詹 平,孟海燕

(潞安集團(tuán) 司馬煤業(yè)公司,山西 長(zhǎng)治 047105)

近年來,全球市場(chǎng)對(duì)能源的需求激增,煤炭產(chǎn)量屢創(chuàng)新高。淺部煤炭資源的開采已無法滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的能源需求,煤炭開采逐漸向深部發(fā)展[1]。據(jù)調(diào)查,我國(guó)已探明超千米的煤礦資源儲(chǔ)量占49%.然而開采深度的增加,也使得深部巷道的穩(wěn)定性難以控制[2-3]。深部巷道具有高地應(yīng)力、高地溫、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造、圍巖強(qiáng)度低、強(qiáng)流變、強(qiáng)采動(dòng)等特點(diǎn)[4],這對(duì)煤炭資源的安全高效開采構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。研究深部巷道的變形破壞機(jī)理對(duì)深部巷道的穩(wěn)定性控制至關(guān)重要[5]。

當(dāng)前學(xué)者們對(duì)深部巷道的穩(wěn)定性控制做了大量的研究,左鍵平等[6]研究了巷道的梯度破壞機(jī)理,并發(fā)現(xiàn)隨著深度的增加應(yīng)力梯度越來越明顯。黃萬朋等[7]研究了深部巷道的非對(duì)稱變形機(jī)理,認(rèn)為高應(yīng)力作用下,不同性質(zhì)圍巖的蠕變差值是導(dǎo)致巷道非對(duì)稱變形的主要因素。靖洪文等[8]以松動(dòng)圈理論為核心,對(duì)巷道圍巖進(jìn)行分類,并提出相應(yīng)的控制措施。當(dāng)前對(duì)深部巷道的變形和破壞機(jī)理的研究還不足。只有對(duì)深部巷道的變形破壞機(jī)理開展深入研究,對(duì)癥下藥,才能更有效地控制深部巷道的穩(wěn)定。本文采用理論分析和數(shù)值模擬的方法,研究了深部巷道塑性區(qū)的變化規(guī)律,并分析了支護(hù)強(qiáng)度、圍巖力學(xué)參數(shù)等因素對(duì)深部巷道塑性區(qū)半徑的影響。

1 深部巷道塑性區(qū)半徑理論分析

對(duì)深部巷道圍巖塑性區(qū)進(jìn)行分析,將巷道進(jìn)行如下簡(jiǎn)化。巷道形狀簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱的圓形巷道;圍巖為各向同性和均質(zhì);不考慮巷道的蠕變效應(yīng)。巷道的開挖半徑為r、p為原巖應(yīng)力,C和φ分別為圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。μ為圍巖的泊松比,E和σc分別為圍巖的彈性模量和抗壓強(qiáng)度,k為側(cè)壓力系數(shù),η為剪脹梯度。巷道的塑性區(qū)半徑和位移分別為R和u.見圖1.

圖1 圓形巷道的塑性區(qū)分布

(1)

(2)

(3)

式(1)和式(2)分別為巷道塑性區(qū)半徑和巷道位移。根據(jù)上式可知深部巷道塑性區(qū)半徑和巷道位移大小受到多個(gè)因素的影響。其中內(nèi)因主要為圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)、支護(hù)體強(qiáng)度、巷道半徑。外因主要包括地應(yīng)力大小、側(cè)壓力系數(shù)等因素。將某礦深部巷道的實(shí)際參數(shù)代入到公式中。其中R=2.4 m,p=30 MPa,η=2,σc=48 MPa,E=5 000 MPa.

圖2顯示出巷道塑性區(qū)半徑與圍巖黏聚力、內(nèi)摩擦角以及地應(yīng)力密切相關(guān)。從圖中可以看出,巷道塑性區(qū)半徑隨著圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角的增加而減小。并且隨著地應(yīng)力的增加,減小幅度越明顯。這說明通過增加巷道圍巖的物理力學(xué)性能可以有效控制巷道塑性區(qū)的擴(kuò)展以及巷道位移。并且在深部地應(yīng)力較高的地方,增加圍巖物理力學(xué)性能對(duì)控制巷道穩(wěn)定性效果越顯著。

圖2 巷道塑性區(qū)半徑、巷道位移與圍巖

根據(jù)圖3可知,巷道塑性區(qū)半徑隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加而減小,且巷道原巖應(yīng)力越大,效果越顯著。通過以上分析可知,對(duì)于深部巷道的塑性區(qū)控制,可以通過提高支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度和增強(qiáng)圍巖的物理力學(xué)性能實(shí)現(xiàn)。

圖3 塑性區(qū)半徑與支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度之間的關(guān)系

2 深部巷道控制數(shù)值模擬

根據(jù)某礦巷道的地質(zhì)資料,建立巷道的數(shù)值模擬模型(圖4)。該模型長(zhǎng)50 m,高36 m,寬3.2 m,共有17 100個(gè)節(jié)點(diǎn)、13 310個(gè)單元。模擬埋深900 m,豎直和水平方向分別施加30 MPa的均布荷載。X和Y方向的邊界限制水平位移,底面Z方向限制豎向位移。巖石物理學(xué)參數(shù)見表1.

