圖3看出，在軟巖巷道的塑性區(qū)范圍內(nèi)，進(jìn)行鉆孔卸壓的巷道在其巷道的徑向方向黏聚力減少，使得巷道內(nèi)壁上的聚集的巖石能量隨著巖石的破碎釋放，且在巷道內(nèi)壁上形成塑性區(qū)，一定程度上阻滯了力的傳遞。

圖3 鉆孔影響范圍內(nèi)巖石黏聚力變化

5 結(jié)論

1) 應(yīng)用MATLAB模擬了以應(yīng)變軟化模型為基礎(chǔ)并考慮擴(kuò)容影響下的巷道和鉆孔應(yīng)力分布情況，得出結(jié)論：卸壓孔布置間距為1.0 m可以達(dá)到較好的卸壓效果。

2) 卸壓孔在巷道周圍形成一定寬度的塑性軟化區(qū)，使得巷道周圍的能量在釋放時受到一定程度的阻滯，衰減了應(yīng)力作用。