阮學(xué)云, 楊 崢, 陳 濤

(安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

0 引 言

隨著巷道掘進深度與煤體開采范圍的增加,沖擊地壓發(fā)生的概率也隨之增加。沖擊地壓是一種復(fù)雜的礦井動力現(xiàn)象,嚴重威脅到煤礦的安全高效生產(chǎn),一直以來都是巖體力學(xué)及礦山防治研究的熱點與難點。鉆孔卸壓(又稱放能鉆孔)作為防治沖擊地壓的主要方法之一,是指在煤體應(yīng)力集中區(qū)或潛在應(yīng)力集中區(qū),施工一系列大直徑鉆孔,產(chǎn)生自由空間,改變煤體的應(yīng)力分布及其特性,使煤體圍巖系統(tǒng)儲存的彈性能量得到緩慢釋放[1-2]。

鉆孔卸壓技術(shù)在德國等國家礦山領(lǐng)域中被廣泛使用,他們認為該技術(shù)是防治沖擊地壓眾多方法中最簡單最實用的方式[3],是唯一得到國家監(jiān)察局批準的標準措施。杜春志等[4]通過對煤層鉆孔卸壓影響范圍的理論分析及卸壓效果影響因素的模擬仿真得出,煤層的強度越大,卸壓半徑越小;此外,還得出鉆孔卸壓的范圍與煤層所處的覆巖壓力有關(guān),覆巖壓力越大,卸壓半徑就越大,即與煤層的埋深成正比。

筆者采用理論分析的方法,分析影響鉆孔周圍卸壓區(qū)大小的主要因素,利用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬,研究不同孔徑下巷道周圍垂直應(yīng)力與鉆孔周圍垂直應(yīng)力的分布特點。為鉆孔卸壓防治沖擊地壓的工程實踐中鉆孔直徑的設(shè)置提供了理論基礎(chǔ)。

1 鉆孔卸壓的機理

巷道掘進和煤體被采出后,煤巖體的應(yīng)力分布將發(fā)生改變,形成部分應(yīng)力集中區(qū)。當應(yīng)力超過其極限強度時,將會引起儲存在頂板和煤體中的彈性勢能突然釋放,從而破壞巷幫煤體,導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。

圖1 鉆孔卸壓原理示意

2 孔周應(yīng)力分析

假設(shè)在施工鉆孔后,巷道附近的煤巖體處于彈性狀態(tài)并且各向同性,根據(jù)彈性力學(xué)理論,將鉆孔周圍的受力簡化為水平方向均布應(yīng)力和垂直方向上的均布應(yīng)力兩部分。側(cè)壓系數(shù)為α、r和θ分別是鉆孔周圍任意一點的徑向坐標與環(huán)向坐標。設(shè)垂直方向上的應(yīng)力為F,則水平方向上的應(yīng)力為αF。受力狀態(tài)如圖2所示。圖中:F為鉆孔周圍煤體垂直方向應(yīng)力;α為側(cè)壓系數(shù);r為徑向坐標;θ為環(huán)向坐標。

圖2 鉆孔周圍受力示意

將煤巖體中某一點的應(yīng)力值代入摩爾-庫倫屈服條件得到卸壓區(qū)的邊界方程為

(1)

b=(1-α)2,

(2)

h=6(1-α2)cos 2θ-12(1-α)2,

(3)

a=(1+α)2+10(1-α)2cos22θ-2(1-α)2,

sin22θ-4(1-α)2cos 2θ-4(1-α)2cos22θsin22φ,

(4)

e=4(1-α)2(sin22θ-cos22θ)-2α2cos 2θ-

cos 2θsin2φ+2cos 2θ,

(5)

(6)

式中:d——鉆孔直徑;

b、h、a、e、f——無量綱參數(shù);

C——煤體的黏聚力;

φ——內(nèi)摩擦角。

聯(lián)立式(2)～(6)代入式(1)可得,煤體所受垂直應(yīng)力F、煤體的黏聚力C、摩擦角φ、鉆孔直徑d影響到卸壓區(qū)的大小。其中,C、φ主要取決于煤體的性質(zhì),煤體所受的垂直應(yīng)力F取決于應(yīng)力環(huán)境。故通過改變鉆孔直徑可以改變卸壓區(qū)的大小。

