開采擾動下非等強超前支護巷道圍巖響應

牛虎明

(陜西陜煤陜北礦業有限公司， 陜西 榆林 719000)

0 引言

煤礦兩巷超前支護的設計及支護效果對控制巷道圍巖穩定性具有重要意義，工作面開采所帶來的擾動是影響巷道支護安全的因素之一[1-2]，因此研究圍巖在工作面開采擾動下的力學特性，并根據圍巖的應力、應規律改進超前支護的控制方法，是防治煤礦工程災害，實現礦井下安全開采，提高工作面開采速度的必要途徑。

國內外很多專家學者對煤層巷道圍巖支護的穩定性進行了深入的研究，主要包括：何滿潮[3]通過理論研究、室內及現場試驗研究分析深部開采與淺部開采巖體工程力學特性的力學特性，證明各種動力擾動，包括地震、爆破、開采、掘進擾動都對巷道圍巖穩定性產生極大影響。高富強[4]建立深部巷道二維動力模型，利用有限元分析軟件FLac分析強烈擾動下巷道圍巖的應力，位移及塑性場的變化。左宇君[5]通過RFPA軟件模擬動態應力條件下深部巷道圍巖，分析圍巖動態力學響應進行，得到地應力狀態強度與圍巖失穩規律。李夕兵[6]運用顆粒流軟件PFC2D以沙壩礦某高應力巷道為研究對象，進行動力擾動力學分析，探討了高應力巷道在動力擾動下的力學響應規律。溫穎遠[7]通過Flac3D模擬不同硬度煤層巷道在地震波影響下巷道圍巖響應，分析得出軟硬兩種硬度煤層巷道在動力擾動下的穩定性變化規律。胡毅夫[8]以某一大型深部巷道為例，采用Flac3D對動力擾動下巷道圍巖力學響應進行數值分析，探討了巷道失穩與原巖垂直，水平應力以及動態擾動強度大小的關系并對巷道進行支護優化設計。

現有研究中多針對巷道超前支護下的靜力學分析，以及地震波、爆破等應力波對巷道圍巖的穩定性影響，考慮工作面動態載荷對超前支護下巷道圍巖穩定性影響的研究相對較少，本文在上述的研究成果上，通過仿真測得采煤機滾筒的截割載荷，并以此作為擾動，建立了超前支架與圍巖耦合力學模型，分析研究了采煤機滾筒截割擾動對圍巖穩定性的影響，并以此為基礎，提出了超前液壓支架與圍巖間的動態非均布控制策略，研究結果對提高超前巷道的圍巖穩定性具有重要的理論和實際意義。

1 陽煤集團新元煤礦3405工作面概況

1.1 數值模擬的地質背景

3405工作面超前巷道3#煤層總體覆存比較穩定，煤層結構比較簡單，屬于中灰、低硫的優質貧瘦煤。煤層主要以亮煤為主，煤層中一般含1～2層厚度為0.02～0.05 m的泥質夾矸。煤層頂板由于長時間受沉積環境及古河床沖蝕影響,導致煤層變薄現象。煤層傾角一般為2°～8°，平均5°，煤層厚度2.00～3.30 m，平均2.50 m。

3405工作面頂板的直接頂為6.60 m厚的黑色砂質泥巖，老頂為4.5 m厚的中粒砂巖，3#煤層上部存在一層高嶺石為2.47 m厚的泥巖偽頂，直接底為4.0 m厚的黑色砂質泥巖，老底為18.95 m厚的中粒砂巖。

1.2 采煤機滾筒載荷獲取與擾動模型建立

采用EDEM建立滾筒截割煤層的仿真模型如圖1所示，其中煤層厚度為3 m，滾筒直徑為1.8 m，采用正態分布法在隨機生成不同大小的30萬煤巖顆粒。根據3405工作面現實工況，分別設置粗、細骨料方差為0.8、0.15，粗細骨料比為2∶3，通過顆粒工廠將不同尺寸、材料的顆粒進行隨機混合，形成煤與巖石的復合體，根據地質條件對模型進行參數設置，如表1、2所示。

圖1 采煤機動態截割模型

表1 材料參數

表2 材料間相互作用參數

設置采煤機截割轉速ω=30 r/min，截齒數n=40，牽引速度3 m/min，截深800 mm，采煤機擾動頻率f=n·(ω/60)=20 Hz。通過仿真獲取滾筒與煤壁間的三向載荷力，對比文獻[9]中采煤機實驗載荷可知，兩者間相差2%在誤差允許范圍內，說明此仿真得出載荷可用。將滾筒與煤壁間的三向接觸應力波時程曲線數據，采用Matlab中Fourier二階函數對數據進行擬合，得到如圖2所示擬合曲線。

利用Flac3D模擬采煤機對工作面的開采擾動影響，在工作面上施加走向、傾向、法向3個應力波，應力波時程曲線如圖2所示，應力波函數為F(x)=a0+a1cos(t·w)+b1sin(t·w)+a2cos(2tw)+b2sin(2tw)，其中各常數值如表3所示。3405工作面采煤機擾動走向，傾向應力峰值約為0.1 MPa；法向應力峰值為0.35 MPa；擾動頻率近似為20 Hz，動態持續作用時間為50 ms。

圖2 3個方向應力波曲線

表3 函數各常數值

2 數值模擬模型和方案

2.1 模型的建立

數值模擬采用Flac3D 5.0建立三維數值模型，三維模型的外形尺寸為長×寬×高=100 m×100 m×37 m，巷道為矩形，巷道尺寸為長×寬×高=100 m×4.5 m×3 m，采煤工作面尺寸為長×寬=20 m×3 m。模型頂部距地表300 m，模型上下部邊界及內部施加自重漸變應力，下部邊界為固支約束，側面施加梯形壓應力并限定x和y方向位移，取重力加速度10 m/s2，計算采用摩爾庫倫模型。模型各層巖性參數如表4所示。

