趙固二礦非對稱底鼓破壞規律研究

2020-10-14 08:13:10魏文勝

煤 2020年10期

畢鵬，魏文勝

(1.中煤第五建設有限公司第三工程處，江蘇徐州 221002；2. 中國礦業大學(北京)共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083)

我國深部礦井資源賦存豐富，盡管近些年煤礦智能化無人化不斷發展，但巷道仍是工人與設備在井下重要的工作環境，因此研究深部巷道的穩定性對保障礦井安全生產至關重要[1-3]。當載荷超過深部巷道底板破壞強度時底板就會發生破壞，加之一次巷道掘進使巷道周圍應力發生變化，巖石處于破壞階段，在高應力的擠壓作用下極易發生底鼓[4]。武精科等[5]認為煤巖層賦存環境差、巖性差、強采動高應力是發生非對稱破壞的原因，提出了圍巖結構分級分區耦合支護關鍵技術；馬念杰等[6]研究了圍巖偏應力場和塑性區分布規律，提出了“蝶”形非對稱破壞理論；陳上元等[7]認為巷道產生非對稱變形主要是采動影響使巷道圍巖應力場大小和方向發生改變導致的。雖然眾多學者對深部巷道底鼓破壞特征研究較多，但多采用連續元Flac進行研究，本文采用最新離散元3DEC數值模擬軟件及地質雷達監測設備，研究了趙固二礦底板非破壞特征，確定了底板破壞深度，對趙固二礦的安全生產具有重要意義。

1 工程概況

趙固二礦為焦作礦區的新建礦井，底板富水性強，水壓大，隔水層薄，威脅著工作面安全生產。11060工作面軌道巷位于11041工作面西側，11041工作面主采二1煤層，煤層平均厚度約6.5 m，平均傾角3°，埋深700 m左右。11060工作面軌道巷受11041工作面采動影響，經常發生巷道大面積變形，底鼓嚴重，影響礦井的安全生產和工人的生命安全。11041工作面采掘平面如圖1所示，工作面頂底板情況見表1。

圖1 11041工作面采掘平面

表1 11041工作面頂底板情況

2 底板非對稱底鼓破壞分析

2.1 非對稱底鼓特征

圖2為趙固二礦11060軌道巷采用防爆相機拍攝的底鼓圖，圖3是經過專業處理后的地質雷達掃描特征圖，圖3顏色的差異代表底板不同破壞特征。對圖2、圖3的分析表明，11060軌道巷在11041工作面回采期間底板圍巖變形破壞嚴重，需要大面積挖底翻修作業，并且肉眼可見靠近采空區一側的巷道底板底鼓程度及最大破壞范圍明顯大于靠近實體煤的一側，趙固二礦深部11060采動巷道底鼓破壞具有非對稱性，底板最大裂隙發育深度為20.5 m。

2.2 頂板對底板破壞影響

深部開采具有強擾動特性，工作面的強擾動性必然會通過煤柱對底板產生一定影響[8]，主要表現為工作面頂板的破壞觸矸以力或者能量的方式傳遞到底板，加大底板破壞深度及破壞寬度，底板受強擾動破壞將會形成塑性屈服區、卸荷破壞區、卸荷擴展區、觸矸破壞區及峰前損傷區(見圖4)[9]。深部開采時各區的范圍遠大于淺部開采，深部開采強擾動性產生的觸矸也會進一步加大底板破壞范圍。極易產生非對稱破壞。

根據砌體梁理論、半無限體理論、滑移線理論可以建立底板破壞力學模型如圖5所示，可得出底板最大破壞深度Hmax[10-11]計算公式為：

(1)

式中：φ為內摩擦角，(°)；L為極限平衡區寬度，m。

依據現場實際地質情況及礦方資料知趙固二礦11060工作面軌道巷底板巖體內摩擦角為36°，極限平衡區寬度18 m，帶入公式計算得底板最大破壞深度為21 m。

圖2 趙固二礦11060軌道巷非對稱底鼓特征

圖4 深部底板強擾動破壞分區

圖5 底板破壞力學模型

3 3DEC數值模型建立及模擬方案

根據11060軌道巷頂底板地質情況及電腦硬件限制建立3DEC數值模擬模型，模型尺寸為長×寬×高=334.8 m×2 m×150 m，模型巖層本構采用Mohr-Coulomb模型(cons=1)，節理裂隙采用庫倫滑移模型(jcons=2)，上覆巖層載荷16.4 MPa。模型的邊界條件如圖6，模型的巖層和力學參數如表2所示。

