黃聰,王衛(wèi)軍,2*,袁超,肖宇

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 湘潭 411201)

隨著淺部煤炭資源日益減少,國(guó)內(nèi)外礦山開采向深部進(jìn)行已成為必然趨勢(shì)[1].相較于淺部巖體,深部巖體所處的力學(xué)環(huán)境更為惡劣,巖體的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)行為特征也更為復(fù)雜.圍巖非線性大變形力學(xué)現(xiàn)象愈加突出,給巷道的支護(hù)與維護(hù)造成了巨大困難[2-4].為了對(duì)圍巖應(yīng)力狀態(tài)不同的巷道進(jìn)行合理有效的支護(hù),深部巷道圍巖塑性區(qū)的形成與擴(kuò)展及其控制問(wèn)題是目前亟需解決的難題.近年來(lái),對(duì)深部巷道圍巖控制的研究日漸增多,如王衛(wèi)軍[5]等通過(guò)分析深部高應(yīng)力巷道大變形的原因,提出了預(yù)留“給定變形”的新型支護(hù)方式.趙志強(qiáng),馬念杰[6]認(rèn)為當(dāng)深部巷道側(cè)壓系數(shù)λ(0<λ<1)較小時(shí),圍巖的塑性區(qū)會(huì)出現(xiàn)蝶形分布的特征,當(dāng)?shù)~處于巷道正上方時(shí)易發(fā)生冒頂事故,提出了可接長(zhǎng)錨桿支護(hù)技術(shù),并闡明了其技術(shù)優(yōu)勢(shì)與控制作用.余偉建[7]等根據(jù)深部高應(yīng)力復(fù)合頂板煤巷的特征,將頂板的控制作為關(guān)鍵部位,提出了“預(yù)應(yīng)力桁架錨索”為主體的綜合控制技術(shù),取得了很好效果.袁超[8]基于巖石力學(xué)、彈塑性力學(xué)、Kastner 理論,對(duì)塑性區(qū)的形成演化過(guò)程、幾何分布形態(tài)進(jìn)行了深入研究,揭示了深部高應(yīng)力巷道圍巖變形難以控制的力學(xué)本質(zhì),提出了幾種行之有效的圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)和方法.

但現(xiàn)有的研究很少考慮主應(yīng)力方向的改變對(duì)于深部巷道塑性區(qū)形態(tài)變化的影響.本文從深部塑性區(qū)巷道圍巖變形機(jī)理著手,研究垂直主應(yīng)力方向的變化對(duì)于巷道圍巖塑性區(qū)形態(tài)變化的影響,總結(jié)深部巷道圍巖塑性區(qū)的變化規(guī)律.

1 數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

以曲江煤礦212風(fēng)巷為數(shù)值計(jì)算對(duì)象,212風(fēng)巷為延工作面穿脈巷道,巷道兩幫為B4煤,煤層平均厚度為2.8 m,為半暗半亮型煤.B4煤直接頂為復(fù)合頂板,巖性為炭質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖,呈黑色、薄層狀,并間夾少量鏡煤煤線,厚度8.0～10.0 m.老頂巖性為細(xì)～粗砂巖,淺灰色,中厚層水平層理,質(zhì)地較硬.

本文采用FLAC3D有限差分軟件,根據(jù)212風(fēng)巷的工程地質(zhì)條件,建立了大小為100 m(x)×20 m(y)×80 m(z)的數(shù)值模型(圖1),模型共有節(jié)點(diǎn)132 641個(gè),單元124 000個(gè),模型邊界條件為除上表面的其余5面采用法相約束,上表面施加上覆巖層的重力邊界,其大小為20 MPa.

模型計(jì)算時(shí)圍巖體本構(gòu)模型選用摩爾庫(kù)倫模型,各巖層力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

2 模擬方案

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明,工作面采動(dòng)會(huì)使垂直應(yīng)力在工作面采空區(qū)泄壓,鄰近巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生2次改變,巷道頂板整體受到的垂直應(yīng)力增大,主應(yīng)力向工作面空區(qū)方向偏轉(zhuǎn),進(jìn)而使得巷道圍巖發(fā)生大變形.

