MIDAS/GTS數(shù)值模擬技術(shù)在煤礦巷道松動演化規(guī)律研究中的應(yīng)用

鐘祥熙

摘要：文章通過MIDAS/GTS軟件對黃陵二號煤礦回采巷道進行模擬，得到了黃陵二號煤礦巷道松動區(qū)的分布情況，同時對影響松動區(qū)分布的不同因素進行模擬研究，得到了不同因素對巷道松動區(qū)分布的影響規(guī)律，為優(yōu)化巷道支護設(shè)計與施工技術(shù)創(chuàng)造了條件，為煤炭生產(chǎn)提供有效的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：MIDAS/GTS軟件；數(shù)值模擬技術(shù)；煤礦巷道；巷道松動；演化規(guī)律 文獻標識碼：A

中圖分類號：P642 文章編號：1009-2374（2016）05-0143-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.072

1 概況

陜西黃陵二號煤礦位于陜西省黃陵縣雙龍鎮(zhèn)，井田面積351.9km2，礦井核定生產(chǎn)能力800萬噸/年。礦井采用斜井開拓，單水平、分盤區(qū)開采，主要大巷沿煤層布置。采煤工藝為綜合機械化長壁采煤法開采，全部垮落法管理頂板。目前開采的2號煤層層位穩(wěn)定，厚度3～5.6m，規(guī)律性明顯；煤層偽頂厚度較薄，一般0.50m左右，多為泥巖和炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖；直接頂板以粉砂巖、細粒砂巖為主，厚度0.78～23.48m，一般厚度為1.50～8.00m左右；老頂以灰白色-淺灰白色中-細粒砂巖為主（即K2標志層）。厚度1.00～34.20m，一般5.0～10.0m；直接底板幾乎全部為泥巖、砂質(zhì)泥巖，少量炭質(zhì)泥巖，含植物根系化石，遇水膨脹，厚度0.50～9.43m，一般厚度1.0～2.0m。

2 試驗材料相關(guān)力學參數(shù)

黃陵二號煤礦回采巷道所處地層條件一般是：直接頂板為砂巖，巷道位于煤層之中，巷道底板為泥巖，具體材料力學參數(shù)如表1所示：

3 邊界條件和加載模式

計算模型按面力邊界條件設(shè)置，如圖1所示。二號煤礦巷道埋深為450m，故取上覆巖層荷載為11250kN/m2。巷道既有錨索支護排距為1.6m。模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示，巷道部分單元長度取1m，其他部分單元長度可適當取大，以便減小計算量，節(jié)約計算時間。

4 模擬過程及結(jié)果分析

4.1 模擬過程

模擬計算分兩部分：第一部分是在重力作用下，模擬固結(jié)過程；第二部分是在前一步基礎(chǔ)上，利用“殺死”巷道單元來模擬開挖，共分為六步開挖。模擬分為有支護和無支護兩種，以對比分析現(xiàn)有支護的作用。為體現(xiàn)巷道開挖過程中的空間效應(yīng)，取y=5m截面為觀測面，隨巷道開挖過程可得距離工作面正頭5m、15m、25m、35m、45m、55m時觀測面的位移變化情況和松動區(qū)分布。

4.2 結(jié)果分析

有支護作用時，根據(jù)觀測面位移結(jié)果云圖可知，巷道豎向位移為頂板中央處最大。巷道頂板最大下沉量和距工作面正頭的距離的關(guān)系如圖3中曲線所示。

動區(qū)分布圖

如圖4可見，距離隨著工作面正頭的向前推進，端部效應(yīng)逐漸減弱，巷道圍巖的頂板下沉量逐漸增大。但可以看出，當觀測截面與工作面正頭距離在15m以內(nèi)時頂板下沉量增加明顯，當大于15m時頂板沉降逐漸趨于平穩(wěn)，可以得出工作面正頭的端部效應(yīng)影響范圍小于15m。

如圖3和圖4可知，由于巷道處于煤層中，模擬結(jié)果顯示在既有支護方式下，巷道圍巖松動范圍大小為2.68m。工作面正頭端部效應(yīng)對巷道松動區(qū)分布的影響效果和對頂板沉降的影響效果類似，當工作面正頭推進距離大于15m時，松動區(qū)分布趨于平穩(wěn)，不再擴大，如圖5所示。

