吳宏斌，劉 陽，王桂峰，劉心強(qiáng)，袁開源，李 庚

(1.華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司陳家溝煤礦，甘肅 平?jīng)?744100；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；4.徐州大月爾科技有限公司，江蘇 徐州 221116)

沖擊地壓具有突然、急劇、猛烈等特點(diǎn)，是煤礦破壞性最為嚴(yán)重的動力災(zāi)害之一，易造成重大人員傷亡和采掘空間嚴(yán)重破壞[1]。我國每年都有巷道因動力破壞而造成人員傷亡的事故發(fā)生，嚴(yán)重制約著煤炭資源的安全高效開采。一次沖擊能導(dǎo)致數(shù)十米到數(shù)百米范圍的采掘空間突然破壞，造成人員傷亡和設(shè)備損壞。、近年來陸續(xù)發(fā)生的山東龍鄆(2018年10月20日，死亡21人)、河北唐山(2019年8月2日、死亡7人)，山東龍堌(2020年2月22日，死亡4人)等數(shù)起嚴(yán)重沖擊地壓災(zāi)害，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和重大的經(jīng)濟(jì)損失。

沖擊地壓多發(fā)生在巷道內(nèi)，在沖擊瞬間的災(zāi)變過程中，巷道圍巖整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，并釋放巖體積蓄的大量能量，巷道圍巖快速擠向自由空間，是一種高能量、強(qiáng)沖擊、短歷時(shí)的突變性破壞。沖擊產(chǎn)生的直接原因是巷道周邊煤巖體中有能量積聚，采礦工程中的動載干擾可以誘發(fā)煤巖體中能量的突然釋放。目前，采動動載誘發(fā)沖擊地壓現(xiàn)象正在逐漸被學(xué)者承認(rèn)和接受，動載誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)理和支護(hù)問題研究也在不斷深入。

UDEC軟件是巖土工程中常用模擬軟件，能夠有效地模擬出巖土工程中巖石靜態(tài)或動態(tài)載荷下破壞的整個(gè)過程，利用UDEC軟件的優(yōu)勢能夠更好地模擬動載作用下巷道圍巖的響應(yīng)特征。對于采用離散元程序進(jìn)行巷道圍巖穩(wěn)定性的研究，KANG等[2]采用UDEC軟件分析了不同錨桿支護(hù)參數(shù)條件下的巷道圍巖裂隙演化規(guī)律；方剛等[3]采用離散元程序UDEC軟件中隨機(jī)分布三角形單元塊體集合模型研究巷道開挖失穩(wěn)；馬振乾等[4]采用離散元程序UDEC軟件研究不同頂板軟弱巖層厚度下巷道圍巖能量演化規(guī)律，并提出基于能量平衡的巷道支護(hù)技術(shù)原理；張軍等[5]結(jié)合峰前耗散能和峰后斷裂能建立的脆性評價(jià)指數(shù)，能同時(shí)反映巖石脆性破壞的難易程度和脆性的強(qiáng)弱，可評價(jià)不同力學(xué)條件下的脆性變化特征；熊藤根等[6]采用有限元數(shù)值模擬FLAC3D軟件對不同強(qiáng)度疊加動載作用下，巷道圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分布規(guī)律進(jìn)行了研究；陳治宇[7]采用離散元程序PFC動載作用下錨固體應(yīng)力波傳遞規(guī)律及其力學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)行了研究；劉學(xué)生[8]采用有限元數(shù)值模擬FLAC3D軟件對動載作用下巷道圍巖能置演化及沖擊地壓機(jī)理研究進(jìn)行了研究。目前國內(nèi)外對沖擊地壓防治方法的機(jī)理研究仍滯后于沖擊地壓防治的實(shí)踐，因此對沖擊地壓等動力災(zāi)害機(jī)理及防治方法的研究仍是沖擊地壓動力災(zāi)害研究的長期目標(biāo)[9]。

