頂板性質對動載傳播規律影響的模擬研究

馬 鵬，余伊河，徐華君，陳建君，何 江，2

（1．中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221008；2．中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008）

·試驗研究·

頂板性質對動載傳播規律影響的模擬研究

馬 鵬1，余伊河1，徐華君1，陳建君1，何 江1，2

（1．中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221008；2．中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008）

煤礦動載擾動易誘發巷道沖擊破壞，為研究巷道頂板巖層性質對動載誘發巷道沖擊破壞的影響，運用FLAC2D軟件中的動態模塊，研究分析了不同巖性的頂板下，震動波在巷道頂板傳播的速度、位移和加速度的變化規律以及震動波引發的巷道頂、底板和左、右幫位移的變化規律，并對規律進行分析和解釋，為預防沖擊礦壓提出了技術措施。研究表明：震動波在頂板巖層中傳播時，隨著傳播距離的增大，震動波引起的頂板巖層質點的速度、位移和加速度以冪函數的形式進行衰減。在傳播距離相同時，頂板巖層巖性越弱，震動波引起的頂板質點的速度、位移和加速度越大；動力擾動發生在巷道上方一側，巷道頂板和靠近動力擾動一側的巷幫和頂板比遠離動力擾動的巷幫和底板更易發生沖擊礦壓。

動載；沖擊礦壓；頂板性質；巷道；傳播距離

掘進爆破引發的動力擾動是煤礦開采過程中的常見礦震現象，常導致巷道和圍巖失穩，嚴重情況下可誘發沖擊礦壓等動力災害［1］。

目前，在煤礦動載誘發沖擊礦壓的研究方面，陳國祥，竇林名等［2］探討了擾動波在不同加載水平和頻率等影響下，從巷道一側上方傳入時，內、外幫圍巖的應力和塑性區動態相應變化情況；高明仕，張農等［3］模擬了不同震源距和能量對堅硬頂板厚煤層巷道圍巖沖擊速度、位移量的影響情況，模擬了巷道破裂垮冒過程；高明仕，竇林名等［4］在地面不同場地介質進行微震實驗，利用TDS-6微震信號數據采集系統，分析了不同場地介質下震動波傳播能量衰減的差別；張曉春，盧愛紅等［5］針對片幫型沖擊礦壓，模擬研究了應力波對于巷道圍巖層裂結構形成的影響；牟宗龍，竇林名等［6-7］通過數值模擬和實驗研究了頂板巖層特性對于沖擊礦壓危險性的影響。

然而，相關研究表明［1］，沖擊礦壓常發生在動力擾動階段。根據統計資料，煤礦開采過程中，約有72．6%的沖擊礦壓發生在巷道。研究煤礦動載對巷道的作用規律，對于防治動載誘發的沖擊礦壓災害具有重要意義。

本文則針對頂板性質對于動載傳播規律的影響進行數值模擬，探討分析了震動波在不同巖性的頂板中的傳播規律以及對于巷道頂、底板和左、右幫位移的影響，為減少頂板巖層性質對于動載誘發巷道沖擊礦壓提供了依據。

1 數值計算模型

根據某煤礦現場的實際地質條件，利用巖土工程通用模擬軟件FLAC2D建立模型，采用軟件中的Dynamic模塊模擬動力擾動過程。模型分成3層，分別為頂板、煤層和底板。模型的尺寸為150 m×125 m，巷道尺寸為5 m×4 m，頂板厚為60 m，煤層厚為5 m，底板厚為60 m，見圖1，其中模型的物理力學特性參數見表1。

圖1 模型結構及尺寸示意圖

表1 模型的物理力學特性參數表

采用摩爾-庫侖準則，模型兩側邊界設為水平簡支約束，下部邊界為固支約束，上部邊界根據埋深施加均布載荷，模擬埋深800 m，模型上邊界均布載荷12．5 MPa。在動力分析中，根據煤礦動載特征設置一脈沖荷載，分析震動波的傳播規律及其對巷道破壞的影響，震動波以半正弦波加載在巷道一側的上部邊界，具體見圖2。

圖2 數值計算模型

由圖2可知，1～10號點是選取的震動波傳播到巷道路徑上的10個記錄點，相鄰兩個記錄點的距離為7 m，A、C分別是巷道左右兩幫的記錄點，B、D分別是巷道頂、底板的記錄點。

