深部巷道圍巖動靜載荷變化特征的數值模擬研究

楊柱龍，臧傳偉，譚云亮，李建政

(山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東青島266590)

隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，沖擊地壓災害越來越嚴重，已經成為制約我國礦山生產和安全的主要災害之一［1－2］。

沖擊地壓是采場及巷道周圍的煤巖體在高應力集中作用下，受外界擾動，向采掘空間突然、猛烈沖擊。沖擊地壓不僅發生在推進的工作面現場，而且可能波及變形能釋放范圍的巷道、硐室，特別是存在高應力集中的空間部位［3－5］。沖擊地壓發生機理復雜，預防規律難尋，采用單一的監測方法和預防手段有很大的局限性。當前大多有沖擊危險的礦井采用多種監測與預防的措施，一般缺乏針對性，甚至具有盲目性，不僅增加了防沖成本，也使問題更加復雜，不利于沖擊地壓的長期預防。

本文以某礦1410上平巷掘進面為例，通過對發生沖擊地壓掘進面的現場觀測，采用數值模擬和理論分析的方法對該掘進面應力來源及加載方式進行了分析［6－8］，并以此為依據，科學合理地確定沖擊地壓防治措施。

1 工程概況

工作面位于－410m水平東二西4槽7平石門以里，上至9平石門二主坡及回采邊界，下至算量邊界;左至9平石門反坡，右至7平石門主坡。地面標高 +380～+500m，工作面標高 －345～－413m，上覆25m東二西4槽9平石門二主坡以上及5平石門上部正在回采。工作面位置關系見圖1。該工作面煤層厚度2.9～4.5m，平均4.0 m，傾角32～43°，平均37°。該工作面上平巷掘進面發生一起1.2級沖擊地壓，摧毀巷道31m并造成大量設備損壞。巷道頂板堅硬，并且其上覆巖層礫巖堅硬整體性強，其斷裂垮落對下部的煤巖體產生沖擊載荷，是此次發生沖擊地壓的主要力源。

2 數值模擬

圖1 工作面位置關系

以某礦1410工作面為工程背景，根據實際地質條件，運用FLAC3D數值模擬軟件，采用摩爾－庫倫模型，模型尺寸為60m×70m×60m(長×寬×高)，模型埋深為837m，施加20.1MPa的垂直應力，施加1.3倍的水平地應力，大小為26.1MPa。在數值模擬中運用FLAC3D動力分析部分［9］，動力分析過程包括靜力計算和動力計算，其中靜力計算是動力計算的基礎。在進行動力分析之前要進行靜力計算，獲得振動施加前的初始應力狀態。動力分析一般有4個階段:確定模型滿足波精確傳播的條件;規定合適的機械阻尼;施加動力載荷與邊界條件;設置模型動力響應的監測設施。

靜力模擬部分模型z方向底面限制垂直方向位移，模型x，y方向限制水平移動。

動力模擬部分在模型底面設置靜態邊界，模擬采空區下部無限深區域;周邊采用自由場邊界，與底面的靜態邊界結合使模型區域置于一個半空間無限的自然地質體內，更接近工程實際。本文采用瑞利阻尼，設置瑞利阻尼必須選擇臨界阻尼比ξ和中心頻率 f，臨界阻尼比為 0.05，中心頻率為22.7Hz。

圍巖開挖時爆破動力、頂板斷裂沖擊波等類似動力擾動在數值模擬時可取載荷波形為諧波中的一段，其數學表達式為:

動力計算中采用圖2所示的應力波，經多次對比分析不同擾動應力波峰值對沖擊臨界值的影響，最終確定擾動應力波峰值強度Pmax取30MPa，動載頻率w取250Hz，動力持續時間t為30ms，動力波施加在巷道右側模型上表面。

圖2 應力波時程曲線

3 數值模擬結果分析

3.1 受靜載時圍巖最大主應力與彈性應變能分布

通過運用FLAC3D，Tecplot等軟件模擬處理可知，巷道開挖后，靜載作用下最大主應力與彈性應變能分布如圖3～圖5所示。從圖3可以看出，巷道沿煤層傾斜方向，距巷道右幫6m處存在應力集中，最大主應力為32MPa，在巷道4m范圍內存在卸壓現象，應力小于15MPa;由于頂板較為堅硬，卸壓范圍小于在煤層中卸壓范圍，頂板巖層中最大主應力小于15MPa距離的為1.5m。從圖3沿著煤層方向布置一條如圖所示測線，監測巷道最大主應力曲線如圖4所示，從圖4中更清晰地看出沿著煤層方向在距離巷道大約6m處存在應力集中，最大應力值為32MPa，隨后應力值降低至25MPa。

圖3 巷道受靜載時掘進面處最大主應力分布

圖4 巷道受靜載時幫部最大主應力曲線

圖5為巷道受靜載時彈性應變能密度曲線，從圖中可以看出沿著煤層傾斜方向，距離巷道約6m范圍內，煤層彈性應變能最大，彈性應變能最大值為275kJ/m3;在沿煤層傾斜方向巷道3m范圍內彈性應變能降低，小于75kJ/m3;在頂底板巖層中彈性應變能密度約為100kJ/m3，遠小于巷道沿煤層方向的彈性應變能，可見在煤層中沖擊危險最為強烈。

