基于煤层巷道开挖卸荷效应的底板冲击孕育过程研究_徐学锋.pdf

第43卷第2期 2015年4月 文章编号I001-1986201502-0077-06 煤田地质与勘探 COALGEOLC归Y 2.义马煤业集团跃进煤矿，河南义马472300 摘要采用相似模拟和数值模拟研究了河南义马煤田跃进矿采掘影响下巷道底板的应力及变形规 律，揭示底板冲击矿压发生前的孕育过程。研究表明，巷道底板冲击受煤层埋深、顶板条件、巷 道施工布直方式等多因素影响．在巨犀坚硬上覆砾岩影响下，工作面开采增加了相邻工作面的应 力水平。在厚煤层中巷道沿顶板布直留底煤，巷道开挖后，一定范围的煤层底板中的水平应力升 高，垂直应力降低，增加了煤层失稳破坏的可能性。巷道开挖卸荷过程中，底板由于没有支护， 垂直住移增加，底板的塑性区范围大于两帮，并产生了明显的拉仲破坏，容易使底板成为冲击破 坏突破口。 关键词煤层巷道；卸荷效应；底板冲击；相似模拟；数值模拟；孕育过程 中图分类号TD32文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.02.016 Preparatory process of floor shock caused by unloading effect during excavation of coal roadway XUXuefe时，L阳时，Z出NGYinliang2 1. School of Energy Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China; 2另wjinCoal Mine of Yima Coal Mining Group, Yima 472300, China Abstract Through numerical simulation and similar simulation me也ods,the stress dis位ibutionand deation laws of floor caused by coal seam excavation are studi时，andthe preparatory process of floor shock is revealed. The results show 由atlots of conditions such as mining depth, roof condition and roadway dr情ingand layout ways have great influence on floor shock. Under the influence of thick hard roof, the mining of working face will increase the stress of adjacent work- ing face. In thick coal seam, roadway is cut along roof of the coal seam, so the floor is coal seam left. After roadway is cut, at certain extent, the horizontal stress increases and the vertical stress decreases in the floor, and this increases the stress conditions for buckling failure in se缸n.During unloading of the roadway excavation, because the floor is not sup- ported and the vertical displacement increases, the plastic zone of floor is bigger than the two sides, and tensile failure appears in the floor obviously, and也isis the