2 數值計算方案

模型上部邊界加載垂直應力12．5 MPa，動載強度Pmax為50 MPa，頻率是10 Hz，改變頂板巖層性質，頂板性質是細砂巖、粗砂巖、黏土粉沙巖、黏土巖、碳質泥巖，從細砂巖到碳質泥巖，頂板巖性是在不斷減弱的，5種巖層的詳細物理力學參數見表2，分別模擬震動波在這五種頂板中的傳播，記錄1～10號點位移、速度、加速度的變化以及巷道左、右兩幫A、C和頂、底板B、D位移的變化。

表2 不同頂板的物理力學特性參數表

3 模擬結果及分析

在不同巖性的頂板中，均勻分布在震動波加載位置與巷道之間的1～10號記錄點在加載過程中所記錄的Yvel、Ydisp、Yaccel最大值與傳播距離之間的關系見圖3，4，5。

圖3 不同頂板巖性條件下Yvel的傳播變化

圖4 不同頂板巖性條件下Ydisp的傳播變化

圖5 不同頂板巖性條件下的Yaccel傳播變化

由圖3～圖5可知：

1）在動載強度、頻率、頂板巖層性質相同時，震動波引起的頂板巖層質點的Yvel、Ydisp、Yaccel隨著傳播距離的增加而減小，在靠近震動波加載位置的一段距離內，隨著傳播距離的增加，頂板巖層質點的Yvel、Ydisp、Yaccel呈明顯減小趨勢，而在傳播距離大于某一臨界值之后，三者隨傳播距離的變化趨于平緩，整條變化曲線近似于冪函數曲線。

2）動載強度和頻率相同，在相同傳播距離條件下，震動波引起的頂板巖層質點的Yvel、Ydisp、Yaccel因頂板巖性的不同而產生差異，具體表現為：頂板巖性越弱，震動波引起的頂板巖層質點的Yvel、Ydisp、Yaccel越大。

3）位移是累積量，故只表現出震動能量隨傳播距離而衰減的冪函數曲線；速度與加速度是瞬時量，在表現出震動能量隨傳播距離而衰減的冪函數曲線的同時，在局部還受到震動波隨時間變化的影響，在小范圍內呈一定的正弦波動曲線。

在不同巖性的頂板中，巷道頂、底板與左、右幫在受到震動波持續影響過程中在某一時間點所積累的位移變形量與頂板巖性之間的關系見圖6。

圖6 不同頂板巖性條件下巷幫速度變化

由圖6可知，在動載強度、頻率和頂板巖層性質相同的情況下，巷道頂板和靠近震動波一側的右幫的位移始終分別比底板和左幫大，表明巷道頂板和右幫比底板和左幫更易發生沖擊礦壓。

4 頂板巖層性質對震動波的傳播及其變形分析

根據模擬結果分析可知，震動波在頂板巖層中傳播時，是以冪函數形式進行衰減的。動載強度和頻率相同時，震動波在頂板巖層中傳播時，在軟弱頂板巖層中傳播產生的頂板巖層質點的速度、位移和加速度大于震動波在堅硬頂板巖層中傳播產生的頂板巖層質點的速度、位移和加速度，所以由能量守恒定律可知，震動波能量在軟弱巖層中衰減程度更為明顯。對于堅硬巖層，一方面，由于震動波能量在堅硬巖層中的衰減程度小于在軟弱巖層中衰減程度，因而在震動波傳播到巷道圍巖處時，還保留著相對較多的能量；另一方面，巷道堅硬頂板也更容易積聚能量，當傳播到巷道圍巖處的震動波與之前由于巷道開挖引起的巷道圍巖重新分布的應力場疊加，導致圍巖內部應力急劇升高至超過圍巖強度極限時，就會使能量在短時間內突然釋放，從而造成巷道圍巖瞬間沖擊破壞。因此，對于頂板較為堅硬的巷道，提前對巷道頂板進行預裂弱化對預防沖擊礦壓是很有必要的。