本文以陳家溝煤礦8514工作面為研究背景，借助離散元程序UDEC軟件揭示動載作用下巷道圍巖的響應(yīng)特征，分析了不同距離動載對巷道穩(wěn)定性的影響，研究成果可進(jìn)一步揭示動載作用下巷道沖擊破壞的機(jī)制，對開發(fā)相關(guān)防沖支護(hù)技術(shù)及指導(dǎo)現(xiàn)場安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

8514工作面開采煤層為5#煤層(圖1)，煤層厚度在24.6～35.8 m之間，平均厚度為27.8 m，煤層傾角在6°～14°之間，兩順槽均布置在5#煤層中下部，均按同一方位不同坡度送巷，運(yùn)輸順槽全長2 327.7 m，開口底板標(biāo)高為+939.24 m，頂煤厚度為8.2～19.2 m；回風(fēng)順槽全長2 281.1 m，開口底板標(biāo)高為+941.15 m，頂煤厚度為9.45～16.20 m；工作面在可采范圍內(nèi)均為回風(fēng)側(cè)高于運(yùn)輸側(cè)，工作面傾角在3.0°～16.5°之間，工作面設(shè)計(jì)平均長度為116.7 m。8514工作面開切眼與原8513工作面開切眼內(nèi)錯(cuò)7 m，埋深為500～600 m，工作面開切眼與停采線之間的距離為2 143 m。

圖1 8514工作面位置平面圖Fig.1 Gateway layout of 8514 working face

8514工作面東部為8513綜放工作面，區(qū)段之間保護(hù)煤柱寬度為6 m，8513綜放工作面截至2020年4月底已回采1 952 m，剩余回采長度為235 m，由于地面村莊尚未搬遷，目前封閉管理。8514綜放工作面南部為+930 m水平軌道大巷、+930 m水平膠帶輸送機(jī)大巷、+930 m水平回風(fēng)大巷。8514工作面西部為八采區(qū)邊界，與九采區(qū)相鄰，保護(hù)煤柱寬度10 m。8514綜放工作面北部為采區(qū)邊界，與十采區(qū)相鄰，保護(hù)煤柱寬度為10 m。8514工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Roof and floor condition of coal seam

2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

2.1 模型建立

本文以陳家溝煤礦8514工作面為工程背景，通過現(xiàn)場觀測、巖石樣本取樣獲取巖石力學(xué)參數(shù)，并建立數(shù)值計(jì)算仿真模型。8514工作面運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)斷面為直墻圓弧拱形巷道，斷面特征為凈寬度5.2 m，凈高度3.6 m，拱高度0.9 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

模型尺寸為長60 m，寬48 m(圖2)，巷道斷面為半圓拱形，在5#煤層中進(jìn)行開挖，其斷面參數(shù)為5.4 m×3.2 m。模型由泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、泥巖、5#煤層構(gòu)成。靜力計(jì)算模型左邊界、右邊界固定水平位移，底部邊界固定垂直位移，按照地應(yīng)力測試結(jié)果，頂部自由邊界施加垂直應(yīng)力均布載荷13.4 MPa，側(cè)壓系數(shù)x方向取1.20，z方向取1.74。為了更好地表現(xiàn)動載作用下巷道圍巖變形特征，在5#煤層部分區(qū)域使用Voronoi多邊形節(jié)理生成器，其他各個(gè)巖層則使用JSET統(tǒng)計(jì)節(jié)理生成器，節(jié)理模型如圖3所示。

圖2 UDEC模型Fig.2 UDEC model

2.2 模型參數(shù)選擇

根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)載荷達(dá)到強(qiáng)度極限后，巖體產(chǎn)生破壞，在峰后塑性流動過程中，巖體殘余強(qiáng)度隨著變形發(fā)展逐漸減小[5]。因此，屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，計(jì)算公式見式(1)。

(1)

式中：σ1，σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，Pa；c為內(nèi)聚力，Pa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。當(dāng)fs>0時(shí)，巖體將發(fā)生剪切破壞。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和相關(guān)研究提供的煤巖體物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，模擬計(jì)算采用的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 UDEC數(shù)值模型巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of strata of UDEC model

