騎跨采動壓巷道圍巖穩定性數值模擬研究

余 慶,侯化強,王同伍,張俊強

(1.皖北煤電集團有限公司朱集西礦,安徽 淮南 232000;2.中國礦業大學,江蘇 徐州 221008)

在煤礦巷道中,70%～80%的巷道受到采動影響,而騎跨采動壓巷道是動壓巷道中重要的表現形式之一,采深增加導致支承壓力升高,巷道變形越來越嚴重,不僅兩幫移近量大,頂板下沉嚴重,而且表現出強烈的底鼓。與一般跨采動壓巷道相比,騎跨采動壓巷道的研究則較少,騎跨采動壓巷道在采動過程中,受到前方與側向煤壁支承壓力的疊加作用,且由于其特殊巷道布置方式,導致在不同位置的底板巷道受到動壓影響的程度有所不同,這是騎跨采動壓巷道最突出的特征。

1 數值模型的建立

數值模擬采用M ohr-Coulom b模型,采空區及巷道用 null單元模擬。巷道斷面為直墻半拱形,巷道寬4m、直墻高 2m、圓拱半徑 2m,在模型建立過程中,模型高度取 150m,寬度取 160m,長度取 200m。巷道埋深 H,與工作面的垂直距離 h,水平距離 b,工作面兩端離模型左右邊界距離為 30 m,離模型上邊界是 69m,工作面離模型下邊界為 78m。騎跨采底板巖石巷道示意圖見圖 1,參數見表 1。

模型上部巖層對模型邊界的作用近似視為均布荷載 q,即上覆巖層自重 q=γH,顯然,q的選取與覆巖厚 H有關。

圖 1 騎跨采底板巖石巷道示意圖

表 1 模擬巖層分布及力學特性參數

研究騎跨采巷道圍巖穩定性影響因素。考慮計算機模擬速度及模擬結果精確性,對巷道兩幫及頂、底板處的網格劃分適當加密,而其他各巖層則相應變稀疏。具體網格劃分模型平面圖見圖 2,網格單元數約 20萬。取 h=20m、b=4m,H=750m,研究工作面采場支承壓力分布特征及對下層巷道應力與變形的影響,巷道圍巖受到的采動影響表現為巷道圍巖工作面端頭位置下的劇烈變形,因此,主要研究在工作面端頭底板巷道圍巖的穩定性。

圖 2 騎跨采數值模擬網格圖

2 數值計算結果分析

2.1 工作面端頭的應力分布特征

數值模擬結果見圖 3。由圖 3可知,在工作面的前方及側向煤壁出現了支承壓力的增高區,端頭底板巷道受前方及側向煤壁支承壓力疊加影響。原巖應力為 15M Pa,在工作面前方約 35m支承壓力開始增加并大于原巖應力,在前方 10m處出現了支承壓力的峰值系數為 2.69。側向煤壁中,在工作面后方約20m,側向煤柱 6m處支承壓力系數為 2.68。

圖 3 回采空間周圍三維垂直應力

2.2 工作面端頭應力對巷道圍巖應力的影響

工作面端頭底板巷道應力云圖見圖 4。由圖 4可知,巷道受到工作面回采的強烈影響,應力呈現明顯的不對稱性。

由圖 4(a)可知,處在工作面端頭下方的巷道在右下角及左上角處皆出現應力集中,形成小的應力集中泡型結構。應力集中向圍巖深部擴展,右下角擴展深度約為 0.5m,左上角處擴展深為 0.3m,在底板及巷道的兩幫由于進入塑性卸壓狀態,直至出現拉應力,承載力較低,且底板右側卸壓比兩幫較為劇烈。

圖 4 工作面端頭底板巷道應力云圖

由圖 4(b)可知,由于側向煤柱支承壓力作用,垂直應力不對稱性主要體現在兩幫,在右幫中部深 2m處垂直應力峰值為 35.95M Pa,并且應力集中范圍由右下角延伸到右幫深 2 m處,左幫僅在左上角處0.5m深度出現應力集中。頂底板嚴重卸壓,底板較頂板卸壓劇烈,底板甚至出現拉應力,頂底板隨著深度增加應力逐漸增大,但頂板未出現拉應力。左幫圍巖應力影響深度約為 3m,右幫圍巖應力影響深度約4m,頂板應力影響深度為 5m,底板應力影響深度為8m。

