等煤柱巷道開挖時間差異性的圍巖破壞數值分析

李 臣, 陳團團, 王孝臣(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司, 湖北 武漢 430064)

1 前言

巷道圍巖變形破壞是其圍巖強度對區域應力場的響應,對于留巷區域應力場的分布,其主控因素為巷道埋深和圍巖巖性。 這是由于埋深是應力絕對值的基礎,尤其采動后3 ～5 倍的支承壓力均是在該絕對應力基礎上所增加的。 而巖性是采空區垮落程度及圍巖抵抗變形破壞的基礎,一方面巖性決定了覆巖運移規律,另一方面在采動應力既定時巖石強度的大小直接決定了巷道工程變形破壞。

對于巷道圍巖變形破壞的影響因素,眾多學者分別針對巷道埋深、圍巖屬性、采空區尺寸、開采厚度[1-4]進行了細致的研究,獲得了雙巷布置留巷變形破壞機理及其對應的圍巖控制技術。 雙巷布置的留巷與側方采空區煤柱一般為15 ～35 m,對于留巷而言礦壓顯現劇烈的原因歸根結底為留巷在其服務期間受到重復采動影響,即側方采動影響下圍巖在高偏應力場作用下就已導致圍巖塑性區擴展,二次采動影響時已經產生塑性破壞的巖體再次持續劣化,導致了留巷失穩[5-7]。

但相同煤柱尺寸下留巷與掘巷圍巖損傷程度的差異性仍有待遇進一步探討,本文將以西部礦區雙巷布置工程背景下研究留巷與其位置進行掘巷兩種巷道開挖方式時二者在應力、塑性區分布特征的異同,研究等煤柱尺寸巷道開挖時間差異性的圍巖破壞機理。

2 采空區處理方式

留巷所處位置一般為采空區側方15 ～35 m 內的應力增高區,而采空區周邊支承壓力的大小決定了巷道圍巖的破壞程度,而另一方面支承壓力的產生是由覆巖垮落后應力在采空區與實體煤之間傳遞差異性所致。 因此,對于FLAC3D大型采動數值模型如若不對采空區進行處理則忽略了垮落巖層重新壓實散體的應力傳遞作用,勢必造成采空區周邊煤體內應力值遠大于實際值[8-9]。

工作面回采后直接頂的垮落松散系數一般為1.2 ～1.5,但隨著開采空間變大,基本頂巖體破斷后將對跨落松散體進行重新壓實,從而使采空區應力得到一定的恢復。 國內外學者對采空區的應力再恢復過程進行了試驗研究[10-11],獲得了采空區垮落散體受力壓實過程的應力—應變關系,具體如式(1)所示

式中,Rc為巖石單軸抗壓強度,b為碎脹系數,ε為垮落破碎巖體應變量。

為避免傳統數值模擬開挖不處理采空區所導致的采空區應力不恢復、周邊支承壓力過高偏離實際情況的缺點,采用Double-yield model 對采空區垮落帶進行充填處理[12-13],充填巖體力學參數見表1。

表1 采空區充填巖體力學參數

覆巖破碎后堆積散體的塊度影響了采空區的充實度。 堅硬巖層碎漲系數小、破碎塊度大、排列整齊而不易充滿采空區,而軟巖頂板碎漲系數大、破碎塊度小、堆積雜亂無序而更容易充滿采空區。 例如,軟弱覆巖“兩帶”高度約為9 ～12 倍采高,而堅硬覆巖“兩帶”高度可達18 ～28 倍采高,垮落帶高度計算具體見表2。

表2 不同覆巖條件下的垮落帶高度計算公式

3 數值模擬模型方案

為充分顯現留巷模式受到側方采動影響時巷道區域圍巖應力—塑性區分布及側方工作面開采結束后掘巷模式下的巷道區域圍巖應力—塑性區分布的對比,本文設定煤層埋深為700 m,煤層厚度為3 m,巷道尺寸為5.5 m×3.0 m,煤柱尺寸為20 m。 建立數值模擬模型尺寸為800 m×1 000 m×300 m、模型X 方向和Y 邊界分別留有85 m 和100 m 的最小邊界條件、工作面長度300 m 的大型FLAC3D數值模型,數值模型如圖1 所示。