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

圖4 深部巷道有限元模型

2.1 地應(yīng)力大小對(duì)巷道塑性區(qū)半徑的影響

深部巷道的埋深大,地應(yīng)力水平較高。通過施加不同的初始應(yīng)力模擬不同的埋深。本文利用有限元軟件模擬了無支護(hù)條件下,原巖應(yīng)力大小對(duì)巷道塑性區(qū)半徑的影響。通過圖5的(a)、(b)分別表示地應(yīng)力為30 MPa和15 MPa時(shí),巷道開挖后的塑性區(qū)分布情況。地應(yīng)力水平越高,巷道塑性區(qū)半徑越大。當(dāng)?shù)貞?yīng)力大小從30 MPa減小到15 MPa時(shí),巷道頂部的塑性區(qū)半徑減小了65.8%,幫部塑性區(qū)半徑減小了48.9%,底板的塑性區(qū)半徑減小了45%.可以發(fā)現(xiàn)地應(yīng)力大小對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)半徑的影響較為顯著。這也是深部巷道難以控制的根本原因。

圖5 不同地應(yīng)力水平下的塑性區(qū)半徑

2.2 支護(hù)強(qiáng)度大小對(duì)巷道塑性區(qū)半徑的影響

利用數(shù)值計(jì)算模型模擬了不同支護(hù)強(qiáng)度對(duì)巷道塑性區(qū)的分布的影響。水平應(yīng)力和豎直應(yīng)力分別設(shè)置為30 MPa.支護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)為直墻半圓拱形的U鋼支架,采用Beam單元進(jìn)行模擬。將支護(hù)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為彈性模量、慣性矩等參數(shù),輸入模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。圖6顯示了支護(hù)強(qiáng)度分別為0.5 MPa和1 MPa時(shí),巷道開挖后塑性區(qū)的分布情況?？梢钥闯?隨著支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度的提高,巷道的塑性區(qū)半徑明顯減小,增加了支護(hù)強(qiáng)度的巷道頂部塑性區(qū)半徑減小了50%.由于支架形狀為直墻半圓拱,未形成封閉的結(jié)構(gòu),因此巷道底板的塑性區(qū)面積較大。

圖6 不同支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度下塑性區(qū)半徑

2.3 圍巖的力學(xué)性能對(duì)巷道塑性區(qū)半徑的影響

由于巷道在開挖之后,巷道周圍的圍巖強(qiáng)度處于峰值后的殘余強(qiáng)度階段,在空氣和水的作用下,圍巖的力學(xué)性能下降明顯,塑性區(qū)的范圍也逐漸擴(kuò)大,極易造成支護(hù)體的失效,進(jìn)而導(dǎo)致巷道失穩(wěn)破壞。因此研究巷道圍巖的力學(xué)性能對(duì)深部巷道的穩(wěn)定性控制至關(guān)重要。

在有限元計(jì)算中,將距離巷道壁6 m范圍內(nèi)的圍巖分成一個(gè)組,在開挖之后,對(duì)這個(gè)范圍內(nèi)的圍巖重新賦予圍巖力學(xué)參數(shù)。水平和豎直方向分別施加30 MPa的初始應(yīng)力。圖7(a)為開挖之后不改變圍巖力學(xué)參數(shù)的情況,圖7(b)為將巷道周圍6 m范圍內(nèi)的圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別擴(kuò)大一倍的情況。從圖7中可以看出,增加了巷道周圍圍巖的力學(xué)性能之后,拱頂處的塑性區(qū)半徑減小了50.4%,幫部的最大塑性區(qū)半徑減小了54.0%.底板處的塑性區(qū)半徑減小了20.1%.可見,增加巷道周圍圍巖的力學(xué)性能對(duì)抑制巷道塑性區(qū)的擴(kuò)展有顯著效果。

圖7 不同圍巖力學(xué)參數(shù)下塑性區(qū)半徑

3 結(jié) 語

1) 給出了深部巷道塑性區(qū)半徑的計(jì)算公式,發(fā)現(xiàn)影響塑性區(qū)半徑的因素主要有地應(yīng)力大小、圍巖力學(xué)參數(shù)和支護(hù)體的支護(hù)強(qiáng)度。將巷道數(shù)據(jù)代入公式計(jì)算可知,巷道塑性區(qū)半徑隨著地應(yīng)力的增加而增大,隨著圍巖黏聚力和內(nèi)摩擦角的增加而減小,隨著支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度的增加而減小。

2) 通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了地應(yīng)力、支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度、圍巖力學(xué)性能對(duì)巷道塑性區(qū)的影響。以拱頂處的塑性區(qū)半徑為指標(biāo),地應(yīng)力從30 MPa減小到15 MPa,塑性區(qū)半徑減小了65.8%.支護(hù)體支護(hù)強(qiáng)度從0.5 MPa增加到1 MPa,塑性區(qū)半徑減小了50%.將巷道周圍圍巖的力學(xué)性能增強(qiáng)后,塑性區(qū)半徑減小了50.4%.