基于UDEC Trigon模型分析采動(dòng)對(duì)深部巷道的破壞機(jī)理

陳小林，岳 鑫，馬嘉偉

(1.山西焦煤集團(tuán) 正利煤業(yè)有限公司， 山西 呂梁 033500； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221116)

我國煤礦主要以井工礦為主，每年需要掘進(jìn)各類井下巷道約12 000 km[1]，巷道承擔(dān)著煤炭開采工作中設(shè)備物料運(yùn)輸、人員進(jìn)出和通風(fēng)等主要作用。因此，維護(hù)巷道穩(wěn)定是煤礦安全高效開采的重要保證。

深部巷道由于巖層賦存條件和地應(yīng)力的改變，巷道支護(hù)一直是專家和學(xué)者們探究的熱點(diǎn)問題[2-4]. 受采動(dòng)影響的深部巷道，其圍巖控制遇到的問題則更是嚴(yán)重[5,6]. 左宇軍等[7,8]分析了動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)深部巖巷破壞過程的影響，從細(xì)觀角度分析了不同深度或受不同靜壓力的巖石巷道在動(dòng)力擾動(dòng)下的破壞規(guī)律。朱萬成等[9]運(yùn)用數(shù)值軟件系統(tǒng)RFPA，模擬分析了動(dòng)態(tài)擾動(dòng)觸發(fā)深部巷道發(fā)生失穩(wěn)破裂的機(jī)理，提出動(dòng)態(tài)擾動(dòng)誘發(fā)的損傷區(qū)是采動(dòng)情況下巷道破壞的主要原因。陳登紅[10]等采用真三軸相似模擬方法，模擬了不同加載梯度下巷道圍巖應(yīng)變特征，當(dāng)采動(dòng)應(yīng)力集中系數(shù)大于2時(shí)，深埋巷道圍巖應(yīng)變進(jìn)入非線性大應(yīng)變狀態(tài)。

本文基于UDEC Trigon模型，分析巷道在經(jīng)歷初次開掘、上工作面采動(dòng)影響、本工作面采動(dòng)影響的相互疊加作用下，巷道的破壞機(jī)理。

1 工程背景

山西焦煤集團(tuán)嵐縣正利煤業(yè)14103工作面位于寧武煤田東南部，礦井為立井開拓方式，布置一個(gè)開采水平，+593 m水平。礦井?dāng)鄬影l(fā)育規(guī)模小，不影響采區(qū)合理劃分及工作面的推進(jìn)，對(duì)煤層開采無影響，未揭露陷落柱及巖漿巖，構(gòu)造屬簡單類。巷道所在煤層為4#煤層，其頂?shù)装鍘r性及其彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度見圖1. 14103工作面軌道順槽要求服務(wù)至14103工作面回采結(jié)束，見圖2，順槽在服務(wù)期間除了受巷道開挖對(duì)其本身的影響之外，還受上工作面(14102工作面)和本工作面的兩次采動(dòng)影響，分別為14102工作面采動(dòng)過程中產(chǎn)生的側(cè)向支承壓力和本工作面推進(jìn)過程產(chǎn)生的超前支承壓力[11]，這三者對(duì)軌道順槽兩幫產(chǎn)生較大的破壞作用，致使其變形嚴(yán)重。

圖1 巷道所在煤巖層力學(xué)特征圖

圖2 工作面布置圖

軌道順槽的支護(hù)方式：錨桿+金屬網(wǎng)/塑料網(wǎng)+鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)。其中，頂板和兩幫錨桿選用規(guī)格為d20 mm×L2 200 mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，錨固方式為全長錨固，見圖3.

圖3 14103工作面軌道順槽支護(hù)圖

2 離散元數(shù)值模擬

針對(duì)14103工作面軌道順槽實(shí)際情況，選用離散元數(shù)值模擬軟件對(duì)上下工作面回采過程中采動(dòng)應(yīng)力對(duì)順槽的影響建立數(shù)值模型進(jìn)行分析。

2.1 UDEC Trigon 模型簡介

UDEC Trigon模型是由Gao F Q等[12]基于UDEC多邊形隨機(jī)模型提出的一種更符合實(shí)際情況的數(shù)值模型。在UDEC Trigon模型中，巖石或者巖體被隨機(jī)劃分為一系列的三角形塊體，它們之間通過接觸面連接，塊體被視為彈性體，模型沿著接觸面有兩種破壞形式，分別為拉伸破壞、剪切破壞[13].

