徐華君，陳建君，余伊河，馬　鵬，何　江，2

（1．中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇　徐州　221008；2．中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇　徐州　221008）

動載傳播規(guī)律及對巷道影響的模擬研究

徐華君1，陳建君1，余伊河1，馬鵬1，何江1，2

（1．中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221008；2．中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇徐州221008）

摘要煤礦動載擾動易誘發(fā)巷道沖擊破壞，為研究動載對煤層巷道沖擊礦壓的影響，運用FLAC2D中的動態(tài)模塊，研究分析了不同動載強度下震動波在巷道頂板傳播的速度、位移變化規(guī)律及震動波引發(fā)的巷道頂、底板和左、右?guī)鸵苿铀俣群臀灰频淖兓?guī)律，并對規(guī)律進行分析和解釋，為預(yù)防沖擊礦壓提出了技術(shù)措施。研究表明：震動波在巷道頂板中傳播時，隨著傳播距離增大，震動引起的頂板巖層質(zhì)點速度和位移呈遞減趨勢，但在接近巷道時會有一定程度增大；傳播距離相同時，動載強度越大，震動引起的頂板巖層質(zhì)點速度和位移越大；動力擾動發(fā)生在巷道上方一側(cè)，巷道頂板和靠近動力擾動一側(cè)的巷幫比巷道底板和另一側(cè)的巷幫更易發(fā)生沖擊破壞。

關(guān)鍵詞動載；沖擊礦壓；巷道；動載強度；傳播距離

爆破、巖層斷裂引發(fā)的動力擾動是煤礦開采過程中的常見礦震現(xiàn)象，會導(dǎo)致巷道和圍巖失穩(wěn)，嚴重情況下可誘發(fā)沖擊礦壓等動力災(zāi)害［1－3］。

經(jīng)相關(guān)研究表明，沖擊礦壓常發(fā)生在動力擾動階段。根據(jù)統(tǒng)計資料［4－5］，煤礦開采過程中，約有72．6%的沖擊礦壓發(fā)生在巷道。研究煤礦動載對巷道的作用規(guī)律，對于防治動載誘發(fā)的沖擊礦壓災(zāi)害具有重要意義。

本文針對動載傳播規(guī)律對巷道的影響進行數(shù)值模擬，探討分析了不同動載強度下震動波在頂板中的傳播規(guī)律以及對于巷道頂、底板和左、右兩幫的移動速度和位移的影響，為預(yù)防動力擾動誘發(fā)巷道沖擊礦壓提供了依據(jù)。

1　數(shù)值計算模型

根據(jù)某煤礦現(xiàn)場的實際地質(zhì)條件，利用巖土工程通用模擬軟件FLAC2D建立模型，采用軟件中的Dynamic模塊模擬動力擾動過程。模型分成3層，分別為頂板、煤層和底板。模型的尺寸為150 m×125 m，巷道尺寸為5 m×4 m，頂板厚60 m，底板厚60 m，煤層厚5 m，模型結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖見圖1，其中模型的物理力學(xué)特性參數(shù)見表1。

圖1　模型結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖

采用摩爾—庫侖準則，模型兩側(cè)邊界設(shè)為水平簡支約束，下部邊界為固支約束，上部邊界根據(jù)埋深施加均布載荷，模擬埋深800 m，模型上邊界均布載荷12．5 MPa。在動力分析中，根據(jù)煤礦動載特征設(shè)置一脈沖荷載，分析震動波的傳播規(guī)律及其對巷道破壞的影響，震動波以半正弦波加載在巷道一側(cè)的上部邊界，具體見圖2。

圖2　數(shù)值計算模型圖

圖2中，1～10號點是選取的震動波傳播到巷道路徑上的10個記錄點，相鄰2個記錄點的距離為7 m，A、C分別是巷道左右兩幫的記錄點，B、D分別是巷道頂、底板的記錄點。