采用Flac3D數值模擬軟件中的動力分析功能，利用Fish函數進行工作面上三向應力波加載，為了充分檢測巷道圍巖應力和位移響應，設置動態時間為0.2 s，采用靜態邊界設置及瑞利阻尼。

表4 頂底板的物理力學參數

2.2 模擬方案

為了減小開采擾動對煤層巷道圍巖變形的影響，首先用FLac3D仿真軟件進行靜力學分析等強超前支護條件下圍巖的響應，支護強度分別為0 MPa，0.2 MPa，0.4 MPa，0.6 MPa，0.8 MPa。3405工作面設計選擇的超前支架每架長約5 m，相鄰工作面超前支承壓力影響范圍在距離工作面20 m范圍內比較劇烈，為了進一步提高安全生產，類比相鄰工作面支護情況多布置兩組超前液壓支架，3405工作面超前順槽支護范圍設計為距離工作面30 m范圍內，沿工作面走向共布置6組超前支架。模擬步驟為：

1) 在模型邊界上施加靜力載荷，模擬地下300 m處的原巖應力場。

2) 設置檢測巷道圍巖位移及應力響應的觀測點。

3) 開挖巷道及工作面，進行超前支護，計算直至靜力平衡。

由分析結果得出超前支架壓縮量剛度系數，其次模擬無超前支護條件下開采擾動對巷道圍巖影響。

4) 在之前靜力學分析基礎上，設置動態邊界條件，在工作面施加沿x軸、y軸及z軸三個方向的開采擾動應力波，開始動力計算直至平衡結束。

得到頂板的位移時步曲線和時間時步直線，運用Matlab軟件對所得的曲線進行擬合，得到位移時間函數。最后利用求得的剛度系數及位移時間函數模擬分析非等強超前支護(超前支護強度隨頂板位移變化)，開采擾動對巷道圍巖位移及應力的影響。

3 非等強超前支護條件下開采擾動模擬分析

首先通過Origin軟件及函數R=Δl·η擬合求出各組支架剛度系數η。之后模擬施加工作面開采擾動，得到無超前支護條件下的各監測點位移時程曲線，并通過Matlab擬合得到各點位移隨時間變化函數G(x)。在靜力學模型基礎上，巷道頂板施加非等強超前支護，同時對工作面施加開采擾動，利用支護強度函數R=Δl·η，及位移時間變化函數G(x)，得到支護強度隨時間變化函數R=-G(x)·η，第一組到第四組液壓支架的支護強度分別為-0.750G1(x)，-0.776G2(x)，-0.793G3(x)，-0.826G4(x)，進行動力學模擬，計算時間為0.2 s。

3.1 位移分析

開采擾動下，非等強支護條件下頂板位移動態響應結果，如圖3所示。

圖3 非等強支護位移時程曲線

由圖3中4個監測點位移隨時間變化曲線分析可以得出，非等強超前支護條件下，距離工作面越近，頂板位移波動上下峰值相差越大，5 m處頂板位移上下波動尤為明顯，可以通過位移圖像對支架的控制方式進行進一步調整；非等強超前支護將頂板位移波動控制在0.8 mm及更小的范圍內，減小了頂板位移的波動幅度，減小頂板因多次大幅波動而失穩的風險。

3.2 應力分析

圖4為非等強支護條件下各頂板監測點垂直應力隨時間變化規律，從中可以看出，非等強支護下，各點起始應力在-0.1～0 MPa之間，使頂板圍巖內應力值小，有利于頂板穩定。從圖4中還可以看出，距離工作面越近，頂板內部應力受開采擾動影響越大，0～5 m內頂板垂直應力波動明顯，10～20 m內頂板垂直應力變化基本一致，只需對靠近采空區的第一組支架的控制方式進行調整，即可削弱開采擾動對圍巖穩定性的影響。

圖4 頂板垂直應力時程曲線

4 實驗驗證

依據相似模擬理論，利用“遼寧省教育廳礦山沉陷災害防治重點實驗室”三維相似模擬實驗臺，按照1:40幾何相似常數建立模擬陽煤集團新元煤礦3405工作面相似實驗模型，如圖5所示，按照煤層分布情況澆筑2.0 m×1.0 m×1.0 m相似材料模型。由于實驗臺尺寸的局限性以及3405工作面巷道的實際布置，取工作面15 m(模型375 mm)長度為研究對象，在模型中開挖工作面回風巷道和工作面進風巷道，3405工作面回風巷道中總計布置6組超前液壓支架，布置方式與位置均和仿真相同以保證相似實驗的準確性，對相似實驗模型進行非等強超前支護方式模擬實驗。

圖5 相似材料實驗模型

通過圖6與圖7可以看出實驗得到的頂板位移和應力時間曲線結果與動態模擬分析結果相近，進一步驗證了Flac3D模擬所得各項數據及結論的準確性及合理性。

圖6 實驗與模擬位移曲線對比

圖7 實驗與模擬應力曲線對比

5 結論

1) 非等強超前支護將頂板位移波動控制在0.8 mm及更小的范圍內，減小了頂板位移的波動幅度，減小頂板因多次大幅波動而失穩的風險。非等強支護下，各點起始應力為-0.1～0 MPa之間，頂板圍巖內應力值小，有利于頂板穩定。

2) 距離工作面越近，頂板內部應力受開采擾動影響越大，0～5 m內頂板垂直應力波動明顯，10～20 m內頂板垂直應力變化基本一致，只需對靠近采空區的第一組支架的控制方式進行調整，即可削弱開采擾動對圍巖穩定性的影響。