sally port of floor shock. The conclusions of the study provide theoretical foundation and ways for researching the mechanism and prevention s of rock burst. Key words coal seam roadway; unloading effect; floor shock; similar simulation; numerical simulation; preparatory process 底板冲击矿压是在矿山采动或采掘面扰动下诱 发底板煤岩层变形能的瞬时释放，表现为底板煤岩 层瞬间向上突出，引起采掘空间围岩、设备破坏的 冲击矿压灾害［I］。根据现场多个矿井的冲击矿压事 故研究，在留有底煤的采场，冲击矿压发生时，以 底鼓和煤岩压入采场空间为主要显现特征［2］，如义 收稿日期2013-11-24 马煤田跃进煤矿、千秋煤矿等。冲击矿压的发生主 要包括3个方面应力条件、煤岩体的力学性质、 采掘等开挖卸荷因素，底板冲击也应满足这个条件。 卸荷岩体理论认为，岩体的开挖实质上是岩体的地 应力释放过程，开挖岩体的应力释放导致岩体应力 的重新调整，原始应力场变化很大，岩体的开挖是 基金项目国家自然科学基金项目（51104055;51274087; 51274089）；河南理工大学博士基金项目（B2012-084）；河 南省教育厅科学技术研究重点项目（14A440002 作者简介徐学锋（1978一），男，河北顺平人，博士，副教授，从事矿山压力与岩层控制方面的教学与研究． E-mail hpuxxf 引用格式徐学锋，刘军，张银亮．基于煤层巷道开挖卸荷效应的底板冲击孕育过程研究［J］.煤田地质与勘探，2015, 432 77-82. ChaoXing 78 煤田地质与勘探第43卷 一种卸荷的力学过程[3-4］。由于采掘原因引起的开挖 卸荷改变了煤岩体的应力条件和物理力学参数，这 是冲击矿压发生的必要因素。因为即使煤层的埋深 足够大，也就是应力条件充分满足，煤岩也具有冲 击倾向性，但如果不进行开挖活动，也就不会发生 冲击矿压。卸荷效应在矿山冲击动力或岩爆方面的 研究已取得了一些成果。姚旭朋［5］研究了围压卸荷 诱发岩石破坏的机理，采用盯PA软件模拟分析了 开挖卸荷作用下岩爆效应。李铁等［6］在研究深部开 采冲击矿压与瓦斯的相关性探讨时，论述了开挖卸 荷条件下，开挖引起与开挖同轴方向卸荷产生拉应 力，在与开挖异轴方向造成加荷产生压应力共同作 用导致围岩的破坏和离层。张黎明等［7］试验研究了 卸荷条件下岩爆机理，认为高地应力地区的地下工 程开挖过程中发生的岩爆是一种典型的开挖卸荷现 象。崔栋梁等［8］认为岩爆是在高地应力区地下洞室 开挖卸荷过程中发生的，岩爆特征与岩石卸荷破坏 特征密切相关，文献［9-11］对底板破坏规律在理论分 析、数值模拟等方面进行了研究。 根据相关的文献成果［12］，冲击矿压的发生与采 掘面的地质和开采环境有直接的关系，特别是随着 采深的增加，存在巨厚坚硬上覆岩层的情况下，研 究巷道冲击矿压的发生条件，就更应考虑大范围的 地质环境和相邻工作面的开采环境。本文通过相似 模拟和数值模拟手段，从工作面开采的大环境到巷 道掘进的小范围，研究煤层采掘开挖卸荷效应下的 巷道底板应力和变形规律，揭示底板冲击矿压发生 前的孕育过程。 1 采掘地质条件 义马煤田跃进煤矿23、25深部采区，采深达到 8001 000 m，冲击矿压等动力灾害显现日益严重。 25采区的25080、25090工作面采用分层开采，回采 过程中发生了多次底板冲击显现。23采区的23130 面下巷采掘过程中也发生多次底板冲击，23130综放 工作面上巷采用内错法布置在23110工作面二分层 中（上分层已回采结束，由于煤质的原因留二分层未 采），沿底板掘进，相当于布置在卸压带内，上巷未 发生过冲击。23130面下巷沿煤层顶板掘进，在掘 进过程中发生底板冲击7次，回采过程中发生底板 冲击一次。23130工作面采掘布置见图1，剖面布置 见图2。煤层地质条件为自上而下为表土，厚。