圖6為巷道前方支承壓力分布云圖，從圖中可以看出:在巷道前方，巷道3m范圍內支承壓力降低至18MPa，巷道前方6m處存在應力峰值，應力值最大為32MPa;從圖7巷道前方彈性應變能分布云圖可以看出，巷道前方3m范圍內彈性應變能降低至75kJ/m3，在巷道前方6m左幫處存在彈性應變能峰值，最大為250kJ/m3，與巷道掘進面處峰值相似。

圖5 巷道受靜載時彈性應變能密度曲線

圖6 巷道前方支承壓力分布

圖7 巷道前方彈性應變能分布

3.2 受動載時圍巖最大主應力與彈性應變能分布

在巷道右上方模型上邊界施加動載，模擬上覆礫巖斷裂垮落對下部的煤巖體產生的沖擊載荷，分析動載影響下巷道圍巖應力及彈性應變能積聚規律，擾動源施加位置如圖8所示。

圖8 擾動源施加位置

圖9 應力隨時間變化曲線

巷道受動力擾動時，沿煤層傾斜方向距巷道右幫6m處巷道最大應力值隨時間變化曲線如圖9所示。從圖9可知，在13ms時巷道應力達到最大值45MPa，之后巷道應力值隨著時間而波動。從圖中可以看出巷道最大主應力隨著動載增大而增大，隨著動載減小而減小，之后趨于穩定。圖10為在t=13ms時巷道掘進面處最大主應力分布情況，在圖10上布置一條如圖所示的測線，測得施加動載后巷道幫部應力擾動曲線如圖11所示。由于巷道右上部受動力擾動，所以巷道沿著煤層傾斜方向，距離巷道右幫6m處存在應力峰值，最大主應力峰值為45MPa，與僅受靜載時相比，應力峰值增大;而沿著煤層傾斜方向，巷道左幫最大主應力峰值為35MPa，應力值比靜載時升高了3MPa。

圖10 巷道受動載時掘進面處最大主應力分布

圖11 巷道受動載時幫部最大主應力曲線

圖12為巷道幫部受動載時彈性應變能密度曲線。從圖12可以看出，由于受動載作用，在掘進面處巷道彈性應變能比靜載時有明顯的增大。由于巷道右上部受動載作用，沿煤層傾斜方向距巷道右幫6m處彈性應變能密度達到最大，最大值為365kJ/m3，比靜載時彈性應變能密度增大約32%，而巷道左幫處彈性應變能密度為300kJ/m3，與靜載時相比增大20%。

圖12 巷道受動載時幫部彈性應變能密度曲線

圖13為t=13ms時巷道前方支承壓力分布，可以看出由于受到動載作用，巷道前方支承壓力值增大，最大為35MPa，應力增大幅度小于掘進面處。圖14為巷道前方彈性應變能分布云圖，彈性應變能密度為250kJ/m3，由于巷道左幫受擾動較小，彈性應變能變化小，右幫相比靜載時彈性應變能增大25%。總體來說，巷道前方支承壓力值和彈性應變能密度與靜載時相比有所增大，但是增大幅度小于掘進面。

圖13 巷道前方支承壓力分布

圖14 巷道前方彈性應變能分布

4 結論

(1)通過數值模擬和理論分析可知，在1410上平巷開挖受靜載過程中，應力集中距離巷道6m左右，最大主應力為32MPa，彈性應變能來源為巷道圍巖系統靜載荷，沖擊臨界值在靜載作用下緩慢達到，受外界擾動易發生沖擊地壓。

(2)上覆礫巖斷裂垮落產生能量誘發動載型沖擊地壓，彈性應變能密度最大值為365kJ/m3，比靜載時彈性應變能密度增大32%。彈性應變能的來源既有巷道圍巖近場系統內靜載荷，又有巷道圍巖遠場系統外動載荷，靜載使煤巖體處于準靜態平衡狀態，通過外界動載的劇烈擾動瞬間達到沖擊臨界值，并釋放大量彈性應變能而誘發沖擊地壓。在監測和防治設計方案中要采取動靜載荷相結合的措施，針對本文情況建議采用頂板預注水和深孔斷頂爆破技術，弱化頂板結構，減弱能量積聚能力。

［1］齊慶新，竇林名.沖擊地壓理論與技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2008.

［2］譚云亮，蔣金泉.采場堅硬頂板斷裂步距的板極限分析 ［J］.山東礦業學院學報，1989，8(3):21－26.

［3］竇林名，何學秋.沖擊地壓防治理論與技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2002.

［4］熊祖強，賀懷建，等.沖擊地壓應力狀態及卸壓治理數值模擬［J］.采礦與安全工程學報，2006，23(6):490－493.

［5］潘俊鋒.半孤島面全煤巷道底板沖擊啟動原理分析［J］.煤炭學報，2011，36(S2):333－338.

［6］夏永學，藍 航，毛德兵，等.動靜載作用下沖擊地壓啟動條件及防治技術［J］.煤礦開采，2013，18(5):83－86.

［7］劉少虹.動靜加載下組合煤巖破壞失穩的突變模型和混沌機制 ［J］.煤炭學報，2014，39(2):294－300.

［8］譚云亮，劉傳孝，韓憲軍.巷道圍巖破壞發育規律診斷研究［J］.煤炭學報，2000，25(S1):62－66.

［9］陳育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例 ［M］.北京:中國水利水電出版社，2013.