超前支承壓力下巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理及模擬研究

摘 要：【目的】研究工作面推進(jìn)超前支承壓力演化規(guī)律及巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)制?！痉椒ā恳阅巢擅汗ぷ髅鏋槔?，采用彈塑性力學(xué)理論分析工作面推進(jìn)過程中超前支承壓力變化特征，探討超前支承壓力作用下的關(guān)鍵層理論，在整個失穩(wěn)過程中起到關(guān)鍵作用，運(yùn)用3DEC模擬研究超前支承壓力影響下巷道圍巖失穩(wěn)破壞特征?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，巷道圍巖呈現(xiàn)非對稱變形，尤其是兩幫的非對稱變形表現(xiàn)最為顯著。隨著采礦工作的進(jìn)行，巷道圍巖受到疊加應(yīng)力的擾動影響，超前支承壓力對巷道頂板和兩幫的影響差異化主要是由于頂板巖層的硬度較高，煤體相對巖層來說較為松軟破碎，以及幫部已經(jīng)提前產(chǎn)生裂隙，能夠釋放掉部分頂板壓力?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果對于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有重要的意義，為預(yù)防和管理失穩(wěn)提供了參考。

關(guān)鍵詞：支承壓力；失穩(wěn)機(jī)理；數(shù)值分析；關(guān)鍵層理論

中圖分類號：TD322" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）13-0046-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.009

Mechanism and Simulation Study of Underground Tunnel Surrounding Rock Instability Under Advanced Support Pressure

DU Jinchao LONG" Shengde ZENG Cheng ZHANG Jiangping

（Guizhou Songhe Coal Industry Development Co.， Ltd.， Liupanshui 553000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the evolution law of advance abutment pressure and the instability mechanism of surrounding rock in the coal face. [Methods] Taking coal mining face as an example， the elastic-plastic mechanics theory was used to analyze the characteristics of the pressure change of the lead support during the advancing process of the coal mining face， and the key layer theory under the action of the lead support pressure was discussed， which played a key role in the whole instability process， and 3DEC simulation is used to study the failure characteristics of roadway surrounding rock under the influence of advance abutment pressure. [Findings] The results show that the surrounding rock of the roadway presents asymmetric deformation， especially the asymmetric deformation of the two sides. With the mining process， the surrounding rock of the roadway is affected by the disturbance of superimposed stress， and the difference of the influence of the lead abutment pressure on the roof and the two sides of the roadway is mainly due to the high hardness of the roof rock as well as the relatively soft and broken coal body compared with the rock bed and the cracks in the side of the roadway have been produced ahead of time， which can release part of the roof pressure. [Conclusions] The results are of great significance to improve the stability and reliability of the system， enhance our understanding of the mechanism of instability failure， and provide important guidance for the prevention and management of instability.

Keywords： support pressure; instability mechanism; numerical analysis; key stratum theory

0 引言

近年來，隨著煤礦開采強(qiáng)度及深度的增加，地下巷道圍巖的穩(wěn)定性問題日益引起人們的關(guān)注［1-3］。在采礦過程中，因超前支承壓力的存在，巷道圍巖容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，給礦山生產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重隱患。因此，深入研究超前支承壓力影響下巷道圍巖失穩(wěn)機(jī)理具有重要意義。

超前支承壓力對圍巖穩(wěn)定性影響顯著，歷來備受專家學(xué)者關(guān)注，根據(jù)羅生虎等［4-6］的研究，在綜合厘定和分析工作面礦壓顯現(xiàn)一般規(guī)律及其成因的基礎(chǔ)上，研究了大傾角煤層開采中頂板采動應(yīng)力傳遞路徑的時空演化特征及傾角效應(yīng)。研究表明，在工作面推進(jìn)過程中，頂板采動應(yīng)力經(jīng)歷了增長期和穩(wěn)定期，支撐壓力峰值的演化特征呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢。

本研究探討了超前支承壓力對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，采用彈塑性力學(xué)理論研究了工作面推進(jìn)過程中超前支承壓力的變化特征，分析了超前支承壓力作用下的關(guān)鍵層理論。運(yùn)用3DEC（三維離散單元法程序）模擬研究了超前支承壓力影響下巷道圍巖失穩(wěn)破壞特征。研究成果為預(yù)防和管理失穩(wěn)提供了重要的指導(dǎo)和參考。