在無支護的情況下，巷道圍巖松動圈如圖6所示。由圖6可知，在無支護情況下，巷道松動圈有明顯增大，最大松動范圍達3.51m，并且在兩幫和頂部的變形明顯增加。由此可見現(xiàn)有支護措施是有效的，對限制松動圈的發(fā)展有積極作用。

5 應(yīng)力集中區(qū)域松動圈模擬

巷道相交處由于形狀不均勻，會形成應(yīng)力集中區(qū)域，因此此處更易破壞。以此對巷道交點處進行三維建模模擬，以得到松動圈分布，計算模型及計算結(jié)果如圖7和圖8所示。

為方便看出巷道拐角（應(yīng)力集中）處松動圈大小，對模型進行對角線剖切，從剖切面圖可以看出，其松動圈的大小如圖9所示。

由圖10可以看出，應(yīng)力集中區(qū)松動圈明顯較巷道松動圈大，其最大值約為3.4m，因此應(yīng)對巷道拐角等應(yīng)力集中區(qū)加強支護，保證安全。

6 不同巖性對松動區(qū)的影響

為了表現(xiàn)巷道不同區(qū)域巖性差異導致的松動區(qū)范圍差異，可以通過改變圍巖的不同參數(shù)，得到其影響結(jié)果。

一般來說，巖體具有高的抗壓強度和極低的抗拉、抗剪強度，結(jié)合摩爾庫倫準則單軸抗壓強度表達式。（式中：為內(nèi)摩擦角；為黏聚力）可以發(fā)現(xiàn)，只需具體研究內(nèi)摩擦角及粘聚力各自變化時的影響就行了。下面分別模擬研究內(nèi)摩擦角、黏聚力、巷道高度變化對松動圈的影響。在模擬過程中，在此可以不考慮模型空間效應(yīng)，故采用簡化的二維模型來計算，以此減少計算量和計算時間。二維簡化模型如圖11所示：

6.1 內(nèi)摩擦角對松動范圍的影響

當巷道圍巖較為破碎時，可以表現(xiàn)為圍巖內(nèi)摩擦角變小。內(nèi)摩擦角在力學上可以理解為塊體在斜面上的臨界自穩(wěn)角，在這個角度內(nèi)，塊體是穩(wěn)定的：大于這個角度，塊體就會產(chǎn)生滑動。具體到工程上，巖體內(nèi)摩擦角很大程度上表征了巖體的完整性，是評價巖體強度的重要指標之一。在黏聚力一定時，內(nèi)摩擦角越小，巖體強度越高，反之強度越低。

為了計算結(jié)果具有可比性，模型參數(shù)只改變摩擦角φ值，其他參數(shù)取值不變。分別對變化量為±2°、±4°、±8°進行模擬計算，從模擬計算結(jié)果上可知：松動區(qū)分布明顯都隨內(nèi)摩擦角增大而減小，且都集中在兩幫和底腳，并且巷道的豎向位移也隨著內(nèi)摩擦角的增大而減小。為進一步研究摩擦角變化與松動區(qū)厚度值變化的關(guān)系，將模擬結(jié)果用折線圖表示如圖12所示，頂板下沉與摩擦角關(guān)系如圖13所示。

由折線圖12、圖13可知，同等條件下，巖體開挖后松動圈范圍隨巖體內(nèi)摩擦角增大而減小，且摩擦角較小時，松動區(qū)范圍隨摩擦角增大而減小較為明顯。即圍巖完整性越好，巷道松動圈越小。這就需要我們在巷道掘進過程中能夠充分地保護圍巖的完整性，發(fā)揮其自承能力。巷道頂板下沉量也遵循此規(guī)律。

6.2 黏聚力對松動范圍的影響

黏聚力原本是用于評價黏性土強度的一個重要指標，但顯然天然的巖體也具有土體相類似的性質(zhì)，巖體黏聚力的大小表征了構(gòu)成巖體各礦物成分及各結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)強弱，因此黏聚力也通常作為巖體質(zhì)量等級劃分的一個重要指標被考慮。

