基于離散元的動載沖擊地壓巷道圍巖穩定性分析

吳宏斌，劉 陽，王桂峰，劉心強，袁開源，李 庚

(1.華亭煤業集團有限責任公司陳家溝煤礦，甘肅 平涼 744100；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；4.徐州大月爾科技有限公司，江蘇 徐州 221116)

沖擊地壓具有突然、急劇、猛烈等特點，是煤礦破壞性最為嚴重的動力災害之一，易造成重大人員傷亡和采掘空間嚴重破壞[1]。我國每年都有巷道因動力破壞而造成人員傷亡的事故發生，嚴重制約著煤炭資源的安全高效開采。一次沖擊能導致數十米到數百米范圍的采掘空間突然破壞，造成人員傷亡和設備損壞。、近年來陸續發生的山東龍鄆(2018年10月20日，死亡21人)、河北唐山(2019年8月2日、死亡7人)，山東龍堌(2020年2月22日，死亡4人)等數起嚴重沖擊地壓災害，造成了嚴重的人員傷亡和重大的經濟損失。

沖擊地壓多發生在巷道內，在沖擊瞬間的災變過程中，巷道圍巖整體結構失穩破壞，并釋放巖體積蓄的大量能量，巷道圍巖快速擠向自由空間，是一種高能量、強沖擊、短歷時的突變性破壞。沖擊產生的直接原因是巷道周邊煤巖體中有能量積聚，采礦工程中的動載干擾可以誘發煤巖體中能量的突然釋放。目前，采動動載誘發沖擊地壓現象正在逐漸被學者承認和接受，動載誘發沖擊地壓的機理和支護問題研究也在不斷深入。

UDEC軟件是巖土工程中常用模擬軟件，能夠有效地模擬出巖土工程中巖石靜態或動態載荷下破壞的整個過程，利用UDEC軟件的優勢能夠更好地模擬動載作用下巷道圍巖的響應特征。對于采用離散元程序進行巷道圍巖穩定性的研究，KANG等[2]采用UDEC軟件分析了不同錨桿支護參數條件下的巷道圍巖裂隙演化規律；方剛等[3]采用離散元程序UDEC軟件中隨機分布三角形單元塊體集合模型研究巷道開挖失穩；馬振乾等[4]采用離散元程序UDEC軟件研究不同頂板軟弱巖層厚度下巷道圍巖能量演化規律，并提出基于能量平衡的巷道支護技術原理；張軍等[5]結合峰前耗散能和峰后斷裂能建立的脆性評價指數，能同時反映巖石脆性破壞的難易程度和脆性的強弱，可評價不同力學條件下的脆性變化特征；熊藤根等[6]采用有限元數值模擬FLAC3D軟件對不同強度疊加動載作用下，巷道圍巖應力、位移及塑性區分布規律進行了研究；陳治宇[7]采用離散元程序PFC動載作用下錨固體應力波傳遞規律及其力學響應特性進行了研究；劉學生[8]采用有限元數值模擬FLAC3D軟件對動載作用下巷道圍巖能置演化及沖擊地壓機理研究進行了研究。目前國內外對沖擊地壓防治方法的機理研究仍滯后于沖擊地壓防治的實踐，因此對沖擊地壓等動力災害機理及防治方法的研究仍是沖擊地壓動力災害研究的長期目標[9]。

本文以陳家溝煤礦8514工作面為研究背景，借助離散元程序UDEC軟件揭示動載作用下巷道圍巖的響應特征，分析了不同距離動載對巷道穩定性的影響，研究成果可進一步揭示動載作用下巷道沖擊破壞的機制，對開發相關防沖支護技術及指導現場安全生產具有重要的現實意義。

1 工程概況

8514工作面開采煤層為5#煤層(圖1)，煤層厚度在24.6～35.8 m之間，平均厚度為27.8 m，煤層傾角在6°～14°之間，兩順槽均布置在5#煤層中下部，均按同一方位不同坡度送巷，運輸順槽全長2 327.7 m，開口底板標高為+939.24 m，頂煤厚度為8.2～19.2 m；回風順槽全長2 281.1 m，開口底板標高為+941.15 m，頂煤厚度為9.45～16.20 m；工作面在可采范圍內均為回風側高于運輸側，工作面傾角在3.0°～16.5°之間，工作面設計平均長度為116.7 m。8514工作面開切眼與原8513工作面開切眼內錯7 m，埋深為500～600 m，工作面開切眼與停采線之間的距離為2 143 m。