將庫侖摩擦定律應(yīng)用于三角形塊體。塊體的力學(xué)關(guān)系為：

Δσn=-knΔun

(1)

式中，Δσn為法向應(yīng)力有效增量；Δun為法向位移有效增量；kn為法向剛度。

在切向上，塊體的力學(xué)關(guān)系為：

|τs|≤C+σntanφ=τmax

(2)

(3)

或者

|τs|≥τmax

(4)

τs=sign(Δus)τmax

(5)

2.2 模型建立

基于工程背景，建立14103工作面軌道順槽的UDEC Trigon模型，見圖4. 為了計(jì)算效率最大化，在順槽周邊一定范圍內(nèi)的塊體劃分成三角形，塊體平均大小為0.2 m，考慮到計(jì)算的精確性，防止塊體突然增大導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差增大，塊體隨著與順槽中心距離的增大而逐漸增大，在遠(yuǎn)離巷道范圍內(nèi)的塊體被劃分為0.5～4 m的矩形塊體。順槽左邊是14102工作面，右邊是14103工作面。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型圖

2.3 煤巖力學(xué)參數(shù)

14104工作面軌道順槽頂?shù)装鍘r層的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量見表1，數(shù)據(jù)是通過制作成標(biāo)準(zhǔn)試件(d50 mm×L100 mm)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量而得來，RQD值通過鉆孔窺視測(cè)得。

表1 煤巖塊-煤巖體轉(zhuǎn)換后力學(xué)參數(shù)表

運(yùn)用學(xué)者們總結(jié)歸納出的計(jì)算方法首先將實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的煤巖樣塊力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)化為巖體的力學(xué)參數(shù)。

彈性模量轉(zhuǎn)化運(yùn)用RQD值來計(jì)算[14]，計(jì)算公式為式(6)；在獲得巖體彈性模量的基礎(chǔ)上，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)法獲得巖體的抗壓強(qiáng)度[15]，計(jì)算公式為式(7)；基于抗壓強(qiáng)度，再利用估算的方法，得到巖體的抗拉強(qiáng)度，其計(jì)算公式為式(8).

(6)

(7)

(8)

式中,Em為巖體的彈性模量,GPa;Er為巖塊的彈性模量,GPa;RQD值在煤巖塊現(xiàn)場(chǎng)取芯時(shí)得到。σcj為巖體的抗壓強(qiáng)度,MPa;σci為巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度,MPa. 令n=1/Gradient，n的值在巖體不同的破壞形式時(shí)取值不同，其中，劈裂和剪切為0.56，滑動(dòng)為0.66，旋轉(zhuǎn)為0.72，平均值為0.63，由于巖體破壞形式復(fù)雜多變，此處取平均值0.63;σti為巖體抗拉強(qiáng)度，MPa；σcj為巖體抗壓強(qiáng)度,MPa.

利用UDEC Trigon模型進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn),校驗(yàn)測(cè)得的煤巖參數(shù)值,見表2，單軸壓縮實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D見圖5，為避免網(wǎng)格大小帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，其網(wǎng)格劃分大小與模型中的網(wǎng)格大小一致。

圖5 煤巖力學(xué)參數(shù)校驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

表2 煤巖力學(xué)參數(shù)校正表

2.4 地應(yīng)力大小與模型開挖順序

根據(jù)14102工作面綜合柱狀，回采巷道埋深約620 m，取平均體積力為27 kN/m3，減去煤層上方模型的高度20 m，故在模型上方施加大小為16.2 MPa的垂直應(yīng)力，模型的左右兩側(cè)采用水平位移固定，底邊垂直位移固定。在4-1#和4#煤層中各鋪設(shè)一條水平測(cè)線，在順槽四周設(shè)置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中，順槽兩幫的測(cè)點(diǎn)用來測(cè)幫部的水平位移與垂直應(yīng)力，順槽頂?shù)装宓臏y(cè)點(diǎn)用來測(cè)垂直位移與垂直應(yīng)力。

1) 開挖14103工作面軌道順槽：在地應(yīng)力平衡之后，通過刪除塊體的方式將順槽開挖出來，并立即進(jìn)行支護(hù)，再進(jìn)行平衡計(jì)算，巷道變形見圖6a).

