官地礦18502 工作面切頂卸壓沿空留巷技術(shù)研究與應(yīng)用

任 琦

（山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030053）

0 引言

隨著礦井采掘深度和開采強(qiáng)度的不斷增加，煤炭的開采正逐步由埋藏較淺的煤層向地應(yīng)力集中，賦存較復(fù)雜的煤層推進(jìn)。在進(jìn)行深部煤層開采過(guò)程中，覆巖除了承擔(dān)比淺部煤層更高的自重應(yīng)力外，其初始應(yīng)力也有了較大幅度的增大，復(fù)雜的地應(yīng)力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響十分嚴(yán)重。同時(shí)礦山開采活動(dòng)使得圍巖中應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力重新分布導(dǎo)致在巷道形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中過(guò)大時(shí)巷道發(fā)生失穩(wěn)問(wèn)題，因此對(duì)深部巷道穩(wěn)定性進(jìn)行研究十分重要[1]。本文以官地礦18502 工作面為工程背景，對(duì)深部巷道卸壓爆破技術(shù)進(jìn)行分析，對(duì)爆破作用下的圍巖變形及能量分別進(jìn)行研究，為礦井地質(zhì)條件相類似工作面巷道支護(hù)提供參考與借鑒。

1 礦井概況

官地礦位于西山煤田東南部，井田面積74.59 km2，生產(chǎn)能力為390 萬(wàn)t/a，36408 工作面位于南六采區(qū)皮帶巷東南側(cè)，主采8#煤層，煤厚2.9～3.5 m，平均厚3.2 m，平均傾角為5°。隨著開采活動(dòng)向著深部發(fā)展，此時(shí)地下工程受到的地應(yīng)力不斷提高，與此同時(shí)開挖使得應(yīng)力集中突出，此時(shí)巷道產(chǎn)生變形，一旦變形超過(guò)圍巖支護(hù)承載上限值后，巷道發(fā)生失穩(wěn)破壞。目前來(lái)說(shuō)常見(jiàn)的破壞失穩(wěn)可分為如下五種類型：巷道局部出現(xiàn)落石失穩(wěn)破壞；圍巖受到拉裂折斷破壞；剪切復(fù)合破壞形式；巖爆破壞失穩(wěn)；潮解膨脹破壞。深部巷道爆破卸壓技術(shù)主要是通過(guò)巖層爆破，切斷力的傳遞，從而消除巷道應(yīng)力集中現(xiàn)象，維護(hù)巷道穩(wěn)定性的一種方法。對(duì)深部巷道圍巖爆破卸壓進(jìn)行技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，首先進(jìn)行模型的建立[2]。

2 數(shù)值模型的建立

以官地礦18502 工作面為工程背景，采用ANSYS 有限元軟件對(duì)模型進(jìn)行建立，建立模型的尺寸為長(zhǎng)×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(shè)定為4.2 m×3.5 m。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)充分考慮計(jì)算時(shí)間及計(jì)算精度，在巷道范圍1 m 范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)劃分，在距離巷道較遠(yuǎn)的位置進(jìn)行模型粗劃分，完成模型劃分后共計(jì)434 790 個(gè)單元和456 475 個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)模型進(jìn)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(shè)定為自由邊界。對(duì)模型上端及左右邊界施加初始地應(yīng)力。根據(jù)地質(zhì)情況，模型埋深800 m，施加在巷道垂直及水平方向的應(yīng)力分別為垂直方向22 MPa，水平最大及水平最小主應(yīng)力分別為35 MPa 和20 MPa。模型采用庫(kù)倫摩爾模型為本構(gòu)模型，對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)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(nèi)摩擦角為40°，抗壓和抗拉強(qiáng)度分別為97 MPa 和16.5 MPa，完成模型的建立。

3 模擬分析計(jì)算

對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，得出巷道開挖后巷道圍巖切向應(yīng)力及最大主應(yīng)力的分布云圖，如圖1 所示。

由圖1 可知，在進(jìn)行開挖后此時(shí)的地應(yīng)力重分布，整體在云圖中呈現(xiàn)對(duì)稱分布的特征，對(duì)稱軸為巷道垂直方向的中軸線，同時(shí)在巷道開挖面的附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象[3]。應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在巷道的頂板及底角位置，在巷道頂板垂直應(yīng)力分布云圖中可以看出在巷道的頂板位置應(yīng)力峰值為59.1 MPa，在巷道的底角位置出現(xiàn)應(yīng)力最大值，此時(shí)的應(yīng)力峰值為129 MPa。巷道切向應(yīng)力分布云圖中可以看出在巷道的頂板位置應(yīng)力值為30.1 MPa，在巷道的底角位置出現(xiàn)應(yīng)力最大值，此時(shí)的應(yīng)力峰值為51.6 MPa。根據(jù)深部巷道應(yīng)力云圖可以看出，在巷道的頂板及底角位置應(yīng)當(dāng)進(jìn)行及時(shí)的支護(hù)，避免由于底角及頂板的變形造成巷道失穩(wěn)現(xiàn)象。

