等煤柱巷道開(kāi)挖時(shí)間差異性的圍巖破壞數(shù)值分析

李 臣, 陳團(tuán)團(tuán), 王孝臣(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)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(qiáng)度對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的響應(yīng),對(duì)于留巷區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)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(yīng)力絕對(duì)值的基礎(chǔ),尤其采動(dòng)后3 ～5 倍的支承壓力均是在該絕對(duì)應(yīng)力基礎(chǔ)上所增加的。 而巖性是采空區(qū)垮落程度及圍巖抵抗變形破壞的基礎(chǔ),一方面巖性決定了覆巖運(yùn)移規(guī)律,另一方面在采動(dòng)應(yīng)力既定時(shí)巖石強(qiáng)度的大小直接決定了巷道工程變形破壞。

對(duì)于巷道圍巖變形破壞的影響因素,眾多學(xué)者分別針對(duì)巷道埋深、圍巖屬性、采空區(qū)尺寸、開(kāi)采厚度[1-4]進(jìn)行了細(xì)致的研究,獲得了雙巷布置留巷變形破壞機(jī)理及其對(duì)應(yīng)的圍巖控制技術(shù)。 雙巷布置的留巷與側(cè)方采空區(qū)煤柱一般為15 ～35 m,對(duì)于留巷而言礦壓顯現(xiàn)劇烈的原因歸根結(jié)底為留巷在其服務(wù)期間受到重復(fù)采動(dòng)影響,即側(cè)方采動(dòng)影響下圍巖在高偏應(yīng)力場(chǎng)作用下就已導(dǎo)致圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展,二次采動(dòng)影響時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生塑性破壞的巖體再次持續(xù)劣化,導(dǎo)致了留巷失穩(wěn)[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(jìn)一步探討,本文將以西部礦區(qū)雙巷布置工程背景下研究留巷與其位置進(jìn)行掘巷兩種巷道開(kāi)挖方式時(shí)二者在應(yīng)力、塑性區(qū)分布特征的異同,研究等煤柱尺寸巷道開(kāi)挖時(shí)間差異性的圍巖破壞機(jī)理。

2 采空區(qū)處理方式

留巷所處位置一般為采空區(qū)側(cè)方15 ～35 m 內(nèi)的應(yīng)力增高區(qū),而采空區(qū)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(chǎn)生是由覆巖垮落后應(yīng)力在采空區(qū)與實(shí)體煤之間傳遞差異性所致。 因此,對(duì)于FLAC3D大型采動(dòng)數(shù)值模型如若不對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理則忽略了垮落巖層重新壓實(shí)散體的應(yīng)力傳遞作用,勢(shì)必造成采空區(qū)周邊煤體內(nèi)應(yīng)力值遠(yuǎn)大于實(shí)際值[8-9]。

工作面回采后直接頂?shù)目迓渌缮⑾禂?shù)一般為1.2 ～1.5,但隨著開(kāi)采空間變大,基本頂巖體破斷后將對(duì)跨落松散體進(jìn)行重新壓實(shí),從而使采空區(qū)應(yīng)力得到一定的恢復(fù)。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采空區(qū)的應(yīng)力再恢復(fù)過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究[10-11],獲得了采空區(qū)垮落散體受力壓實(shí)過(guò)程的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,具體如式(1)所示

式中,Rc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度,b為碎脹系數(shù),ε為垮落破碎巖體應(yīng)變量。

為避免傳統(tǒng)數(shù)值模擬開(kāi)挖不處理采空區(qū)所導(dǎo)致的采空區(qū)應(yīng)力不恢復(fù)、周邊支承壓力過(guò)高偏離實(shí)際情況的缺點(diǎn),采用Double-yield model 對(duì)采空區(qū)垮落帶進(jìn)行充填處理[12-13],充填巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 采空區(qū)充填巖體力學(xué)參數(shù)

覆巖破碎后堆積散體的塊度影響了采空區(qū)的充實(shí)度。 堅(jiān)硬巖層碎漲系數(shù)小、破碎塊度大、排列整齊而不易充滿(mǎn)采空區(qū),而軟巖頂板碎漲系數(shù)大、破碎塊度小、堆積雜亂無(wú)序而更容易充滿(mǎn)采空區(qū)。 例如,軟弱覆巖“兩帶”高度約為9 ～12 倍采高,而堅(jiān)硬覆巖“兩帶”高度可達(dá)18 ～28 倍采高,垮落帶高度計(jì)算具體見(jiàn)表2。

表2 不同覆巖條件下的垮落帶高度計(jì)算公式

3 數(shù)值模擬模型方案

為充分顯現(xiàn)留巷模式受到側(cè)方采動(dòng)影響時(shí)巷道區(qū)域圍巖應(yīng)力—塑性區(qū)分布及側(cè)方工作面開(kāi)采結(jié)束后掘巷模式下的巷道區(qū)域圍巖應(yīng)力—塑性區(qū)分布的對(duì)比,本文設(shè)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(shù)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(zhǎng)度300 m 的大型FLAC3D數(shù)值模型,數(shù)值模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模型