2.3 工作面端頭應力對巷道圍巖變形的影響

工作面端頭底板巷道圍巖水平和垂直位移分布云圖見圖 5。

圖 5 工作面端頭前方底板巷道位移云圖

從圖 5(a)可知,由于右側煤柱支承壓力的作用巷道右幫移近比巷道左幫明顯,右幫移近平均為23.3 mm,左幫移近平均為 6.6 mm,巷道兩幫移近量為29.9mm,且兩幫移近上部比下部明顯。受右側上方煤柱支承壓力的影響,頂板右側水平移近量較大,右上方巖體具有整體向巷道內移動的趨勢。

從圖 5(b)看出,工作面端部底板巷道的頂板下沉量平均 72mm,底板上升量平均 46.8mm,且頂板下沉量靠近右幫側比左幫一側明顯。比較圍巖水平與垂直位移云圖發現巷道圍巖兩幫移近量要小于頂底板移近量,因此,在巷道圍巖控制中應該注意加強頂底板圍巖的控制,由于底板一般沒有支護,相對頂板與兩幫,底板鼓起實際會更加明顯,應采取加固法或者卸壓法等方法消除底鼓量,保證巷道正常使用。

2.4 工作面前端巷道圍巖塑性區

工作面端頭底板巷道圍巖塑性區見圖 6。由圖 6可知,圍巖在各部位的破壞主要是由于剪切與拉伸導致的。比較巷道左幫與右幫塑性區形成過程可知,左幫離右幫煤柱相對較遠,受到采動影響小,從而導致圍巖中形成的裂隙比右幫要少,塑性區范圍相比就小,但是對于頂底板,頂板塑性區向右側偏斜,底板右側塑性區較左側較深,分析由于上部側向煤柱支承壓力作用的緣故。由于底板沒有采取任何支護方式,所以在受到動壓影響時,圍巖壓力要從支護相對比較薄弱的底方釋放,這是圍巖控制過程中的重點。

圖 6 工作面端頭底板巷道圍巖塑性區

工作面前部底板巷道圍巖塑性區與距離工作面端頭距離的變化曲線見圖 7。由圖 7可知,受采動影響工作面前部底板巷道受到采動影響程度不同,左幫相對右幫在前方 20m內受到明顯采動影響小,并且左幫隨著距離的繼續增加而增加,右幫隨著距離的增加而減小,最終兩幫在前方 20m以外達到基本對稱,隨著距離的增加逐漸減少到穩定值,分析由于在工作面端頭附近前方煤壁卸壓,側向煤柱增壓的緣故,右幫受到的影響較左幫較為明顯。而在前方 20m處支承壓力較高,使得底板巷道兩幫塑性區較遠處大。頂底板的塑性區隨著距離的增加而減小,且底板的塑性區較頂板及兩幫大,頂板比底板也大。

圖 7 工作面端頭距離對巷道圍巖塑性區的影響

3 結 論

1)煤層回采時,在垂直應力作用下兩幫將沿著垂直方向出現裂隙,而頂底板在水平應力作用下沿著水平方向出現裂隙,這些裂隙在壓力作用下形成塑性楔體,又由于巷道圍巖擴容和撓曲導致巖體松動產生了滑移面,對那些由裂隙形成的塑性楔體在壓力作用下,逐漸向內滑動,產生了巷道頂板垮落、底板突起、兩幫擠碎。

2)采動影響下巷道圍巖水平應力的橫向作用是造成巷道明顯底鼓和頂部巖體破壞的主要原因。巷道兩幫垂直應力高度集中,而此時的水平應力處于卸壓狀態,所以,垂直方向的高應力和橫向卸壓是造成兩幫破壞的主要原因。一般巷道原支護方式沒有對底板采取任何支護,因此,位于不同位置的巷道變形主要以底鼓為主,底鼓控制是巷道圍巖穩定性控制的關鍵所在。離工作面端部較近的右幫移近量比較遠的左幫大數倍。對于中等穩定巷道圍巖,在巷道埋深為 600～800 m時,垂直距離應控制在 ＞20 m范圍,水平距離應保持在 ＞16m范圍。

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