2.3 動力荷載及邊界條件確定

在動力分析時(shí)，由于計(jì)算模型采用有限體積來代替無限大的實(shí)際模型，在模型邊界可能造成輸入應(yīng)力波的反射，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，模型采用黏彈性不反射邊界，是一種人工邊界，通過在邊界上施加的切向阻尼和法向阻尼實(shí)現(xiàn)[10]。黏彈性人工邊界具有精確度高、適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠較為真實(shí)地呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)與周圍介質(zhì)之間的相互作用，在動力學(xué)相關(guān)的科學(xué)試驗(yàn)研究中得到了廣泛的應(yīng)用[11]。

震動在巖土體傳播的過程能量會被消耗，如不考慮這部分的影響，則不能真實(shí)地模擬動對硐室結(jié)構(gòu)的影響。 瑞利(Rayleigh)阻尼具有計(jì)算簡單、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，一般常用于結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究分析，是常用的阻尼方式之一[12]。 模擬使用的離散元數(shù)值模擬軟件UDEC以拉格朗日算法為基礎(chǔ)，可以模擬塊體之間的實(shí)際變形和位移。 UDEC軟件包含強(qiáng)大的編程語言Fish函數(shù)，利用Fish函數(shù)，在進(jìn)行模擬中可以對模型施加預(yù)期形式的應(yīng)力波和控制應(yīng)力波施加時(shí)間。

圖4為計(jì)算模型邊界條件示意圖。模型四周均設(shè)為黏性不反射邊界，計(jì)算中選取局部阻尼[13]。在巷道正上方的頂板煤層中施加動力擾動，用于模擬上方煤層開采時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力波，動載作用時(shí)間取為0.02 s，輸入的應(yīng)力波采用余弦波[14]。

圖4 數(shù)值模型動力計(jì)算邊界Fig.4 Numerical model dynamic calculation boundary

3 模擬結(jié)果分析

數(shù)值計(jì)算模型在劃分網(wǎng)格時(shí)對巷道周圍20 m區(qū)域進(jìn)行加密處理，可以使模擬結(jié)果更加精準(zhǔn)，隨后將模型在自重應(yīng)力作用下計(jì)算至平衡，完成常規(guī)靜力分析后，再對模型施加相關(guān)動載條件進(jìn)行動力分析，靜載模型運(yùn)算平衡后，在距巷道頂部分別約10 m、20 m和30 m處10 m范圍內(nèi)分別施加振幅為5×104Pa的余弦波波形的動載，施加動載0.5 s后巷道周圍應(yīng)力分布情況如圖5所示，動載施加后巷道四周中點(diǎn)的震動速度如圖6所示。

圖5 不同距離動載作用下巷道圍巖的垂直應(yīng)力演化規(guī)律Fig.5 Vertical-stress evolution law of surrounding rock under different distance dynamic load

圖6 不同距離動載作用下巷道震動速度演化規(guī)律Fig.6 Roadway vibration velocity evolution law underdifferent distance dynamic load

由圖5可知，不同距離動載作用下巷道圍巖的垂直應(yīng)力演化規(guī)律。當(dāng)動載距離巷道頂部為10 m時(shí)，巷道底板嚴(yán)重破壞，巷道頂板輕微破壞，巷道兩幫基本無破壞，垂直應(yīng)力在巷道兩底角出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，應(yīng)力集中的范圍較大；當(dāng)動載距離巷道頂部為20 m時(shí)，巷道底板嚴(yán)重破壞，巷道頂板輕微破壞，巷道兩幫基本無破壞，垂直應(yīng)力在巷道兩底角出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，應(yīng)力集中的范圍較動載距離巷道頂部為10 m時(shí)有所減小；當(dāng)動載距離巷道頂部為30 m時(shí)，巷道底板破壞情況較動載距離巷道頂部為10 m和20 m時(shí)明顯改善，巷道頂板輕微破壞，巷道兩幫基本無破壞，垂直應(yīng)力在巷道兩幫出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，應(yīng)力集中的范圍較動載距離巷道頂部為10 m和20 m時(shí)有所增大，但應(yīng)力集中強(qiáng)度明顯減小。

