實體煤巷道靜載型沖擊孕育數值模擬研究

郭紅軍，陳晶晶，陳朋磊，李高鋒，陳紅杰

(1.江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116； 2.河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

根據不完全統計，我國近10年煤巷掘進沖擊事故中，單次事故傷亡人數最多達74人、死亡人數達21人，嚴重威脅礦井從業者生命安全、制約礦井安全高效生產，同時也造成了巨大的經濟損失[1-6]。因此，研究并掌握煤巷掘進沖擊機理、科學預測預防沖擊礦壓至關重要。

劉賽[7]研究發現，促使煤巷掘進過程中發生沖擊事故的主要地質及開采因素(占比)有：煤層沖擊傾向性(25%)、留底煤厚度(24%)、埋深(22%)、煤柱尺寸(14%)、地質構造(13%)和煤厚變化(2%)。實際工程中，往往是某一因素主導、多因素綜合作用引發沖擊事故。國內外學者對誘沖因素進行了大量研究與探索。潘鳳濤[8]結合實際生產條件研究了沖擊危險性演化特性，提出了適宜的解危措施；Zhu Guang′an等[9-10]針對煤層厚度變化分析了巷道圍巖應力及變形破壞演化規律；Manouchehrian等[11-12]研究了斷層或剪切帶附近隧道巖爆發生機理和特征；Feng Fan等[13]以隧道圍巖結構面為切入點探討了硬巖破壞模式，借助數值軟件對巖爆現象進行了模擬研究；Jiang Quan等[14]利用能量指數法研究了隧道巖爆特征，并以深埋隧道為例進行了數值模擬分析。眾所周知，煤巖變形破壞實質上是內部儲能超出了其承載極限，但上述研究基本上都是從變形或受力角度展開研究、進而探討與沖擊之間的關系?；诖耍疚睦肍LAC3D軟件，從能量積聚與釋放角度模擬分析不同地質因素(埋深、側壓系數和煤層厚度)和生產因素(巷道寬高比)條件下實體煤巷道掘進沖擊孕育特征[15]，為現場預沖防沖提供依據。

1 埋深效應

煤層開采應力環境主要由埋深決定，埋深越大，煤層所受應力越高，掘進及回采難度越大。為了進一步掌握埋深對巷道掘進沖擊的影響，不同埋深條件下數值模型假設如下：①掘進擾動范圍內，煤層及其頂底板巖層相同；②巷道沿底掘進，其參數不變且軸向與最大水平主應力方向夾角為0°；③側壓系數和水平主應力之比均為1。

以咸陽礦區某礦為例，建立FLAC3D數值模型，模型尺寸為x×y×z=65 m×1 m×70 m，煤巖層共計11層，單元體最小邊長0.5 m，如圖1所示。巷道為矩形斷面，其尺寸為5 m×4 m，支護情況如圖2所示。

圖1 數值模型

圖2 錨桿索支護斷面

埋深H分別取400、600、800和1 000 m，模型上部邊界(z=70 m)施加均布載荷分別為8.948、13.948、18.948、23.948 MPa。根據尺寸效應，煤巖強度參數隨著試樣尺寸減小而增大。為了減小這一影響，一些學者基于結構面和節理特征提出了煤巖與煤巖體強度之間的轉化關系[16-20]，即：

(1)

(2)

式中，E、μ分別為煤巖試樣彈性模量、泊松比；E′、μ′分別為煤巖體彈性模量、泊松比；S為節理間距；kn為法向剛度。

研究認為，煤巖黏聚力和抗拉強度通常為測試值的10%～25%，內摩擦角近似等于測試值，泊松比為測試值的120%～140%[21]。結合煤巖樣實驗室測定結果，各參數取值見表1。

表1 煤巖參數

模型中，體積模量和剪切模量利用式(3)和式(4)計算得到：

(3)

(4)

式中，E為彈性模量；μ為泊松比。

巷道掘進過程中，圍巖應力不斷調整最后達到平衡。同理，模型開挖時計算各單元體內部儲存變形能均不斷變化，其變形能可表示為：

(5)

式中，σ1、σ2、σ3分別為最大、中間、最小主應力。

當we(i+1)>wei(i為計算步)時，模型單元體儲存能量，反之釋放能量。同時，也意味著單元體發生屈服甚至破壞。

為了獲取開挖失衡至圍巖系統二次平衡過程中圍巖內部能量的變化情況，在巷道幫部0～15 m內布置監測點，間距為0.5 m，即斷面內共計布設30個測點。通過計算，不同埋深條件運輸巷道圍巖內部變形能分布如圖3所示。

圖3 埋深與巷道圍巖變形能演化云圖

由圖3可以看出，巷道圍巖徑向方向由淺至深分別形成了能量釋放區和能量積聚區。埋深較小時，圍巖能量積聚區主要分布在巷道兩幫底角處；隨著埋深增大，圍巖能量積聚區由巷道兩底角向底板匯聚，逐漸在巷道底板下部形成高能連續帶。生產實踐中，巷道底板往往有效支護，因而，深部巷道更易發生底鼓或底板沖擊顯現。