2) 開挖14102工作面：14102工作面屬于上工作面，每10 m為一個(gè)計(jì)算步距，每次開挖計(jì)算平衡后計(jì)算下一步，共計(jì)算80 m，巷道變形見圖6b).

3) 開挖14103工作面：14103工作面屬于本工作面，起開挖方式與14102工作面一致，巷道變形見圖6c).

圖6 不同階段軌道順槽變形情況圖

3 巷道破壞機(jī)理分析

圖6顯示了不同階段巷道的變形情況，可以看出，巷道開掘之后，圍巖變形較小，巷道兩幫產(chǎn)生少許裂隙，而在14102和14103工作面回采結(jié)束后，巷道右?guī)彤a(chǎn)生嚴(yán)重的變形，14103工作面回采結(jié)束后巷道四周變形量見圖7.

圖7 巷道四周變形量曲線圖

由圖7可以看出，巷道頂?shù)装宓拇怪睉?yīng)力轉(zhuǎn)移較小，而巷道左幫的垂直應(yīng)力值高達(dá)約80 MPa，右?guī)徒咏?00 MPa. 由于巷道兩幫都是煤體，其抗壓強(qiáng)度為7 MPa以下，故可以判斷巷道兩幫的煤體處于已被破壞狀態(tài)。

3.1 采動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律

采動(dòng)對(duì)巷道變形產(chǎn)生很大影響，從采動(dòng)應(yīng)力的角度分析對(duì)巷道的影響。巷道周圍巖層在不同階段的垂直應(yīng)力云圖見圖8. 在巷道掘出后，兩幫應(yīng)力增大至約20 MPa，巷道頂?shù)装鍛?yīng)力減小至原巖應(yīng)力以下。14102工作面回采帶來的側(cè)向支承壓力導(dǎo)致巷道兩幫應(yīng)力顯著增大至60 MPa左右，而14103工作面采動(dòng)形成的超前支承壓力與14102工作面的側(cè)向壓力疊加導(dǎo)致巷道兩幫的應(yīng)力增大至約80 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到4.7.

圖8 不同階段巷道圍巖垂直應(yīng)力分布圖

3.2 采動(dòng)裂隙演化規(guī)律

不同采動(dòng)階段巷道四周的裂隙發(fā)育情況和錨桿的變形情況見圖9. 巷道掘出并及時(shí)支護(hù)后，在巷道兩幫的淺部產(chǎn)生少量裂隙，錨桿未產(chǎn)生大的變形，說明未受采動(dòng)應(yīng)力影響時(shí)，現(xiàn)有巷道的支護(hù)是合理的。14102工作面回采帶來的側(cè)向支承壓力導(dǎo)致巷道兩幫的裂隙向深部發(fā)育，左部分塊體產(chǎn)生較大位移，導(dǎo)致錨桿產(chǎn)生較大變形，并且巷道底板的裂隙也逐漸向深部發(fā)育，導(dǎo)致底板鼔起。而14103工作面回采帶來的工作面前方超前支承壓力導(dǎo)致巷道右?guī)痛笞冃危瑝K體離散，位移顯著增大，底板鼔起量進(jìn)一步增大，兩幫的錨桿彎曲變形嚴(yán)重，對(duì)巷道兩幫的淺部煤體幾乎失去約束作用。這說明采動(dòng)應(yīng)力的疊加導(dǎo)致巖體發(fā)生破壞，進(jìn)一步帶來錨桿的實(shí)效，導(dǎo)致巷道支護(hù)體系被破壞，巷道變形嚴(yán)重。

圖9 不同階段巷道圍巖裂隙演化規(guī)律圖

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法，對(duì)正利煤業(yè)深部巷道受本巷道掘進(jìn)影響和上工作面、本工作面產(chǎn)生的采動(dòng)影響導(dǎo)致的破壞機(jī)理進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論：

1) 結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和其他學(xué)者的研究總結(jié)，求出了4#煤系煤巖體的力學(xué)參數(shù)。

2) 巷道在服務(wù)期間共經(jīng)歷3次擾動(dòng)，分別是巷道掘進(jìn)、上工作面回采和本工作面回采，在本工作面回采時(shí)巷道幫部所受垂直應(yīng)力高達(dá)100 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到4.7.

3) 高應(yīng)力導(dǎo)致煤巖體發(fā)生破壞，巖塊產(chǎn)生大量的裂隙，錨桿彎曲變形，巷道破壞。