3 數(shù)值模擬方案

3.1 數(shù)值模型的建立

利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立巷道試驗?zāi)Ｐ?采用Mohr-Coulomb模型,尺寸為40 m×10 m×22 m,設(shè)置模擬的埋深為600 m,垂直應(yīng)力15 MPa,如圖3所示。模型的邊界條件為底部施加全約束,左右邊界施加水平約束條件,頂部為自由邊界[9-12]。模型的煤層和頂?shù)装鍏?shù),如表1所示。設(shè)置鉆孔深度為7 m,鉆孔間距為1 m,鉆孔采用三排布置,鉆孔布置方案,如表2所示。探究鉆孔直徑分別為100、150、200、250 mm時巷道周圍及鉆孔周圍應(yīng)力分布特點,據(jù)此比較不同孔徑下的卸壓效果。

表1 煤層和頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)

表2 鉆孔布置方案

圖3 數(shù)值模擬三維圖

3.2 巷道周邊圍巖應(yīng)力

利用FLAC3D軟件,采用上述模擬方案對巷道周邊圍巖進行應(yīng)力分析,得到不同鉆孔直徑下,巷道周邊的圍巖的垂直應(yīng)力分布云圖,如圖4所示。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知,鉆孔直徑為100 mm時,鉆孔穿過巷道兩幫的應(yīng)力集中區(qū),將應(yīng)力集中區(qū)的部分集中應(yīng)力轉(zhuǎn)移至鉆孔尾部,巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)最大集中應(yīng)力為19.8 MPa,相較于未開挖鉆孔前的最大集中應(yīng)力20.7 MPa有所降低,但降低的程度較小,每排鉆孔間依然存在較為嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象;鉆孔直徑為150 mm時,巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)最大集中應(yīng)力為19.0 MPa,鉆孔與鉆孔之間同樣出現(xiàn)應(yīng)力集中,相較于直徑為100 mm時,最大集中應(yīng)力以及應(yīng)力集中的范圍都有所減小;鉆孔直徑為200 mm時,巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力集中范圍進一步減小且最大集中應(yīng)力為18.5 MPa,每排鉆孔之間已無應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大集中應(yīng)力體現(xiàn)在鉆孔尾部;鉆孔直徑為250 mm時,巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)最大集中應(yīng)力為17.0 MPa,巷幫附近的高應(yīng)力已經(jīng)全部轉(zhuǎn)移至鉆孔尾部,巷道兩幫無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

鉆孔直徑與巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)最大集中應(yīng)力的關(guān)系,如圖5所示。當鉆孔直徑為100、150、200和250 mm時,兩幫最大集中應(yīng)力分別為19.8、19、18.5以及17 MPa,由圖5可以看出,隨著鉆孔直徑的增大,巷道兩幫應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)的最大集中應(yīng)力在不斷減小,即鉆孔直徑越大,卸壓效果越明顯。

圖5 鉆孔直徑與巷道兩幫最大集中應(yīng)力關(guān)系

3.3 鉆孔周圍垂直應(yīng)力

為了更加直觀分析不同位置處的鉆孔直徑與卸壓效果之間的關(guān)系,在鉆孔深度的范圍內(nèi),沿著垂直于鉆孔軸線方向做斷面切片,分析不同深度處的斷面切片鉆孔周圍垂直應(yīng)力的分布情況。從多角度探究鉆孔直徑與卸壓效果之間的變化規(guī)律,也可反映出在相同鉆孔直徑的情況下,不同鉆孔深度與卸壓效果之間的關(guān)系。

沿著垂直于巷幫平面方向分別選取距巷幫水平距離為2、3、4 m處做斷面切片,模擬各鉆孔周圍垂直應(yīng)力分布。距巷幫水平距離2 m時不同孔徑鉆孔周圍垂直應(yīng)力分布,如圖6所示。距巷幫水平距離3 m時不同孔徑鉆孔周圍垂直應(yīng)力分布,如圖7所示。距巷幫水平距離4 m時不同孔徑鉆孔周圍垂直應(yīng)力分布,如圖8所示。