利用數據提取和擬合等方法得到埋深和巷道圍巖內部能量之間的關系，如圖4所示：①巷道圍巖內部變形能峰值位置隨埋深增加向深部轉移，400 m埋深時能量峰值距巷幫3 m，而1 000 m埋深時能量峰值距巷幫4.5 m；②巷道圍巖內部變形能峰值隨埋深增加呈線性增長，且大于5.0×105J能量出現頻次不斷增加，埋深超過800m時增加尤為劇烈，1 000 m埋深時高能頻次(8 574次)幾乎為800 m時(482次)的18倍。

圖4 埋深與巷道圍巖能量關系

由此可知，較大埋深誘發了巷道沖擊，尤其超過800 m埋深時，對其貢獻率增加迅猛。

2 側壓系數效應

為了研究巷道掘進過程中側壓系數對圍巖內部能量分布的影響，模型作如下假設：不同側壓系數條件下，埋深、煤巖層和巷道等參數不變，水平主應力比值為1。生產實踐中，側壓系數λ大部分集中在0.8～1.5[21]，模擬中選取0.5～2.5，以800 m埋深為例進行研究，計算結果如圖5和圖6所示。

圖6 側壓系數與巷道圍巖能量的關系

由圖5和圖6可知，隨著側壓系數增大，巷道圍巖能量積聚區由巷道幫部向頂底板方向轉移，能量峰值迅速增加(λ>1.5時線性增加，圖6(b))且與巷道表面距離呈先減小后穩定趨勢，高能頻次整體呈上升趨勢。當1.0<λ<1.5時，大于5.0×105J能量頻次劇烈增加；當λ=2.0時達到最大，為7 600次；當λ=2.5時，反而出現下降。因此，低于或高于靜水壓力水平時，均不利于巷道圍巖穩定。一般地，側壓系數越大，越易達到巷道沖擊條件，引發沖擊事故。

3 煤層厚度效應

為了研究煤層厚度對掘進巷道圍巖內部能量分布的影響，模型作如下假設：不同煤厚條件下，埋深、煤巖層和巷道等參數不變，側壓系數和水平主應力之比均為1。以800 m埋深為例，模型尺寸同章節1，模擬中煤厚分別取5、10、15、20、30、40 m，計算結果如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知，煤厚超過15 m時巷道圍巖能量演化趨于一致，隨著煤厚增加，能量峰值變化很小。當h=30 m時出現峰值，為6.6×105J，大于5.0×105J高能頻次隨之呈現先升后降；當h<20 m時增速較大，反之增速顯著降低。

圖7 煤厚與巷道圍巖變形能演化云圖

圖8 煤層厚度與巷道圍巖能量的關系

由此可見，煤厚對巷道圍巖內部能量積聚影響較小，但在一定范圍內(<20 m)增加煤厚能縮短巷道沖擊的孕育時間。

4 巷道寬高比效應

為了分析掘進巷道寬高比對圍巖內部能量分布的影響，模型假設[22]：不同巷道寬高比條件下，埋深和煤巖層等參數不變，最大水平主應力方向與巷道軸向夾角為0°，側壓系數和水平主應力之比均為1。根據章節1內容，巷道掘進斷面面積為20 m2，結合實際工程中巷道斷面尺寸情況，選取不同寬高比的巷道、掘進面積相等(S=20 m2)，具體見表2。

表2 巷道尺寸及寬高比

以埋深800 m為例，模型尺寸同章節1，計算結果如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可以看出，巷道寬高比增加使圍巖能量峰值增大且向圍巖淺部轉移，在圍巖淺部形成了較高能量集中，高能頻次隨之持續增加，即巷道寬高比越大，高能震源越多，巷道沖擊概率增大。工程實踐中，往往采取適當增加巷道寬高比的方式，其目的是預留巷道變形空間，如果巷道發生可控變形收斂，該措施既能保證巷道正常使用，而且減少了后期維修工程量。需強調的是，過大的巷道寬高比會使安全生產面臨嚴峻的考驗，尤其是頂板問題，設計和施工過程中一定要謹慎。

圖9 巷道寬高比與圍巖變形能演化云圖

圖10 巷道寬高比與圍巖能量的關系

5 結論

結合實體煤巷道掘進沖擊影響因素，利用數值計算方法對埋深、側壓系數、煤厚、巷道寬高比等進行了模擬研究，得到以下結論。

(1)隨著埋深增加，巷道圍巖積聚能量和高能頻次均呈增大趨勢，易形成高應力高能量作業環境，為巷道掘進沖擊創造了條件，當埋深超過800 m時，對其貢獻率迅速增加。

(2)低于或高于靜水壓力水平時，均不利于巷道圍巖穩定性，隨著側壓系數增大，巷道更容易發生沖擊事故。

(3)煤厚對巷道圍巖能量積聚影響較小，但在20 m范圍內煤厚增加能加快巷道沖擊孕育進程。

(4)隨著巷道寬高比增加，圍巖內高能震源頻次上升，巷道沖擊概率增大，尤其是頂板事故和底板型沖擊。

(5)巷道設計時，應盡可能降低或避免生產因素對巷道掘進沖擊的影響；掘進期間，應結合實際地質條件加強礦壓監測與數據分析，對高能區域及時卸壓，對巷道圍巖弱面或脆弱區域及時補強支護，保證安全生產。