1 支承壓力計(jì)算模型

采空區(qū)支承壓力計(jì)算模型如圖1所示。當(dāng)支承壓力作用于采空區(qū)時，采空區(qū)兩側(cè)或前方的煤體會受到壓力的影響而向采場內(nèi)移動，以減少覆巖的壓力，減輕對下方煤層和采礦設(shè)備的影響。同時，由于煤體的移動和變形，形成了一個應(yīng)力極限平衡區(qū)，使采空區(qū)的應(yīng)力得到一定的均衡和穩(wěn)定，提高了礦井的安全性和采礦效率。圖1中，T為阻力，MPa；T0為煤壁支架阻力，MPa；T1為工作面煤壁垂直方向支撐力，MPa；X為研究點(diǎn)距離工作面煤壁的距離，m；X1為最大支承壓力距離工作面煤壁距離，m；X2為最小支承壓力距離工作面煤壁距離，m。

根據(jù)圖1中的塑性區(qū)，從中選擇了一個單元體如圖2所示。在這個單元體中，水平方向上的力平衡見式（1）。

[Mσx+dσx-Mσx-2σydx=0] （1）

式中：M為煤層厚度，m；σx為煤體水平應(yīng)力，MPa；σy為垂直煤層方向。

假設(shè)塑性區(qū)內(nèi)的煤體屈服滿足摩爾-庫侖準(zhǔn)則，根據(jù)摩爾-庫侖準(zhǔn)則，煤體在塑性區(qū)內(nèi)的屈服行為可以用式（2）表示。

[σy=σc+1+sinφ1-sinφσx]" （2）

式中：σc為煤體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；，φ為煤體內(nèi)摩擦角，°。

將式（2）代入式（1）得到式（3）。

[σy=N0e2fx+sinφM1-sinφ]" （3）

將σy=kH（k為應(yīng)力集中系數(shù)，H為埋深）代入式（3），可得支承壓力峰值位置距煤壁的距離，見式（4）。

[x0=M2f1-sinφ1+sinφInkHN0] （4）

從圖1中的彈性區(qū)內(nèi)取出一個單元體，如圖3所示。根據(jù)受力平衡原理，可以得到式（5）。

[Mσx+dσx-Mσx+2tσydx=0] （5）

在彈性區(qū)內(nèi)，式（6）成立。

[σx=λσy]，[dσx=λdσy] （6）

式中：λ為側(cè)壓系數(shù)。

將式（6）代入式（5），并考慮邊界條件，求解得到式（7）。

[σy=kHe2fλMx-x1] （7）

將σy=γH代入式（7），可得支承壓力峰值位置距煤壁的距離，見式（8）。

[xt=x1+M2fλInk]" （8）

2 巷道圍巖穩(wěn)定性及支承壓力變化特征

2.1 工程背景

該礦區(qū)為構(gòu)造剝蝕山地地貌。該礦采用走向長壁后退式回采方法，采面布置時，基本上是沿煤層走向掘進(jìn)，在局部巷道遇地質(zhì)構(gòu)造時，巷道起伏較大。因此，采面回采過后，易造成超前巷道圍巖冒頂、片幫、底鼓等災(zāi)害。

2.2 數(shù)值分析

本研究采用3DEC對其進(jìn)行數(shù)值模擬，模型尺寸為600 m×160 m×400 m，建立模型如圖4所示。數(shù)值模型采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則計(jì)算，相關(guān)巖層參數(shù)見表1。本研究主要模擬工作面不同推進(jìn)距離下巷道圍巖失穩(wěn)破壞及支承壓力變化特征。

2.3 采動巷道圍巖失穩(wěn)變形特征

工作面不同推進(jìn)距離下最小主應(yīng)力變化特征如圖5所示。由圖5（a）可知，當(dāng)工作面推進(jìn)距離為100 m時，最小主應(yīng)力變化較小，頂板圍巖發(fā)生小面積破壞，裂隙較發(fā)育，主要原因是開采擾動。工作面推進(jìn)200 m時最小主應(yīng)力變化特征如圖5（b）所示。由此可知，工作面前方支承壓力集中嚴(yán)重，且煤巖體較破碎。當(dāng)煤層采出后，工作面后方采空區(qū)頂板覆巖形成懸臂梁，在開采擾動下旋轉(zhuǎn)下沉，旋轉(zhuǎn)角過大易造成沖擊動力災(zāi)害。然而在工作面前方區(qū)域由于支承壓力的影響，加之開采擾動影響，工作面前方形成采動裂隙區(qū)域。當(dāng)支承壓力峰值強(qiáng)度超過煤體自身強(qiáng)度時，煤體將會發(fā)生破壞，甚至產(chǎn)生沖擊動力災(zāi)害。假設(shè)在支承壓力作用下，煤體內(nèi)部積聚了較多的彈性應(yīng)變能，開采擾動下煤巖體產(chǎn)生微裂紋，煤體內(nèi)部的彈性應(yīng)變能一部分轉(zhuǎn)換為裂紋擴(kuò)展所需的能量，另一部分以熱能、聲能的形式耗散。當(dāng)儲存在煤體內(nèi)部的彈性應(yīng)變能大于破碎煤體強(qiáng)度時，即使是輕微擾動，煤體內(nèi)部剩余彈性應(yīng)變能突然猛烈釋放，將會引起沖擊破壞，導(dǎo)致動力災(zāi)害發(fā)生。