圖1 數值模型

數值模擬時采用莫爾-庫倫巖石破壞準則,先進行初始應力平衡。 留巷模式數值模擬方案為:先開挖巷道,待應力平衡后再開挖工作面,待應力再次平衡后截取采空區側方留巷區域應力場矢量分布云圖和對應的留巷圍巖塑性區形態尺寸分布特征圖;掘巷模式先開挖側方工作面,待采動應力平衡后再開挖巷道,待應力再次平衡后截取采空區側方留巷區域應力場矢量分布云圖和對應的留巷圍巖塑性區形態尺寸分布特征圖。

留巷模式與掘巷模式數值模擬均在同一大型FLAC3D數值模型內進行,二者模擬方案的位移區別為巷道開挖時間相對于側方采空區形成時間的先后關系。

由相關研究結果及本文前文所述可知,巖性對于采動巷道圍巖區域應力場矢量分布規律及其圍巖塑性破壞形態、尺寸具有直接相關關系。 因此,為使研究結果更具有對比性,分別對軟巖和中硬圍巖兩種巖性進行數值計算,軟巖巖石力學參數:抗壓強度Rc=15 MPa、內聚力C=2.6 MPa、內摩擦角φ=27°,體積模量2.28 ×109、剪切模量1.21 ×109、抗拉強度1.52 ×106。 中硬圍巖巖石力學參數為:抗壓強度Rc=40 MPa、內聚力C=3.7 MPa、內摩擦角φ=32°。 體積模量4.18 ×109、剪切模量2.21 ×109、抗拉強度3.63 ×106。

4 時間效應下的應力-塑性區關系

4.1 時間效應下區域應力場矢量分布特征

埋深700 m 的條件下巷道所處位置的絕對應力基礎約為17.5 MPa(按經驗公式埋深乘以覆巖容重,0.025 ×埋深H),在采動影響下圍巖區域最大應力場應力集中系數約為3 ～5。 將兩種巖性、兩種方案數值模擬的圍巖區域最大主應力云圖如圖2 所示。 整體上同類型圍巖在不同模擬方案的區域應力場矢量云圖分布特征整體差異不大,即在采用影響下圍巖應力分布均呈現非均勻狀態,最大主應力的最大值在采空充填區側方偏上位置,最大應力值距離采空充填區均有一定距離,其中軟巖最大主應力的最大值距離采空充填邊界約10 m,中硬圍巖最大主應力的最大值距離采空充填邊界約8 m。

圖2 不同巷道布置模式巷道區域應力場云圖

從應力分布絕對值的角度來講,同種巖性圍巖不同巷道布置模式時,在最終應力平衡后區域應力場的最大主應力值的絕對數值差距并很小。 軟巖頂底板時巷道區域應力場的最大主應力值為51.11 MPa,而與此對比的掘巷模式時的巷道區域應力場的最大主應力值為49.87 MPa,二者差值僅為1.24 MPa,掘巷模式相比留巷模式應力值降幅僅為2.43%;中硬圍巖頂底板時巷道區域應力場的最大主應力值為61.01 MPa,而與此對比的掘巷模式時的巷道區域應力場的最大主應力值為60.14 MPa,二者差值僅為0.87 MPa,掘巷模式相比留巷模式應力值降幅僅為1.42%。 相同巷道布置模式下中硬圍巖應力集中明顯更大,中硬圍巖留巷模式和掘巷模式下的應力增量分別為9.90 MPa 和10.17 MPa,增長率分別為19.37%和20.39%,再次印證了圍巖強度對于采動應力分布的影響。

綜上分析可見:掘進與回采相比,工作面采動對圍巖應力的重新分布具有絕對主控作用,掘巷模式雖有利于應力降低,但降低幅度在巷道工程尺寸下可以視為基本無影響。 這主要是由于,巷道開挖尺度與工作面開挖尺度不在同一數量級,導致工作面尺度開挖的宏觀應力場顯現覆蓋了絕大部分巷道時間效應下的應力顯現。 之所以有絕對應力值上的差距是因為留巷模式時巷道掘進先行導致了區域應力場改變,隨后采動時將在此基礎上對區域應力場應力進行決定性的重分布;而掘巷模式是先進行開采擾動對區域應力場進行決定性應力重分布,此時巷道區域相當于進行了與區域應力場同等作用力的高強支護,待穩定后再進行巷道掘進,此時是在大范圍既定的應力環境下細微改變,由此導致兩種巷道布置區域圍巖主應力的差異。