為研究深部高應(yīng)力條件下,不同方向的主應(yīng)力對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)幾何形態(tài)分布的影響,將側(cè)壓系數(shù)λ設(shè)置為2.5,在原數(shù)值計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,保持邊界條件、巖層參數(shù)、本構(gòu)模型、主應(yīng)力大小不變,每次將垂直主應(yīng)力方向順時(shí)針變化1°,對(duì)垂直主應(yīng)力順時(shí)針變化0°～45°(包括0°)在內(nèi)的46種情況進(jìn)行數(shù)值模擬,垂直主應(yīng)力角度變化順序示意圖如圖2所示.同時(shí)在巷道模型頂板、底板、幫部布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),布置位置如圖3所示,記錄在不同方向垂直主應(yīng)力作用下巷道變形量.并將垂直主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)過(guò)程中的巷道圍巖塑性區(qū)擴(kuò)展情況進(jìn)行比較分析.為確保每次模擬時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)能夠充分發(fā)生的擴(kuò)展,每次數(shù)值模擬計(jì)算5 000步后再停止運(yùn)行.

圖2 垂直主應(yīng)力變化

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3 垂直主應(yīng)力方向變化對(duì)巷道圍巖塑性區(qū)影響

圖4為側(cè)壓系數(shù)λ=2.5的情況下,垂直主應(yīng)力順時(shí)針偏轉(zhuǎn)0°,15°,30°,45°時(shí)塑性區(qū)幾何形態(tài)分布情況.圖4a中,巷道圍巖塑性區(qū)呈對(duì)稱分布,塑性區(qū)最大半徑出現(xiàn)在巷道圍巖尖角,圍巖塑性區(qū)最大半徑為5.4 m,巷道頂板、底板中心正方向塑性區(qū)半徑為3.3 m,幫部中心正方向塑性區(qū)半徑為1.8 m.圖4b為垂直主應(yīng)力順時(shí)針偏轉(zhuǎn)15°時(shí)巷道圍巖塑性區(qū)的幾何形態(tài),圍巖塑性區(qū)最大半徑為6.1 m,巷道頂板中心正方向塑性區(qū)半徑為4.2 m,幫部中心正方向塑性區(qū)半徑為2.3 m.如圖4c所示,圍巖塑性區(qū)最大半徑為6.2 m,巷道頂板中心正方向塑性區(qū)半徑為5.2 m,幫部中心正方向塑性區(qū)半徑為5.9 m.由圖4d可知,塑性區(qū)蝶葉恰好與巷道兩幫、頂?shù)装宕怪?塑性區(qū)最大半徑出現(xiàn)在兩幫、頂?shù)装宕怪钡拇怪狈较?最大塑性區(qū)半徑為6.1 m.

比較圖4a～圖4d這4張圖可以看出,垂直主應(yīng)力方向的改變并未對(duì)巷道塑性區(qū)形狀產(chǎn)生很大影響,塑性區(qū)形狀基本保持一致,均呈現(xiàn)出“蝶形”不規(guī)則塑性區(qū),不同在于隨著主應(yīng)力的偏轉(zhuǎn),蝶形塑性區(qū)會(huì)隨著主應(yīng)力方向同步旋轉(zhuǎn).圖4b和圖4c分別為垂直主應(yīng)力順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)15°與30°時(shí)巷道塑性區(qū)的形態(tài),可以看出隨著垂直主應(yīng)力方向的改變,塑性區(qū)形態(tài)也在圖4a的基礎(chǔ)上順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了相近角度.觀察圖4d可知當(dāng)垂直主應(yīng)力順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°后,巷道塑性區(qū)向順時(shí)針?lè)较虬l(fā)生了45°左右的旋轉(zhuǎn),原本處于巷道四角傾斜方向的蝶葉,此時(shí)旋轉(zhuǎn)到了巷道頂板、底板、兩幫的正方向,導(dǎo)致巷道四面均存在大范圍的塑性區(qū),此時(shí)的巷道處于易發(fā)生大變形的不穩(wěn)定狀態(tài).