～26m, 泥灰岩厚0～27ID，巨厚砾岩180-550m，局部区域 厚约700m甚至直达地表，泥岩厚3m，煤层厚2m, 粉砂岩厚12ID，泥岩厚2m，煤层厚3ID，泥岩厚 20 m，开采煤层厚10m，－泥岩厚24m。 23070 nu 句3 句，＆ 半 点 起 道 巷 23150 图l23130工作面采掘工程平面示意图 Fig. I Mining and excavation plan of working face 23130 切II目倾斜方向剖而 图223130工作面巷道布置剖面图（单位m Fig.2 Roadway section of working face 23130 2 相似模拟试验 2.1 物理模型及测点布置 本次试验研究主要参考23130下巷的采掘条 件，以23130面的地质条件和煤岩物理力学参数为 基础。为了研究底板冲击矿压的一般性规律，岩层 倾角按0。考虑。实验采用平面应力模型，模型尺寸 5.00 mx0.3 m1.54 m，几何相似常数100，密度相 似常数1.73。顶板砾岩模拟厚度80m。监测采掘过 程煤层中的垂直应力和水平应力变化。 为了消除边界效应影响，巷道开挖位置距离模型 边界lOOm（按比例计算的数据，模型实际数据为lm, 后面叙述中的数据均表示模拟的煤岩层实际尺寸）， 巷道宽度4m、高3m，底板煤层7m，右侧工作面 开挖距离边界100m。工作面长设计开挖200m，具 体根据实际情况开挖，直到巨厚老顶垮落为止。 模型铺设过程中按如图3所示布置水平应力和 垂直应力压力盒（压力盒水平放置测量垂直应力，压 力盒垂直放置测量水平应力）。垂直应力传感器距离 采空区20m布置，间隔20m，共7个，分别为vl、 v2、v3、v4、v5、v6、v7。水平应力传感器设置3 个，巷道底板设置1个（H2）布置在距离巷道底板表面 3 m（距煤层底板4m）处，两侧距离巷道中心40m, 各设置一个，分别为Hl、H3。为进行比较分析，各 测点压力盒布置在同一水平，即距煤层底板4m处。 ChaoXing 第2期徐学峰等基于煤层巷道开挖卸荷效应的底板冲击孕育过程研究 79 --J;_}J众 100 -100 τT郭丽iJr200 100 卜哈气喘也一一一斗 图3相似试验模型设计（单位m Fig.3 Experimental model 模型铺好后经过实验室干燥再进行开挖，测量 数据记录采用自动记录，测量显示的值为应变值。 2.2 试验过程 a.开挖100m模拟工作面沿倾斜方向的形成， 直接顶及上部的煤层、泥岩、粉砂岩垮落。此时监 测点的水平应力和垂直应力逐渐增加，并且随着顶 板的垮落，压力盒数值出现突跳，这说明顶板断裂 垮落对围岩的应力产生扰动，见图4a。 b.开挖巷道，见图4b，底板的水平应力大幅度 增加，且增大的幅度远远大于煤层中垂直应力增加 的幅度。 c.开挖工作面至200m，见图4c、图4d，此时 巨厚的砾岩分层垮落，形成大的块体，按比例计算 宽130m，厚20m。此时煤层中的应力继续增加， 伴随巨厚砾岩的垮落，应力出现突跳。 d.继续开挖工作面至250E见图4e、图4f、 图4g，此时巨厚砾岩逐渐断裂延伸到模型最上端， 最终完全垮落，应力出现突跳，最终应力出现降低。 2.3 煤岩体开挖中巷道底板应力晌应规律 根据试验过程中对煤层中应力的监测结果，煤 层中的垂直应变变化见图5，巷道底板煤层中的水 平应变变化见图6。 从图5垂直应变反映的垂直应力变化中看出， 随着工作面的开挖范围的扩大，相邻的工作面煤层 中的垂直应力是增大的，随着距离采空区距离的增 大成减小的趋势，当采空区范围增大到250m时， 80 m厚的巨厚砾岩完全垮落，此后煤层中的垂直应 力大幅度下降。 从图6巷道底板水平应变反映的水平应力变化 看出，工作面以及巷道开挖过程中，巷道底板的水 平应力有明显增加的趋势。说明由于巷道开挖的卸 荷作用，底板煤层中的水平应力升高，这为底板冲 击矿压危险创造了应力条件。当采空区范围继续增 大时，水平应力继续增大，当巨厚砾岩完全垮落后， 水平应力出现大幅度下降，但是系统平衡后仍然保 持较高的应力状态。 