數(shù)值模擬時(shí)采用莫爾-庫(kù)倫巖石破壞準(zhǔn)則,先進(jìn)行初始應(yīng)力平衡。 留巷模式數(shù)值模擬方案為:先開(kāi)挖巷道,待應(yīng)力平衡后再開(kāi)挖工作面,待應(yīng)力再次平衡后截取采空區(qū)側(cè)方留巷區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)矢量分布云圖和對(duì)應(yīng)的留巷圍巖塑性區(qū)形態(tài)尺寸分布特征圖;掘巷模式先開(kāi)挖側(cè)方工作面,待采動(dòng)應(yīng)力平衡后再開(kāi)挖巷道,待應(yīng)力再次平衡后截取采空區(qū)側(cè)方留巷區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)矢量分布云圖和對(duì)應(yīng)的留巷圍巖塑性區(qū)形態(tài)尺寸分布特征圖。

留巷模式與掘巷模式數(shù)值模擬均在同一大型FLAC3D數(shù)值模型內(nèi)進(jìn)行,二者模擬方案的位移區(qū)別為巷道開(kāi)挖時(shí)間相對(duì)于側(cè)方采空區(qū)形成時(shí)間的先后關(guān)系。

由相關(guān)研究結(jié)果及本文前文所述可知,巖性對(duì)于采動(dòng)巷道圍巖區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)矢量分布規(guī)律及其圍巖塑性破壞形態(tài)、尺寸具有直接相關(guān)關(guān)系。 因此,為使研究結(jié)果更具有對(duì)比性,分別對(duì)軟巖和中硬圍巖兩種巖性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,軟巖巖石力學(xué)參數(shù):抗壓強(qiáng)度Rc=15 MPa、內(nèi)聚力C=2.6 MPa、內(nèi)摩擦角φ=27°,體積模量2.28 ×109、剪切模量1.21 ×109、抗拉強(qiáng)度1.52 ×106。 中硬圍巖巖石力學(xué)參數(shù)為:抗壓強(qiáng)度Rc=40 MPa、內(nèi)聚力C=3.7 MPa、內(nèi)摩擦角φ=32°。 體積模量4.18 ×109、剪切模量2.21 ×109、抗拉強(qiáng)度3.63 ×106。

4 時(shí)間效應(yīng)下的應(yīng)力-塑性區(qū)關(guān)系

4.1 時(shí)間效應(yīng)下區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)矢量分布特征

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

從應(yīng)力分布絕對(duì)值的角度來(lái)講,同種巖性圍巖不同巷道布置模式時(shí),在最終應(yīng)力平衡后區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力值的絕對(duì)數(shù)值差距并很小。 軟巖頂?shù)装鍟r(shí)巷道區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力值為51.11 MPa,而與此對(duì)比的掘巷模式時(shí)的巷道區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)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(yīng)力值降幅僅為2.43%;中硬圍巖頂?shù)装鍟r(shí)巷道區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力值為61.01 MPa,而與此對(duì)比的掘巷模式時(shí)的巷道區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)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(yīng)力值降幅僅為1.42%。 相同巷道布置模式下中硬圍巖應(yīng)力集中明顯更大,中硬圍巖留巷模式和掘巷模式下的應(yīng)力增量分別為9.90 MPa 和10.17 MPa,增長(zhǎng)率分別為19.37%和20.39%,再次印證了圍巖強(qiáng)度對(duì)于采動(dòng)應(yīng)力分布的影響。

綜上分析可見(jiàn):掘進(jìn)與回采相比,工作面采動(dòng)對(duì)圍巖應(yīng)力的重新分布具有絕對(duì)主控作用,掘巷模式雖有利于應(yīng)力降低,但降低幅度在巷道工程尺寸下可以視為基本無(wú)影響。 這主要是由于,巷道開(kāi)挖尺度與工作面開(kāi)挖尺度不在同一數(shù)量級(jí),導(dǎo)致工作面尺度開(kāi)挖的宏觀(guān)應(yīng)力場(chǎng)顯現(xiàn)覆蓋了絕大部分巷道時(shí)間效應(yīng)下的應(yīng)力顯現(xiàn)。 之所以有絕對(duì)應(yīng)力值上的差距是因?yàn)榱粝锬Ｊ綍r(shí)巷道掘進(jìn)先行導(dǎo)致了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)改變,隨后采動(dòng)時(shí)將在此基礎(chǔ)上對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力進(jìn)行決定性的重分布;而掘巷模式是先進(jìn)行開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行決定性應(yīng)力重分布,此時(shí)巷道區(qū)域相當(dāng)于進(jìn)行了與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)同等作用力的高強(qiáng)支護(hù),待穩(wěn)定后再進(jìn)行巷道掘進(jìn),此時(shí)是在大范圍既定的應(yīng)力環(huán)境下細(xì)微改變,由此導(dǎo)致兩種巷道布置區(qū)域圍巖主應(yīng)力的差異。