圖4 垂直主應(yīng)力方向與塑性區(qū)分布數(shù)值模擬

4 垂直主應(yīng)力方向變化對(duì)巷道圍巖位移影響

圖5為垂直主應(yīng)力從0°轉(zhuǎn)動(dòng)到45°過(guò)程中,巷道頂板、底板、幫部的位移數(shù)據(jù)圖.從圖5可以看出,當(dāng)垂直主應(yīng)力未偏轉(zhuǎn)時(shí),巷道各處位移均較小,隨著垂直主應(yīng)力角度從0°偏轉(zhuǎn)至15°過(guò)程中,巷道頂板的位移迅速增大,而巷道底板與幫部的位移也有所增加,但位移增加幅度不大.當(dāng)垂直主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)至15°～30°的階段時(shí),巷道頂?shù)装逦灰茖?duì)于垂直主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度的敏感性明顯增強(qiáng),主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)很小的角度卻能引起巷道頂板位移大幅增加.而垂直主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)超過(guò)30°后,巷道頂板底板及幫部的位移接近峰值,繼續(xù)增大垂直主應(yīng)力的偏轉(zhuǎn)角度巷道位移量也只有小幅度的增加.

圖5 不同垂直主應(yīng)力方向監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)

結(jié)合巷道塑性區(qū)在垂直主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生的變化不難發(fā)現(xiàn),巷道蝶形塑性區(qū)蝶葉最初沿著巷道四角傾斜分布,此時(shí),巷道頂?shù)装?、兩幫方向塑性區(qū)范圍較小,故而巷道內(nèi)部變形量較小.隨著垂直主應(yīng)力偏轉(zhuǎn),蝶形塑性區(qū)也隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),蝶葉方向從巷道四角慢慢向巷道垂向和水平方向偏移,此時(shí)蝶葉大部分范圍位于巷道四角傾斜方向,所以巷道位移也增加較小.垂直主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)30°左右時(shí),蝶形塑性區(qū)蝶葉已大部分處于巷道四面,巷道頂?shù)装?、兩幫存在大范圍塑性區(qū),巷道變形大幅增加.繼續(xù)偏轉(zhuǎn)垂直主應(yīng)力方向,巷道蝶形塑性區(qū)蝶葉繼續(xù)旋轉(zhuǎn),直至巷道四面正方向,但由于圍巖塑性區(qū)范圍增加很小,巷道內(nèi)部變形量較垂直主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)30°的位移量增大也很有限.

采動(dòng)在原巖應(yīng)力的基礎(chǔ)上,引起巷道周邊圍巖主應(yīng)力方向發(fā)生改變,圍巖蝶形塑性區(qū)隨之發(fā)生旋轉(zhuǎn),當(dāng)?shù)~位于巷道頂板正上方時(shí),此時(shí)的頂板穩(wěn)定性最差,如果不及時(shí)支護(hù)或者支護(hù)不合理,在受到強(qiáng)烈采動(dòng)時(shí),巷道頂板部位的破裂圍巖體在自重的作用下極易冒落.故而對(duì)于受到采動(dòng)應(yīng)力影響的巷道要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)其變形,遏制巷道圍巖破裂區(qū)破裂圍巖剪脹滑移等非連續(xù)性變形,固定圍巖松動(dòng)破碎巖塊,確保巷道圍巖均勻、協(xié)調(diào)變形,消除冒頂與片幫等安全隱患,增強(qiáng)巷道圍巖的整體性與穩(wěn)定性,確保巷道在服務(wù)年限內(nèi)正常使用.

5 結(jié)論

1)垂直主應(yīng)力方向的改變對(duì)于塑性區(qū)形狀影響較小,但會(huì)使得蝶形塑性區(qū)向垂直主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng),且蝶形塑性區(qū)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與垂直主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)角度有著高度的相對(duì)一致性,轉(zhuǎn)動(dòng)近似的角度.

2)巷道圍巖的變形量與巷道臨空面縱向塑性區(qū)深度成正相關(guān).當(dāng)圍巖蝶形塑性區(qū)發(fā)生旋轉(zhuǎn)后,使得蝶葉轉(zhuǎn)向巷道四面正方向,巷道臨空面塑性區(qū)深度加深,巷道的穩(wěn)定性越來(lái)越差,臨空面塑性區(qū)范圍即為潛在的大變形區(qū)域.