深部巷道頂板爆破切頂卸壓與圍巖控制技術研究

吳寶山

（山西興縣華潤聯盛關家崖煤業有限公司，山西 呂梁 033000）

引言

在開采埋藏較深的煤層過程中，煤層上覆巖層除了承擔比淺部煤層更高的自重應力外，其初始應力也有了較大幅度的增大，復雜的地應力對巷道圍巖穩定性影響十分嚴重。同時礦山開采活動使得圍巖中應力平衡狀態被打破，應力重新分布導致在巷道形成應力集中現象，應力集中過大時巷道發生失穩問題，因此對深部巷道穩定性進行研究十分重要[1]。本文以關家崖礦8101 工作面為工程背景，對深部巷道卸壓爆破技術進行分析，對爆破作用下的圍巖變形及能量分別進行研究，為礦井地質條件相類似工作面巷道支護提供參考與借鑒。

1 礦井概況

關家崖礦位于山西呂梁市興縣白家梁山，井田面積為6.25 km2，批準開采8#、13#煤層，設計生產能力為120 萬t/a，8101 工作面現主要開采8#煤層。隨著開采活動向著深部發展，此時地下工程受到的地應力不斷提高，與此同時開挖使得應力集中突出，此時巷道產生變形，一旦變形超過圍巖支護承載上限值后，巷道發生失穩破壞。目前來說常見的破壞失穩可分為如下五種類型：巷道局部出現落石失穩破壞；圍巖受到拉裂折斷破壞；剪切復合破壞形式；巖爆破壞失穩；潮解膨脹破壞。深部巷道爆破卸壓技術主要是通過巖層爆破，切斷力的傳遞，從而消除巷道應力集中現象，維護巷道穩定性的一種方法。對深部巷道圍巖爆破卸壓進行技術進行數值模擬研究，首先進行模型的建立[2]。

2 數值模型構建

以關家崖礦8101 工作面為工程背景，采用ANSYS 有限元軟件對模型進行建立，建立模型的尺寸為長×寬×高為12.1 m×1.5 m×23.5 m，巷道的斷面形式為馬蹄形，巷道斷面尺寸設定為4.2 m×3.5 m。對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時充分考慮計算時間及計算精度，在巷道范圍1 m 范圍內進行網格的細劃分，在距離巷道較遠的位置進行模型粗劃分，完成模型劃分后共計434 790 個單元和456 475 個節點。對模型進行約束條件劃分，在模型的左右及下端部施加固定約束，限制其X、Y、Z 方向的位置，巷道設定為自由邊界。對模型上端及左右邊界施加初始地應力[3]。根據地質情況，模型埋深800 m，施加在巷道垂直及水平方向的應力分別為垂直方向22 MPa，水平最大及水平最小主應力分別為35 MPa 和20 MPa。模型采用庫倫摩爾模型為本構模型，對模型進行參數設定，圍巖密度為2 635 kg/m3，彈性模量為40.08 GPa，黏聚力為42.87 MPa，泊松比為0.24，內摩擦角為40°，抗壓和抗拉強度分別為97 MPa 和16.5 MPa，完成模型的建立。

3 模擬分析計算

對模型進行計算，得出巷道開挖后巷道圍巖切向應力及最大主應力的分布云圖，如圖1 所示。

圖1 巷道圍巖切向應力及最大主應力的分布云圖

由圖1 可知，在進行開挖后此時的地應力重分布，整體在云圖中呈現對稱分布的特征，對稱軸為巷道垂直方向的中軸線，同時在巷道開挖面的附近出現明顯的應力集中現象。應力集中現象主要出現在巷道的頂板及底角位置，在巷道頂板垂直應力分布云圖中可以看出在巷道的頂板位置應力峰值為59.1 MPa，在巷道的底角位置出現應力最大值，此時的應力峰值為129 MPa。巷道切向應力分布云圖中可以看出在巷道的頂板位置應力值為30.1 MPa，在巷道的底角位置出現應力最大值，此時的應力峰值為51.6 MPa。根據深部巷道應力云圖可以看出，在巷道的頂板及底角位置應當進行及時的支護，避免由于底角及頂板的變形造成巷道失穩現象。