4.2 時(shí)間效應(yīng)下巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

當(dāng)巷道圍巖所受應(yīng)力大于巖體的極限承載能力時(shí)圍巖產(chǎn)生塑性破壞直至圍巖深部弱三向應(yīng)力作用下圍巖達(dá)到穩(wěn)態(tài),塑性區(qū)形態(tài)尺寸發(fā)育與巷道表觀(guān)的變形破壞具有直接相關(guān)關(guān)系,因此,研究圍巖塑性區(qū)對(duì)于了解巷道變形破壞、動(dòng)態(tài)調(diào)整圍巖穩(wěn)定性控制策略是至關(guān)重要的。 時(shí)間效應(yīng)下留巷與掘巷模式下圍巖塑性區(qū)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(qiáng)度與應(yīng)力密切相關(guān),在采動(dòng)影響下巷道圍巖塑性區(qū)呈現(xiàn)非均勻性,這與巷道區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分布相匹配,且軟巖巷道區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)最大值小于中硬圍巖巷道區(qū)域應(yīng)力場(chǎng),但是軟巖巷道的圍巖塑性區(qū)顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。 從塑性區(qū)形態(tài)尺寸發(fā)育的角度講,留巷模式明顯較掘巷模式大得多,例如:軟巖頂?shù)装鍟r(shí)留巷模式的巷道頂板塑性區(qū)最大尺寸為8 m,煤柱內(nèi)塑性區(qū)與采空區(qū)貫通,整體形態(tài)上的非均勻性非常突出,而與此相對(duì)比的是掘巷模式頂板塑性區(qū)最大尺寸僅為4 m,僅為留巷模式時(shí)的50%,煤柱塑性區(qū)仍有1 ～2 m 未產(chǎn)生塑性區(qū),煤柱內(nèi)存在穩(wěn)定的彈性區(qū),整體上斷面塑性區(qū)面積更是不足留巷模式下的1/3;中硬圍巖時(shí)不同巷道布置模式的塑性雖小得多,但是其基本規(guī)律具有一致性,留巷模式巷道頂板塑性區(qū)最大為5.5 m,幫部塑性區(qū)為4 ～5.5 m,斷面塑性區(qū)面積為66.25 m2,而掘巷模式頂板塑性區(qū)最大尺寸僅為3.5 m,幫部塑性區(qū)為3 ～4 m,斷面塑性區(qū)面積為45.25 m2,塑性區(qū)面積減少了31.7%。

在應(yīng)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(qū)差異如此之大主要原因在于采動(dòng)自由面效應(yīng)。 留巷模式在回采時(shí)巷道要受到側(cè)方工作面采動(dòng)的影響,留巷受到高強(qiáng)應(yīng)力后圍巖變形向無(wú)煤體支撐的留巷自由面發(fā)展而導(dǎo)致巷道變形破壞,直到在巷道圍巖塑性區(qū)發(fā)育至一定程度后趨于自穩(wěn)。 與留巷對(duì)應(yīng)的掘巷模式則是在應(yīng)力環(huán)境已經(jīng)穩(wěn)定后掘出,除巷道掘進(jìn)對(duì)圍巖的擾動(dòng)的強(qiáng)度有限、時(shí)間更短等因素外,更為重要的掘巷相當(dāng)于在側(cè)方工作面回采時(shí)就在巷道位置進(jìn)行了與采動(dòng)應(yīng)力同等強(qiáng)度的圍巖支護(hù)(即巷道位置為實(shí)體煤,可理解為此時(shí)實(shí)體煤的支護(hù)阻力與采動(dòng)應(yīng)力互為相互作用力),因此,塑性區(qū)發(fā)育有限。

綜合上述分析,兩種巷道布置模式巷道圍巖穩(wěn)定后主應(yīng)力均出現(xiàn)偏轉(zhuǎn),對(duì)應(yīng)巷道圍巖塑性區(qū)為非對(duì)稱(chēng)的蝶形,在應(yīng)力基礎(chǔ)既定時(shí)雖然其最大主應(yīng)力場(chǎng)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(guī)律是不變的,而且呈現(xiàn)煤層埋深越大、圍巖強(qiáng)度越低時(shí),兩種巷道布置模式的圍巖塑性區(qū)差異越大,相比而言留巷模式下巷道穩(wěn)定性更加難以維護(hù)。

5 結(jié)論

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

(2)區(qū)域主應(yīng)力最大值與覆巖巖性直接相關(guān)有關(guān),巖石強(qiáng)度越大最大主應(yīng)力差異值越小,區(qū)域主應(yīng)力絕對(duì)值越大,但不同圍巖時(shí)留巷模式和掘巷模式在圍巖穩(wěn)定后的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)差異值都可忽略不計(jì)。

(3)應(yīng)力分布基本一致的前提下,留巷模式與掘巷模式最終的穩(wěn)態(tài)塑性區(qū)差異巨大,主要是掘巷模式相當(dāng)于在留巷模式的基礎(chǔ)上支護(hù)了與采動(dòng)應(yīng)力同等大小的相互作用力形式的支護(hù)阻力,這導(dǎo)致了時(shí)間差異性下的圍巖劣化程度不同。