圖1 8514工作面位置平面圖Fig.1 Gateway layout of 8514 working face

8514工作面東部為8513綜放工作面，區段之間保護煤柱寬度為6 m，8513綜放工作面截至2020年4月底已回采1 952 m，剩余回采長度為235 m，由于地面村莊尚未搬遷，目前封閉管理。8514綜放工作面南部為+930 m水平軌道大巷、+930 m水平膠帶輸送機大巷、+930 m水平回風大巷。8514工作面西部為八采區邊界，與九采區相鄰，保護煤柱寬度10 m。8514綜放工作面北部為采區邊界，與十采區相鄰，保護煤柱寬度為10 m。8514工作面煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況Table 1 Roof and floor condition of coal seam

2 數值計算模型的建立

2.1 模型建立

本文以陳家溝煤礦8514工作面為工程背景，通過現場觀測、巖石樣本取樣獲取巖石力學參數，并建立數值計算仿真模型。8514工作面運輸順槽設計斷面為直墻圓弧拱形巷道，斷面特征為凈寬度5.2 m，凈高度3.6 m，拱高度0.9 m，采用錨網索聯合支護。

模型尺寸為長60 m，寬48 m(圖2)，巷道斷面為半圓拱形，在5#煤層中進行開挖，其斷面參數為5.4 m×3.2 m。模型由泥質粉砂巖、粉砂巖、泥巖、5#煤層構成。靜力計算模型左邊界、右邊界固定水平位移，底部邊界固定垂直位移，按照地應力測試結果，頂部自由邊界施加垂直應力均布載荷13.4 MPa，側壓系數x方向取1.20，z方向取1.74。為了更好地表現動載作用下巷道圍巖變形特征，在5#煤層部分區域使用Voronoi多邊形節理生成器，其他各個巖層則使用JSET統計節理生成器，節理模型如圖3所示。

圖2 UDEC模型Fig.2 UDEC model

2.2 模型參數選擇

根據巖石力學試驗結果，當載荷達到強度極限后，巖體產生破壞，在峰后塑性流動過程中，巖體殘余強度隨著變形發展逐漸減小[5]。因此，屈服準則采用Mohr-Coulomb強度準則判斷巖體的破壞，計算公式見式(1)。

(1)

式中：σ1，σ3分別為最大主應力和最小主應力，Pa；c為內聚力，Pa；φ為內摩擦角，(°)。當fs>0時，巖體將發生剪切破壞。

根據現場地質調查和相關研究提供的煤巖體物理力學試驗結果，模擬計算采用的煤巖體物理力學參數見表2。

表2 UDEC數值模型巖層物理力學參數Table 2 Mechanical parameters of strata of UDEC model

2.3 動力荷載及邊界條件確定

在動力分析時，由于計算模型采用有限體積來代替無限大的實際模型，在模型邊界可能造成輸入應力波的反射，影響計算結果的準確性。因此，模型采用黏彈性不反射邊界，是一種人工邊界，通過在邊界上施加的切向阻尼和法向阻尼實現[10]。黏彈性人工邊界具有精確度高、適應性好的優點，能夠較為真實地呈現結構與周圍介質之間的相互作用，在動力學相關的科學試驗研究中得到了廣泛的應用[11]。

震動在巖土體傳播的過程能量會被消耗，如不考慮這部分的影響，則不能真實地模擬動對硐室結構的影響。 瑞利(Rayleigh)阻尼具有計算簡單、適用性強等特點，一般常用于結構動力學研究分析，是常用的阻尼方式之一[12]。 模擬使用的離散元數值模擬軟件UDEC以拉格朗日算法為基礎，可以模擬塊體之間的實際變形和位移。 UDEC軟件包含強大的編程語言Fish函數，利用Fish函數，在進行模擬中可以對模型施加預期形式的應力波和控制應力波施加時間。

圖4為計算模型邊界條件示意圖。模型四周均設為黏性不反射邊界，計算中選取局部阻尼[13]。在巷道正上方的頂板煤層中施加動力擾動，用于模擬上方煤層開采時產生的應力波，動載作用時間取為0.02 s，輸入的應力波采用余弦波[14]。

圖4 數值模型動力計算邊界Fig.4 Numerical model dynamic calculation boundary

3 模擬結果分析

數值計算模型在劃分網格時對巷道周圍20 m區域進行加密處理，可以使模擬結果更加精準，隨后將模型在自重應力作用下計算至平衡，完成常規靜力分析后，再對模型施加相關動載條件進行動力分析，靜載模型運算平衡后，在距巷道頂部分別約10 m、20 m和30 m處10 m范圍內分別施加振幅為5×104Pa的余弦波波形的動載，施加動載0.5 s后巷道周圍應力分布情況如圖5所示，動載施加后巷道四周中點的震動速度如圖6所示。