由圖6可知，不同距離動載作用下巷道圍巖破壞范圍及應(yīng)力集中程度有明顯變化，底板變形破壞范圍會因動載與巷道頂部距離減小而增加，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

對比圖6可得出不同距離動載作用下巷道震動速度演化規(guī)律。巷道震動速度類似于正弦波的形式逐漸衰減并且存在峰值。動載距巷道頂部分別為10 m和20 m時(shí)，底板震動速度在動載作用下波動較大，出現(xiàn)突升，表征動力破壞，而頂板及兩幫震動速度由于支護(hù)的存在，在動載作用下波動較小。動載距巷道頂部為30 m時(shí)，底板、頂板和兩幫的震動速度波動峰值大小相近。

動載施加位置距離巷道頂板10 m和20 m時(shí)，巷道底板均發(fā)生了破壞。距離巷道頂板10 m時(shí)，自動載施加至巷道底板有明顯變形破壞，約0.05 s；距離巷道頂板20 m時(shí)，自動載施加至巷道底板有明顯變形破壞，大約0.25 s。動載施加后在巷道傳播的過程中，受應(yīng)力波影響區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)在應(yīng)力波經(jīng)過時(shí)因受外力擾動會發(fā)生震動，同時(shí)周圍的應(yīng)力環(huán)境也發(fā)生改變，應(yīng)力波經(jīng)過后，該區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)仍然會進(jìn)行震動，隨后才會逐漸降低，同時(shí)也反映出該區(qū)域應(yīng)力會存在一段較為強(qiáng)烈調(diào)整的時(shí)間[15]。

由于巷道在動載作用下的破壞是突然發(fā)生的，運(yùn)用離散元數(shù)值模擬軟件UDEC進(jìn)行模擬，巷道破壞時(shí)發(fā)生破壞的煤巖體之間的節(jié)理可以打開，煤巖體可以脫落并且彈射到巷道中，隨之而來的是測點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)震動速度會發(fā)生突然的升高并且會持續(xù)一段時(shí)間，此時(shí)一般代表著測點(diǎn)處的煤巖體在動載作用下已經(jīng)脫離整體結(jié)構(gòu)，也就是在動載作用下發(fā)生了沖擊破壞。距離巷道頂板30 m時(shí)，自動載施加后底板一直保持完整狀態(tài)，測點(diǎn)的震動速度就呈現(xiàn)出動載來到巷道附近時(shí)已經(jīng)達(dá)到最大值，隨后震動速度逐漸降低的形態(tài)。

4 結(jié) 論

本文利用離散單元法程序軟件UDEC對動載作用下巷道圍巖的響應(yīng)特征展開系統(tǒng)研究，得到結(jié)論如下所述。

1) 隨著施加動載距離的減小，在同樣強(qiáng)度的動載應(yīng)力波下，圍巖裂隙擴(kuò)展貫通更加充分，當(dāng)達(dá)到一定程度后，引發(fā)巷道沖擊動力災(zāi)害。因此，沖擊地壓的發(fā)生與動載荷的距離密切相關(guān)，這也是礦井在相同能量、不同距離礦震動載作用下顯現(xiàn)情況不同的重要原因。

2) 動載距離巷道頂部分別為10 m、20 m時(shí)，底板震動速度在動載作用下出現(xiàn)突升，巷道發(fā)現(xiàn)動力破壞。 動載距巷道頂部為30 m時(shí)，巷道震動速度類似于正弦波的形式逐漸衰減并存在峰值。巷道底板破壞情況較動載距離巷道頂部為10 m和20 m時(shí)明顯改善，巷道頂板輕微破壞，巷道兩幫基本無破壞。

3) 距離巷道頂板20 m時(shí)，動載施加至巷道底板有明顯變形破壞需約0.25 s。表明應(yīng)力波經(jīng)過巷道后，該區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)仍然會進(jìn)行震動，隨后才會逐漸降低，同時(shí)也反映出該區(qū)域在沖擊破壞前應(yīng)力會存在一段較為強(qiáng)烈調(diào)整的時(shí)間。