2　數(shù)值計算方案

模型上部邊界加載垂直應(yīng)力12．5 MPa，震動波頻率10 Hz，改變動載強度，動載強度［6］為50 MPa、100 MPa、150 MPa、200 MPa，記錄在這4種情況下1～10號點以及巷道左、右兩幫A、C和頂、底板B、D位移和移動速度的變化。

3　模擬結(jié)果及分析

模型中不同動載強度下，加載過程中1～10號記錄點的Xvel、Yvel、Xdisp、Ydisp最大值與傳播距離之間的關(guān)系見圖3～圖6。

圖3　不同動載強度下Xvel的傳播變化

圖4　不同動載強度下Yvel的傳播變化

圖5　不同動載強度下Xdisp的傳播變化

圖6　不同動載強度下Ydisp的傳播變化

由圖3～圖6可知：

1）頂板條件和震動波頻率相同，在相同傳播距離的條件下，動載強度越大，震動波所引起頂板巖層質(zhì)點的速度和位移越大。

2）震動波在向巷道傳播過程中，巖層質(zhì)點的速度和位移隨著傳播距離的增大逐漸減小，但是隨著震動波傳播靠近巷道一定區(qū)域時，速度和位移發(fā)生一定程度的增大。

模型中不同動載強度下巷道左右兩幫A、C和頂?shù)装錌、D位移和移動速度的變化見圖7，圖8。

由圖7，8可知：

1）在動載強度、頻率和頂板條件相同的情況下，巷道頂板和靠近震動波一側(cè)的右?guī)偷囊苿铀俣群臀灰剖冀K分別比底板和左幫大，表明巷道頂板和右?guī)捅鹊装搴妥髱透装l(fā)生沖擊礦壓。

圖7　不同動載強度下巷幫速度的變化圖

圖8　不同動載強度下巷幫位移的變化圖

2）A、B、C、D的移動速度和位移，隨著震動波強度的增大而增大，B、C增長的幅度分別大于D、A，即巷道頂板和右?guī)碗S著動載強度變化增長的幅度要分別大于巷道底板和左幫。表明巷道頂板和右?guī)蛯φ饎訌姸鹊脑黾痈用舾校瑒虞d強度的變化是發(fā)生沖擊礦壓的關(guān)鍵因素。

4　減弱動載對巷道作用的探討

根據(jù)模擬結(jié)果，動載強度是引發(fā)沖擊礦壓的關(guān)鍵因素，動載強度越大，震動波引起的巷道復(fù)形速度和位移越大。在生產(chǎn)過程中，可以通過采取“小進尺，弱爆破”［7］的方法降低震動波強度，同時對于堅硬頂板要提前進行高壓注水弱化處理，減小由于堅硬頂板變形、斷裂釋放的能量。

在傳播過程中，震動波引起的頂板移動速度和位移隨傳播距離增大而遞減，在靠近巷道時，移動速度和位移有所增大。因為巷道開挖使巷道兩側(cè)形成類似于“雙耳”狀的對稱高應(yīng)力區(qū)，當震動波傳播到高應(yīng)力區(qū)時，震動波所引起的圍巖應(yīng)力與沖擊發(fā)生前圍巖應(yīng)力相互疊加而使巖體應(yīng)力升高，如果此應(yīng)力大于巷道圍巖的極限承載強度，巖體平衡狀態(tài)就會被打破，造成沖擊礦壓事故。在生產(chǎn)過程中，可以通過沿巷幫施加大孔徑卸壓鉆孔或爆破卸壓鉆孔來破碎煤巖，使煤層卸壓，釋放能量，高應(yīng)力區(qū)向深部煤體轉(zhuǎn)移，可以消除沖擊危險。