圖5 不同距離動載作用下巷道圍巖的垂直應力演化規律Fig.5 Vertical-stress evolution law of surrounding rock under different distance dynamic load

圖6 不同距離動載作用下巷道震動速度演化規律Fig.6 Roadway vibration velocity evolution law underdifferent distance dynamic load

由圖5可知，不同距離動載作用下巷道圍巖的垂直應力演化規律。當動載距離巷道頂部為10 m時，巷道底板嚴重破壞，巷道頂板輕微破壞，巷道兩幫基本無破壞，垂直應力在巷道兩底角出現應力集中的情況，應力集中的范圍較大；當動載距離巷道頂部為20 m時，巷道底板嚴重破壞，巷道頂板輕微破壞，巷道兩幫基本無破壞，垂直應力在巷道兩底角出現應力集中的情況，應力集中的范圍較動載距離巷道頂部為10 m時有所減小；當動載距離巷道頂部為30 m時，巷道底板破壞情況較動載距離巷道頂部為10 m和20 m時明顯改善，巷道頂板輕微破壞，巷道兩幫基本無破壞，垂直應力在巷道兩幫出現應力集中的情況，應力集中的范圍較動載距離巷道頂部為10 m和20 m時有所增大，但應力集中強度明顯減小。

由圖6可知，不同距離動載作用下巷道圍巖破壞范圍及應力集中程度有明顯變化，底板變形破壞范圍會因動載與巷道頂部距離減小而增加，兩者呈負相關關系。

對比圖6可得出不同距離動載作用下巷道震動速度演化規律。巷道震動速度類似于正弦波的形式逐漸衰減并且存在峰值。動載距巷道頂部分別為10 m和20 m時，底板震動速度在動載作用下波動較大，出現突升，表征動力破壞，而頂板及兩幫震動速度由于支護的存在，在動載作用下波動較小。動載距巷道頂部為30 m時，底板、頂板和兩幫的震動速度波動峰值大小相近。

動載施加位置距離巷道頂板10 m和20 m時，巷道底板均發生了破壞。距離巷道頂板10 m時，自動載施加至巷道底板有明顯變形破壞，約0.05 s；距離巷道頂板20 m時，自動載施加至巷道底板有明顯變形破壞，大約0.25 s。動載施加后在巷道傳播的過程中，受應力波影響區域的質點在應力波經過時因受外力擾動會發生震動，同時周圍的應力環境也發生改變，應力波經過后，該區域的質點在一段時間內仍然會進行震動，隨后才會逐漸降低，同時也反映出該區域應力會存在一段較為強烈調整的時間[15]。

由于巷道在動載作用下的破壞是突然發生的，運用離散元數值模擬軟件UDEC進行模擬，巷道破壞時發生破壞的煤巖體之間的節理可以打開，煤巖體可以脫落并且彈射到巷道中，隨之而來的是測點的質點震動速度會發生突然的升高并且會持續一段時間，此時一般代表著測點處的煤巖體在動載作用下已經脫離整體結構，也就是在動載作用下發生了沖擊破壞。距離巷道頂板30 m時，自動載施加后底板一直保持完整狀態，測點的震動速度就呈現出動載來到巷道附近時已經達到最大值，隨后震動速度逐漸降低的形態。

4 結 論

本文利用離散單元法程序軟件UDEC對動載作用下巷道圍巖的響應特征展開系統研究，得到結論如下所述。

1) 隨著施加動載距離的減小，在同樣強度的動載應力波下，圍巖裂隙擴展貫通更加充分，當達到一定程度后，引發巷道沖擊動力災害。因此，沖擊地壓的發生與動載荷的距離密切相關，這也是礦井在相同能量、不同距離礦震動載作用下顯現情況不同的重要原因。

2) 動載距離巷道頂部分別為10 m、20 m時，底板震動速度在動載作用下出現突升，巷道發現動力破壞。 動載距巷道頂部為30 m時，巷道震動速度類似于正弦波的形式逐漸衰減并存在峰值。巷道底板破壞情況較動載距離巷道頂部為10 m和20 m時明顯改善，巷道頂板輕微破壞，巷道兩幫基本無破壞。

3) 距離巷道頂板20 m時，動載施加至巷道底板有明顯變形破壞需約0.25 s。表明應力波經過巷道后，該區域的質點在一段時間內仍然會進行震動，隨后才會逐漸降低，同時也反映出該區域在沖擊破壞前應力會存在一段較為強烈調整的時間。