圖6 距巷幫2 m處不同孔徑下鉆孔周圍垂直應(yīng)力云圖

圖7 距巷幫3 m處不同孔徑下鉆孔周圍垂直應(yīng)力云圖

圖8 距巷幫4 m處不同孔徑下鉆孔周圍垂直應(yīng)力云圖

由圖6～8可見,鉆孔直徑為100 mm情況下,距離巷幫水平距離2、3 m處,鉆孔周圍無明顯卸壓圈。距離巷幫水平距離4 m處,第三排鉆孔周圍出現(xiàn)小范圍卸壓圈,鉆孔之間的最大集中應(yīng)力達到19.2 MPa。鉆孔直徑為150 mm情況下,距離巷幫水平距離2 m處,每個鉆孔周圍都形成明顯卸壓圈且第二列、第三列鉆孔與第四列鉆孔間的卸壓圈連為了一體,形成了更大范圍的卸壓帶,鉆孔之間最大集中應(yīng)力達到21.5 MPa。距離巷幫水平距離3 m處,每列鉆孔之間的卸壓圈均上下連接,卸壓范圍內(nèi)的卸壓程度進一步加深,鉆孔之間的最大集中應(yīng)力達到20.7 MPa。距巷幫水平距離4 m處,第三排鉆孔下方的卸壓帶與低應(yīng)力區(qū)完全融為一體,形成一整片的應(yīng)力降低區(qū),鉆孔之間的最大集中應(yīng)力達到19.6 MPa。此外,鉆孔直徑為200和250 mm的情況下,鉆孔周圍均已形成非常理想的應(yīng)力降低區(qū)域。卸壓范圍和卸壓程度相較于鉆孔直徑為100、150 mm情況下都有了明顯的提升。其中,鉆孔直徑為200 mm時,距巷幫水平距離2、3、4 m鉆孔之間的最大集中應(yīng)力分別為22.0、21.5、20.3 MPa;鉆孔直徑為250 mm時,距離巷幫水平距離2、3、4 m鉆孔直徑的最大集中應(yīng)力分別為22.9、22.5、21.3 MPa。上述指定鉆孔直徑下距離巷幫不同距離的鉆孔斷面切片處最大集中應(yīng)力,如表3所示。其中,分別代表距離巷幫水平距離2、3、4 m處鉆孔斷面的σ1、σ2、σ3最大集中應(yīng)力。

表3 鉆孔斷面切片最大集中應(yīng)力

隨著鉆孔直徑的增大,卸壓范圍越大,卸壓程度越高,即卸壓效果越明顯;但鉆孔直徑增大的同時,鉆孔之間的最大集中應(yīng)力也在相應(yīng)地增加,即孔間應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇,所以在選取合適的孔徑時需處理好鉆孔直徑與應(yīng)力降低范圍和鉆孔之間應(yīng)力集中的關(guān)系。根據(jù)不同孔徑下巷道圍巖垂直應(yīng)力分布繪制出沿著垂直于巷幫方向垂直應(yīng)力分布的折線圖,如圖9所示。

圖9 不同孔徑垂直于巷幫方向垂直應(yīng)力分布

由于巷道開挖的作用,使得在距巷幫不同水平距離處依次形成低應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū),從圖可以看出,隨著鉆孔直徑的增大,低應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)相同位置處垂直應(yīng)力越低,卸壓程度越高,孔徑為100、150 mm時應(yīng)力變化呈現(xiàn)先增大后減小,最終趨于穩(wěn)定的趨勢,并且應(yīng)力集中區(qū)的最大集中應(yīng)力要比原巖應(yīng)力大,卸壓效果不好,孔徑為200和250 mm時,應(yīng)力集中區(qū)的最大集中應(yīng)力有著明顯的降低,且要小于原巖應(yīng)力,卸壓效果較好。但是在實際工程應(yīng)用中,不能為追求卸壓效果而過分增大鉆孔直徑,因為隨著鉆孔直徑的增大,巷道圍巖的整體穩(wěn)定性也在降低,并且在施加鉆孔時出現(xiàn)卡鉆也會越來越嚴重,造成鉆進操縱困難,增加了巷道支護的難度。

4 結(jié) 論

(1)隨著鉆孔直徑的增大,卸壓范圍越大,卸壓程度越高,即卸壓效果越明顯。

(2)鉆孔直徑增大的同時,鉆孔之間的最大集中應(yīng)力也在相應(yīng)地增加,即孔間應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇,在選取時應(yīng)綜合考慮鉆孔直徑與應(yīng)力降低范圍和孔間應(yīng)力集中的關(guān)系。

(3)在相同孔徑的情況下,距巷幫水平距離越遠,鉆孔之間最大集中應(yīng)力越小,卸壓效果越好。