當巷道受到來自上方靠近右?guī)偷膭恿_動時，巷道頂、底板和左、右?guī)偷膭恿憫?yīng)是不同的，頂板和右?guī)偷奈灰啤⒁苿铀俣确謩e明顯大于底板和左幫，且隨著動載強度的增大，頂板和右?guī)驮黾拥姆纫h大于底板和左幫。因為震動波是一種彈性波，當來自上方靠近右?guī)偷恼饎硬▊鞑サ较锏罆r，頂板和右?guī)蛡?cè)的震動波在空氣和圍巖的分界面發(fā)生反射與原有圍巖應(yīng)力相互疊加造成應(yīng)力升高，而底板和左幫側(cè)的震動波則有很大一部分被提前反射造成只有小部分震動波傳播到巷幫或底板，所以相對于巷道底板和左幫，頂板和右?guī)透追e聚大量能量，沖擊危險性更大。在生產(chǎn)實踐中，應(yīng)該加強對巷道頂板和靠近震動波一側(cè)的巷幫的沖擊危險性監(jiān)測和防突解危工程的施工。如果條件允許，可以考慮在震動波向巷道傳播路徑上開挖1條保護巷道，阻隔部分震動波，降低巷幫應(yīng)力，減小沖擊危險性。

5　結(jié)束語

本文探討了不同動載強度下動載在煤層巷道頂板中的傳播規(guī)律，分析了動載對于巷道頂、底板和左、右兩幫移動速度和位移的影響，研究得出以下結(jié)論：

1）動載所引起頂板巖層質(zhì)點的速度和位移隨傳播距離增大而衰減，但在靠近巷道時，速度和位移有所增大。

2）在相同傳播距離的條件下，動載強度越大，動力擾動所引起頂板巖層質(zhì)點的速度、位移越大。

3）巷道空間對于震動波的傳播具有“阻礙”作用，當動力擾動從巷道上方傳來時，巷道頂板和靠近動力擾動一側(cè)的巷幫比底板和遠離動力擾動的巷幫更易發(fā)生沖擊礦壓。

參考文獻

［1］鄒德蘊，姜福興．煤巖體中儲存能量與沖擊地壓孕育機理及預(yù)測方法的研究［J］．煤炭學(xué)報，2004，29（4）：159－163．

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［3］謝龍，竇林名，呂長國，等．不同側(cè)壓系數(shù)對動載誘發(fā)巷道底板沖擊的影響［J］．采礦與安全工程學(xué)報，2013，30（2）：251－255．

［4］竇林名，何學(xué)秋．沖擊礦壓防治理論與技術(shù)［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001：36－39．

［5］大屯煤電有限責任公司，中國礦業(yè)大學(xué)．大屯礦區(qū)沖擊礦壓防治研究報告［R］．徐州：大屯煤電有限責任公司，中國礦業(yè)大學(xué)，2000：7－8．

［6］盧愛紅，郁時煉，秦昊，等．應(yīng)力波作用下巷道圍巖層裂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究［J］．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，37（6）：769－779．

［7］陳國祥，竇林名．動力擾動對回采巷道沖擊危險的數(shù)值模擬［J］．采礦與安全工程學(xué)報，2009，26（2）：154－157．

中圖分類號：TD32

文獻標識碼：A

文章編號：1672－0652（2014）01－0029－03

收稿日期：2013－11－25

作者簡介：徐華君（1990—），男，江蘇東臺人，2013年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事巷道支護、沖擊礦壓等方面的研究（E－mail）xuhuajun1990＠126．com

Research on the Simulation of Dynamic Transmitting Law and Affecting to Roadway

Xu Hua－jun，Chen Jian－jun，Yu Yi－h(huán)e，Ma Peng，He Jiang

AbstractDynamic disturbances can lead to rock burst in coal mining．In order to study the influence of dynamic on rock burst risk in roadway，discussed the variation law of velocity and displacement on the roadway roof and floor and the roadway’s sides caused by vibration wave under different dynamic strength using the dynamic module of FLAC2D program，analyzed and explained the reason for the variation law．Provided technical measures for the prevention of rock burst．The results indicate that as the propagation distance increased，the velocity and displacement on the road roof caused by vibration wave declined．When with the same propagation distance，the dynamic strength is larger，the velocity and displacement is larger on the road roof caused by vibration wave．When the dynamic disturbance happens at the sides of roadway，rock burst is easier to happen at the roof and sides near the dynamic disturbance of the roadway．

Key wordsDynamic load；Rock burst；Roadway；Dynamic strength；Propagation distance