數值模擬方案：模型建立平衡后先開挖11060軌道巷，平衡后保存掘進影響穩定階段sav文件，再開挖11041工作面，充分開采后保存采動階段巷道底板sav文件，進行對比分析研究。

4 3DEC數值模擬分析

4.1 不同階段下應力場對比分析

運用離散元數值模擬軟件3DEC導出巷道在掘進影響穩定階段和采動影響階段下垂直應力和偏應力云圖，如圖7所示。

圖6 模型邊界條件

表2 煤巖體力學參數

圖7 不同階段巷道應力場對比

由圖7可知，深部巷道在掘進影響穩定階段和采動階段圍巖應力場存在巨大差異，掘進影響穩定階段的巷道垂直應力、偏應力云圖均呈現明顯的以巷道中心為中心的對稱性，采動影響后，各應力場普遍向煤柱一側發生偏移。巷道底鼓破壞嚴重，產生非對稱底鼓。

由圖7(a)可知，掘進影響穩定階段的巷道開挖穩定后垂直應力場呈現規則的對稱“V”型分布，最大壓應力和拉應力分別為3.50×107Pa和1.72×106Pa，低拉應力主要分布在巷道頂底板處，主要表現為拉應力，以巷道中心向頂底板逐漸遞增，并逐漸表現為由拉伸破壞向剪切破壞變化，發生剪切破壞高壓應力主要集中在巷道兩幫，并以巷道中心逐漸向兩幫側遞減；由圖7(b)可知，采動影響的巷道垂直應力場呈現不規則的偏轉“V”形分布，頂板應力場向煤柱側偏移，底板應力場向實體煤幫偏移，應力場值整體增大，最大壓應力和拉應力分別為9.40×107和2.41×106Pa，壓應力顯著增大，增幅分別為168.6%和40.1%。壓應力和拉應力區分布位置基本不變。

巖土塑性力學認為[12-13]，巖體的破壞是由偏應力控制的，巷道塑性區的發展與偏應力場的演化密切相關，由圖7(c)、(d)可知，偏應力場分布規律與垂直應力場基本一致，受采動影響深部巷道偏應力值及分布區域顯著增大，偏應力場向煤柱方“傾倒”嚴重，偏轉角度達到40°，可明顯看出采動對巷道煤柱側底板擠壓作用。

4.2 不同階段下位移場對比分析

運用離散元數值模擬軟件3DEC導出巷道在掘進影響穩定階段和采動影響階段下底鼓效果、垂直位移云圖，如圖8所示。

圖8 不同階段巷道位移場對比

由圖8可知，深部巷道在掘進影響穩定階段和采動階段圍巖位移場存在巨大差異，掘進影響穩定階段的巷道垂直位移、水平位移云圖均呈現明顯的以巷道中心為中心的對稱性，采動影響后，巷道底鼓效果明顯，周圍垂直值增大，位移場均勻分布被破壞。巷道非對稱底鼓破壞嚴重。

由圖8(c)可知，掘進影響穩定階段的巷道開挖穩定后垂直位移場呈均勻上下對稱“鐘”型分布，頂板巖層主要以負向位移即垮落剪切為主，巷道兩幫及底板主要以正位移即拉伸為主，并以巷道中心向頂板和底板兩側變形量都逐漸減小，最大底鼓位于巷道底板中心，底鼓量9.46×10-2m，最大垮落位置位于頂板中心，最大垮落量為4.78×10-2m；由圖8(d)可知受采動影響后，巷道位移場呈不均勻“波浪”形，巷道周圍垂直位移值普遍增大，尤其是煤柱下底板及巷道靠近煤柱部分底板，煤柱側底鼓范圍及底鼓量遠大于實體煤一側，最大底鼓處位于距煤柱側底板1.8 m處，底鼓量達到5.09×10-1m，增幅達到438%。

4.3 不同階段下塑性區對比分析

運用離散元數值模擬軟件3DEC導出巷道在掘進影響穩定階段和采動影響階段下塑性區圖，如圖9所示。由圖9可知，深部巷道在掘進影響穩定階段和采動階段塑性區分布存在巨大差異：①采動階段巷道頂底板及兩幫的塑性區破壞范圍遠大于掘進影響穩定階段，巷道左下角(煤柱側)塑性區破壞范圍和深度遠大于巷道右下角(實體煤側)；②巷道底板煤柱側塑性破壞嚴重，破壞深度大，遠大于實體煤一側，呈現非對稱破壞。