對(duì)深部巷道圍巖的巖爆傾向性進(jìn)行研究，根據(jù)試驗(yàn)資料已知圍巖的單軸抗壓和單軸抗拉強(qiáng)度分別為97.53 MPa 和16.46 MPa。模擬巷道周圍彈性應(yīng)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(yīng)變密度分布

由圖2 分析可以看出，巷道周圍彈性應(yīng)變密度分布同樣呈現(xiàn)對(duì)稱趨勢(shì)，對(duì)稱軸仍為巷道的軸向?qū)ΨQ軸，根據(jù)巖爆能量判據(jù)可知，當(dāng)巷道圍巖內(nèi)的彈性能密度超過(guò)1×105J/m3時(shí)，巷道圍巖就有發(fā)生巖爆破壞的傾向。根據(jù)云圖顯示的圍巖彈性應(yīng)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(yīng)變能密度分布大于1×105J/m3，在此位置有巖爆破壞的傾向，所以需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的卸壓，保證巷道穩(wěn)定性[4]。

對(duì)不同爆破卸壓孔深度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響進(jìn)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(yīng)力情況，將模擬結(jié)果匯總?cè)鐖D3所示。

圖3 不同爆破卸壓孔深度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)

由圖3 可以看出，當(dāng)炮孔深度L 為3、4、5 m 時(shí)，此時(shí)的爆破卸壓破碎帶下圍巖最大主應(yīng)力峰值走勢(shì)幾乎相同，而當(dāng)炮孔深度為8 m 時(shí)，此時(shí)的圍巖中的應(yīng)力分布與其余三種炮孔深度下存在一定的差距。對(duì)巷道底腳的最大主應(yīng)力峰值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)炮孔深度為3 m 時(shí)，此時(shí)的最大主應(yīng)力峰值為83.28 MPa，當(dāng)炮孔深度為4 m 時(shí)，此時(shí)的最大主應(yīng)力峰值為87.81 MPa，當(dāng)炮孔深度為5 m 時(shí)，此時(shí)的最大主應(yīng)力峰值為86.03 MPa，而當(dāng)炮孔深度為8 m 時(shí)，此時(shí)的最大主應(yīng)力峰值為和115.28 MPa，巷道頂板處的最大主應(yīng)力峰值分別為27.94、30.52、32.38、50.15 MPa?？梢钥闯觯锏篱_挖面上應(yīng)力峰值隨著炮孔深度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，當(dāng)炮孔深度為3～5 m 時(shí)，卸壓效果差距不是很大，而當(dāng)炮孔深度達(dá)到8 m 時(shí)，卸壓效果有了大幅度增加。

對(duì)不同炮孔深度下的巷道洞壁位移進(jìn)行對(duì)比分析，研究卸壓爆破炮孔深度對(duì)深埋巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。不同炮孔深度下巷道頂?shù)装逦灰魄€，如圖4所示。

圖4 不同炮孔深度下巷道頂?shù)装逦灰魄€

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(xiàn)增加的趨勢(shì)，在巷道垂直方向中軸線的位置出現(xiàn)巷道頂板底板移近量的最大值，當(dāng)爆破孔的深度分別為3、4、5、8 m 時(shí)，頂?shù)装逡平孔畲笾捣謩e為12.5、13.2、14.5、15.9 mm，炮孔深度3～5 m之間時(shí)，頂?shù)装逡平坎罹嗖淮?。綜上所述，隨著炮孔深度的加大，在巷道開挖面上圍巖的應(yīng)力大小逐漸增加，同樣的巷道圍巖的變形位移同樣呈現(xiàn)增長(zhǎng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，穩(wěn)定性下降[5]。

4 結(jié)論

1）在進(jìn)行開挖后此時(shí)的地應(yīng)力重分布，巷道開挖面的附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在巷道的頂板及底角位置。經(jīng)過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，在巷道頂板及底角位置有巖爆破壞的傾向，所以需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的卸壓，保證巷道穩(wěn)定性。

2）對(duì)不同爆破卸壓孔深度對(duì)巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)及頂?shù)装逡平窟M(jìn)行分析，隨著炮孔深度的加大，在巷道開挖面上圍巖的應(yīng)力大小逐漸增加，同樣的巷道圍巖的變形位移同樣呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。