在巷道不同區(qū)域，圍巖質(zhì)量也有差異，如對于巷道頂板而言，粉砂巖與細砂巖的黏聚力就有很大差異，其黏聚力對松動圈范圍影響明顯。

為了研究黏聚力C對松動圈厚度的影響，在不改變其他參數(shù)的情況下，對總體底層的黏聚力進行變化以對比研究。為此取C變化值為±0.5MPa、±1MPa、±1.5MPa進行模擬。從模擬結(jié)果中可以看出，隨著黏聚力增大，巷道的松動區(qū)逐漸減小，同時巷道豎向位移也呈減小趨勢。為進一步研究黏聚力變化與松動區(qū)厚度值變化的關(guān)系，將模擬結(jié)果用曲線圖表示，如圖14所示。

圖14 內(nèi)聚力變化對松動區(qū)

的影響 圖15 內(nèi)聚力變化對頂板沉降量的影響

由圖15可以看出，同等條件下，巖體開挖后松動圈厚度隨巖體黏聚力強度增大而減小。同時由于巖石強度的增高，頂板下沉量也同步減小。

6.3 巷道高度對松動范圍的影響

為研究巷道高度對松動區(qū)的影響，在巷道跨度（5m）不變的情況下，分別改變巷道的高度為5m、4.5m、4m、3.5m，使其跨高比分別為1.0、1.11、1.25、1.43，以此對比分析巷道高度的影響。

從模擬計算中可知，在跨度不變的情況下，增大跨高比（即減小巷道高度）時，巷道松動區(qū)會逐漸減小，巷道頂板沉降也逐漸減少。

為了更形象地體現(xiàn)巷道高度對松動區(qū)分布的影響，根據(jù)模擬計算的數(shù)據(jù)繪出高跨比與松動區(qū)范圍和頂板沉降量的關(guān)系圖，如圖16所示。

由圖16可以看出，跨度不變時，減小巷道的高度，可以減少巷道松動區(qū)范圍，同時減少巷道的豎向位移。

7 結(jié)語

（1）模擬得到，在現(xiàn)行支護條件下，巷道圍巖松動范圍大小為2.68m，基本上與實測結(jié)果相似。由于模擬過程參數(shù)選取條件存在的局限性，以數(shù)值模擬結(jié)果作參考，進行必要的現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果是必要的。模擬的巷道圍巖松動范圍與實測結(jié)果存在差異是客觀的，經(jīng)過適當?shù)膮?shù)調(diào)整，再模擬分析得到的內(nèi)摩擦角、黏聚力和巷道高度對巷道圍巖松動范圍的影響將使模擬分析更具有效性和可應(yīng)用性。（2）在未支護條件下，巷道圍巖松動圈明顯增大，范圍大小約為3.51m。可見現(xiàn)有支護措施是有效的，限制了松動圈的發(fā)展。（3）應(yīng)力集中區(qū)松動圈明顯較巷道松動圈大，其最大值約為3.4m，因此應(yīng)對巷道拐角等應(yīng)力集中區(qū)加強支護，保證安全。（4）巷道掘進過程中，由于工作面端部效應(yīng)而受到影響的范圍在15m以內(nèi)，即當工作面推進到離巷道某測點斷面大于15m時巷道的應(yīng)力和位移狀態(tài)已趨于穩(wěn)定。（5）不同巖石性質(zhì)的不同，內(nèi)摩擦角值的影響：同等條件下，地下巷道開挖后形成的松動區(qū)的厚度值隨摩擦角增大而減小，且摩擦角較小時，松動區(qū)厚度隨摩擦角值增大而減小較為明顯。（6）黏聚力強度c值的影響：同等條件下，巷道開挖后形成的松動區(qū)厚度值隨黏聚力強度值增大而減小。屈服區(qū)以剪切屈服為主，拉伸屈服只發(fā)生在銅室壁很小范圍內(nèi)。（7）在巷道跨度不變的情況下，減小巷道高度，即增大跨高比，將會使巷道開挖的松動區(qū)厚度值減小。

（責任編輯：蔣建華）