4.2 時間效應下巷道圍巖塑性區分布特征

當巷道圍巖所受應力大于巖體的極限承載能力時圍巖產生塑性破壞直至圍巖深部弱三向應力作用下圍巖達到穩態,塑性區形態尺寸發育與巷道表觀的變形破壞具有直接相關關系,因此,研究圍巖塑性區對于了解巷道變形破壞、動態調整圍巖穩定性控制策略是至關重要的。 時間效應下留巷與掘巷模式下圍巖塑性區分布特征如圖3 所示。

圖3 不同巷道布置模式巷道破壞情況

由圖3 可知,圍壓強度與應力密切相關,在采動影響下巷道圍巖塑性區呈現非均勻性,這與巷道區域應力場分布相匹配,且軟巖巷道區域應力場最大值小于中硬圍巖巷道區域應力場,但是軟巖巷道的圍巖塑性區顯然遠遠大于后者。 從塑性區形態尺寸發育的角度講,留巷模式明顯較掘巷模式大得多,例如:軟巖頂底板時留巷模式的巷道頂板塑性區最大尺寸為8 m,煤柱內塑性區與采空區貫通,整體形態上的非均勻性非常突出,而與此相對比的是掘巷模式頂板塑性區最大尺寸僅為4 m,僅為留巷模式時的50%,煤柱塑性區仍有1 ～2 m 未產生塑性區,煤柱內存在穩定的彈性區,整體上斷面塑性區面積更是不足留巷模式下的1/3;中硬圍巖時不同巷道布置模式的塑性雖小得多,但是其基本規律具有一致性,留巷模式巷道頂板塑性區最大為5.5 m,幫部塑性區為4 ～5.5 m,斷面塑性區面積為66.25 m2,而掘巷模式頂板塑性區最大尺寸僅為3.5 m,幫部塑性區為3 ～4 m,斷面塑性區面積為45.25 m2,塑性區面積減少了31.7%。

在應力差距不大甚至可忽略的情況下,不同巷道布置模式塑性區差異如此之大主要原因在于采動自由面效應。 留巷模式在回采時巷道要受到側方工作面采動的影響,留巷受到高強應力后圍巖變形向無煤體支撐的留巷自由面發展而導致巷道變形破壞,直到在巷道圍巖塑性區發育至一定程度后趨于自穩。 與留巷對應的掘巷模式則是在應力環境已經穩定后掘出,除巷道掘進對圍巖的擾動的強度有限、時間更短等因素外,更為重要的掘巷相當于在側方工作面回采時就在巷道位置進行了與采動應力同等強度的圍巖支護(即巷道位置為實體煤,可理解為此時實體煤的支護阻力與采動應力互為相互作用力),因此,塑性區發育有限。

綜合上述分析,兩種巷道布置模式巷道圍巖穩定后主應力均出現偏轉,對應巷道圍巖塑性區為非對稱的蝶形,在應力基礎既定時雖然其最大主應力場的矢量分布基本一致,但掘巷模式的圍巖破壞范圍明顯小于留巷模式的基本規律是不變的,而且呈現煤層埋深越大、圍巖強度越低時,兩種巷道布置模式的圍巖塑性區差異越大,相比而言留巷模式下巷道穩定性更加難以維護。

5 結論

(1)巷道變形破壞是圍巖應力集中的外在體現,而覆巖跨落后應力傳遞方式分為采空區垮落體直接傳遞和采空區周邊實體煤應力集中,因此研究巷道變形破壞必須考慮采空區垮落充填效應。

(2)區域主應力最大值與覆巖巖性直接相關有關,巖石強度越大最大主應力差異值越小,區域主應力絕對值越大,但不同圍巖時留巷模式和掘巷模式在圍巖穩定后的區域應力場差異值都可忽略不計。

(3)應力分布基本一致的前提下,留巷模式與掘巷模式最終的穩態塑性區差異巨大,主要是掘巷模式相當于在留巷模式的基礎上支護了與采動應力同等大小的相互作用力形式的支護阻力,這導致了時間差異性下的圍巖劣化程度不同。