當巷道受到上方靠近右幫的動力擾動影響時，巷道頂、底板與左、右幫的動力響應是有差異的。相對于巷道底板和左幫，震動波引起的巷道頂板和右幫的位移更大。因為當來自于巷道上方靠近右幫一側的震動波傳播到巷道時，震動波在空氣和圍巖的分界面發生反射與原有圍巖應力相互疊加造成應力升高，而底板和左幫側的震動波則有很大一部分被提前反射造成只有小部分震動波傳播到左幫或底板，所以相比較巷道底板和左幫，巷道頂板和右幫位移更大，沖擊危險性更大。在生產實踐中，應該加強對巷道頂板和靠近震動波一側的巷幫的沖擊危險性監測和防突解危工程的施工。如果條件允許，可以考慮在震動波向巷道傳播路徑上開挖一條保護巷道，阻隔部分震動波，減少巷幫位移，從而降低沖擊危險性。

5 結 論

本文探討了在不同巖性的頂板下，震動波在煤層巷道頂板中的傳播規律，分析了震動波對于巷道頂、底板和左、右兩幫的位移的影響，研究得出以下結論：

1）動力擾動所引起頂板巖層質點的速度、位移和加速度隨傳播距離增大以冪函數的形式衰減。

2）在相同傳播距離的條件下，巷道頂板巖性越弱，動力擾動所引起頂板巖層質點的速度、位移和加速度越大，震動波能量衰減得也越快。

3）巷道空間對于震動波的傳播具有“阻礙”作用，當動力擾動從巷道上方傳來時，巷道頂板和靠近動力擾動一側的巷幫比底板和遠離動力擾動的巷幫更易發生沖擊礦壓。

［1］ 左宇軍，唐春安．深部巖巷在動力擾動下的破壞機理分析［J］．煤炭學報，2006，31（6）：742-746．

［2］ 陳國祥，竇林名．動力擾動對回采巷道沖擊危險的數值模擬［J］．采礦與安全工程學報，2009，26（2）：154-157．

［3］ 高明仕，張 農，竇林名，等．影響巷道沖擊礦壓破壞的關鍵因素及破壞過程的模擬研究［G］／／煤炭開采新理論與新技術—中國煤炭學會開采專業委員會2006年學術年會論文集．徐州：中國礦業大學，2006：24．

［4］ 高明仕，竇林名，張 農，等．巖土介質中沖擊震動波傳播規律的微震實驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2007，26（7）：1365-1371．

［5］ 張曉春，盧愛紅，王軍強．動力擾動導致巷道圍巖層裂結構及沖擊礦壓的數值模擬［J］．巖石力學與工程學報，2006，25（增1）：3111-3114．

［6］ 牟宗龍，竇林名．頂板巖層對沖擊礦壓的影響規律研究［J］．中國礦業大學學報，2010，39（1）：40-44．

［7］ 牟宗龍，竇林名．頂板巖層特性對煤體沖擊影響的數值模擬［J］．采礦與安全工程學報，2009，26（1）：25-30．

Numerical Simulation of Properties of the Roof Affecting Dynam ic Disturbance Propagation Law

Ma Peng，Yu Yi-he，Xu Hua-jun，He Jiang

Dynamic disturbances can lead to rock burst in coal mining．In order to study on the influence of the properties of the roof on rock burst risk in roadway，by using the dynamic module of FLAC2D program，studied and analyzed under the roof of different lithology the vibration wave variation law of velocity，displacement and acceleration in the roadway roof propagation and the variation law of the roof，floor and sides displacement in the roadway caused by vibration wave．The variation law was analyzed and explained．Technical measures for the prevention of rock burst are provided．The result indicates that when the vibration wave propagated in the roof strata，as the propagation distance increased，the velocity，displacement and acceleration on the roof strata particle caused by vibration wave in the form of power function declined．With the same propagation distance，the lithology of the roof is weaker，the velocity，displacement and acceleration on the roof particle caused by vibration wave is larger．The dynamic disturbance happens at the upper part of one side of roadway，rock burst is easier to happen at the roof and the side near the dynamic disturbance of the roadway．

Dynamic disturbances；Rock burst；Properties of the roof；Roadway；Propagation distance

TD315+．3

B

1672-0652（2013）10-0011-04

2013-07-02

中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助（2012DXS02）

馬 鵬（1991—），男，陜西延安人，2011級中國礦業大學在讀本科生，主要從事巷道支護、沖擊礦壓等方向的研究（E-mail）cumt_mapeng＠163．com