采煤工作面不同推進(jìn)距離下主應(yīng)變特征如圖6所示。由圖6可知，工作面前方應(yīng)變較大，且較集中。在工作面推進(jìn)100 m時，超前10～14 m區(qū)域出現(xiàn)了最大主應(yīng)變。這個區(qū)域的巷道圍巖變形相當(dāng)嚴(yán)重，煤體裂隙也比較發(fā)育，同時錨桿和索具可能出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象。但當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至200 m時，超前支承壓力的影響范圍擴(kuò)大了，大約是推進(jìn)100 m時的1.5倍。這說明工作面推進(jìn)的距離對于超前支承壓力的產(chǎn)生具有顯著影響。另外，推進(jìn)距離的增加也能夠改變巷道圍巖的穩(wěn)定性特性。因此，在礦井推進(jìn)過程中，必須密切關(guān)注推進(jìn)距離對超前支承壓力和巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，以確保工作面和相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行。主要原因是，工作面推進(jìn)過程中超前支承壓力的影響使得工作面前方的煤體失去了穩(wěn)定性。當(dāng)煤體受到超前支承壓力的作用時，會承受較大的應(yīng)力和變形，導(dǎo)致其內(nèi)部積聚了彈性應(yīng)變能。如果這個積聚的彈性應(yīng)變能超過了煤體破壞所需的能量，那么煤體可能發(fā)生破壞。

綜上所述，超前支承壓力的作用可能會引發(fā)沖擊動力等災(zāi)害。當(dāng)工作面推進(jìn)距離較大時，超前支承壓力的影響范圍擴(kuò)大，可能導(dǎo)致煤體內(nèi)部應(yīng)力集中和釋放，形成沖擊波。這種沖擊波會產(chǎn)生巨大的沖擊力，對煤體和周圍環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。因此，針對超前支承壓力引發(fā)的失穩(wěn)破壞和可能的沖擊動力災(zāi)害，需要在工作面推進(jìn)過程中采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。這包括合理設(shè)置超前支承系統(tǒng)，控制推進(jìn)距離，加強(qiáng)圍巖支護(hù)和巷道加固等，以確保工作面的安全推進(jìn)和礦井的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 支承壓力理論分析

根據(jù)所選煤礦地質(zhì)背景，結(jié)合數(shù)值模擬，對第二節(jié)中各參數(shù)進(jìn)行賦值，其中：λ=0.5、φ=33°、M=0.7 m、 T1=6.875 MPa、k=2。將上述參數(shù)代入式（1）至式（8）中，得到該礦采空區(qū)動態(tài)支承壓力分布曲線分布函數(shù)見式（9）。

[σ]y=[6.875e0.267x" " " " 32.5e-0.04（x-5.7）16.25" " " " " " " " " " " " " " " " "（0，5.7）（5.7，23.4）（23.4，60）] （9）

經(jīng)過精確計(jì)算得出，礦井采空區(qū)的側(cè)向支承壓力影響范圍在距離煤壁0～23.4 m之間，峰值應(yīng)力大約為32 MPa，而其最大值出現(xiàn)在距離煤壁約5.7 m處。需要注意的是，這個支承壓力的峰值位于煤柱區(qū)域。

3 結(jié)論

①巷道圍巖呈現(xiàn)非對稱變形，尤其是兩幫的非對稱變形表現(xiàn)最為顯著。隨著采礦工作的進(jìn)行，巷道圍巖受到疊加應(yīng)力的擾動影響，進(jìn)入強(qiáng)應(yīng)力作用狀態(tài)。這種應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致了圍巖的劣化加劇，使得整體變形速率進(jìn)一步增大。

②超前支承壓力對巷道頂板和兩幫的影響差異化主要是因?yàn)轫敯鍘r層的硬度較高，煤體相對巖層來說較為松軟破碎，以及幫部已經(jīng)提前產(chǎn)生裂隙，能夠釋放掉部分頂板壓力。

③工作面推進(jìn)距離較大對超前支承壓力影響范圍增加，同時推進(jìn)距離的增加也會影響巷道圍巖的穩(wěn)定性特性。

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