對深部巷道圍巖的巖爆傾向性進行研究，根據試驗資料已知圍巖的單軸抗壓和單軸抗拉強度分別為97.53 MPa 和16.46 MPa。模擬巷道周圍彈性應變密度分布情況，模擬云圖如圖2 所示。

圖2 巷道周圍彈性應變密度分布

由上圖分析可以看出，巷道周圍彈性應變密度分布同樣呈現對稱趨勢，對稱軸仍為巷道的軸向對稱軸，根據巖爆能量判據可知，當巷道圍巖內的彈性能密度超過1×105Jm3時，巷道圍巖就有發生巖爆破壞的傾向。根據云圖顯示的圍巖彈性應變能分布情況可以看出，在巷道的圍巖的頂板和底板附近彈性應變能密度分布大于1×105Jm3，在此位置有巖爆破壞的傾向，所以需要對其進行及時的卸壓，保證巷道穩定性。

對不同爆破卸壓孔深度對巷道圍巖應力狀態的影響進行研究，分別模擬爆破深度為3、4、5、8 m 下的巷道圍巖最大主應力情況，將模擬結果匯總如圖3所示。

圖3 不同爆破卸壓孔深度對巷道圍巖應力狀態

由圖3 可以看出，當炮孔深度L 為3、4、5 m時，此時的爆破卸壓破碎帶下圍巖最大主應力峰值走勢幾乎相同，而當炮孔深度為8 m 時，此時的圍巖中的應力分布與其余三種炮孔深度下存在一定的差距。對巷道底腳的最大主應力峰值進行分析，發現當炮孔深度為3 m 時，此時的最大主應力峰值為83.28 MPa，當炮孔深度為4 m 時，此時的最大主應力峰值為87.81 MPa，當炮孔深度為5 m 時，此時的最大主應力峰值為86.03 MPa，而當炮孔深度為8 m 時，此時的最大主應力峰值為和115.28 MPa，巷道頂板處的最大主應力峰值分別為27.94、30.52、32.38、50.15 MPa?？梢钥闯?，巷道開挖面上應力峰值隨著炮孔深度增長而增長，當炮孔深度為3 m～5 m 時，卸壓效果差距不是很大，而當炮孔深度達到8 m 時，卸壓效果有了大幅度增加。

對不同炮孔深度下的巷道洞壁位移進行對比分析，研究卸壓爆破炮孔深度對深埋巷道圍巖穩定性的影響。不同炮孔深度下巷道頂底板位移曲線，如圖4所示。

圖4 不同炮孔深度下巷道頂底板位移曲線

從圖中可以看出，巷道頂板及底板移近量隨著爆破卸壓孔深的增加呈現增加的趨勢，在巷道垂直方向中軸線的位置出現巷道頂板底板移近量的最大值，當爆破孔的深度分別為3、4、5、8 m 時，頂底板移近量最大值分別為12.5、13.2、14.5、15.9 mm，炮孔深度3 m～5 m 之間時，頂底板移近量差距不大。綜上所述，隨著炮孔深度的加大，在巷道開挖面上圍巖的應力大小逐漸增加，同樣的巷道圍巖的變形位移同樣呈現增長增長趨勢，穩定性下降。

4 結論

1）在進行開挖后此時的地應力重分布，巷道開挖面的附近出現明顯的應力集中現象。應力集中現象主要出現在巷道的頂板及底角位置。經過模擬發現，在巷道頂板及底角位置有巖爆破壞的傾向，所以需要對其進行及時的卸壓，保證巷道穩定性。

2）對不同爆破卸壓孔深度對巷道圍巖應力狀態及頂底板移近量進行分析，隨著炮孔深度的加大，在巷道開挖面上圍巖的應力大小逐漸增加，同樣的巷道圍巖的變形位移同樣呈現增長趨勢。