a）开挖IOOm b）开挖巷道 c）开挖200m d）关键层分层垮落 e）开挖250m （η关键层分层垮落 g）巨厚主关键层垮烙 图4试验过程 Fig.4 Experiment process 根据以上分析，当采区的首采面采掘工作时， 应力水平相对较小，冲击危险程度也小。当存在巨 厚上覆砾岩影响时，第二、三个工作面进行采掘作 业时，也就是存在采空区时，形成的大范围支承压 力，使水平应力和垂直应力大幅度增加，增大了等 价采深，在此应力状态下进行采掘工作，大大增加 ChaoXing 第43卷煤田地质与勘探 80 一 一一二 一一 AυAUnu oo rOAa『 空之以倒 20 120 100 KVR『『严 NN．咀0 ．F Nm寸OF ∞－mc』尸 咀－ ．寸 m．咀 I . 、OD 伽’‘v、 c，、σ、 寸肉 、r、。 咀【血山－N 咱－ u 也叮AM ∞ohCE 寸mu ∞－∞ ∞m ．m － ．∞ ∞N U N－∞ ∞的 。－．∞ ∞N伍。∞ ∞m－hoe∞ ∞N ．唱 0．∞ ∞mu寸。∞ ∞N ．n0．∞ ∞的【0∞ nu 时间 图5煤层垂直应变变化 Vertical strain change in coal seam Fig.5 140 80 60 40 120 100 。－x＼剧mM同 hm－『』尸 NN U 唱。 －K 尸 Nm寸。 ← 国－ ．mOF 咀－ u 寸的咀 咱的血山问咱 咀【，胁叶1寸－ 咀【酌－N－ 嗖tO。、o .,... 0 - 0。r、。、 -0寸 。。。、。、 时间 ∞的－m【∞ ∞NN【∞ ∞mUD － －∞ ∞NEO∞ ∞m ．FC．∞ ∞N咀O∞ ∞的寸。∞ ∞N－mo∞ 20 。∞的－ o∞ 图6巷道底板水平应变变化 Horizontal strain change in roadway floor 490240117 600个单元。对煤层巷道开挖区域单元 进行细化，煤层及巷道两侧各30m范围内单元格尺 寸为0.5mx0.5 m。根据岩层的实际情况，各岩层之 间设置interface和相应的力学参数模拟实际岩层中 的结构弱面，巷道的断面尺寸、支护结构和实际情 况一致，局部模型见图7。 FLAC5.0版本）xIO 因例 9.70 运算步82024 l.169x 102xl .291 x 10 9.50 8.660 xJO＇＜严9.879x10’ 边界 |/ 9.30 』幽幽幽幽ι幽幽幽d 。2 9.10 网格 』＿.........蛐.， 。2 I I I I 8.90 销杆 梁 I I 8.70 1.18 1.20 1.22 1.24 1.26 1.28 , xI02 图7巷道支护结构（单位m Fig. 7 The supporting structure 模型的计算过程如下 建立初始模型→初始化应力场→原岩应力平 了冲击危险。随着巨厚砾岩的完全垮落，应力水平 又大幅度降低，说明冲击危险程度也会降低，以上 说明巨厚砾岩形成的采空区范围和垮落的程度不 同，对应力场分布的影响程度不同，对冲击危险的 影响程度也不同。 当上覆岩层断裂和垮落过程中，监测的应力发生 突跳，说明动载扰动过程中会使处于极限应力状态下 的煤体发生突变失稳，成为冲击矿压的诱发因素。 模型的建立 数值模拟和相似模拟的条件类似，最上方砾岩 厚度取300m，工作面长度取实际长度，其中23110 面长152m, 23090面长192m, 23070面长160m, 23130相邻面取120m煤柱，23130工作面长192m。 23130下巷的具体条件为下巷埋深875m，巷道沿 煤层顶板布置，巷道尺寸为宽4m高3m，巷道支 护结构，两帮采用锚杆支护，顶板采用锚网索支护， 底板没有支护。 模型尺寸为 Fig.6 数值模拟3 3.1 共设800 m（长）x434m（高）， ChaoXing 第2期徐学峰等基于煤层巷道开挖卸荷效应的底板冲击孕育过程研究 81 衡→开采23090面→开采23110面→巷道开挖→巷 道支护→模拟结束。 3.2 采掘过程中巷道底板的应力晌应规律 在23090面和23110面开采后，进行23130面 两个顺槽开挖。在此过程中，巷道底板4.0m处监 测点的垂直应力、水平应力、水平应力与垂直应力 的应力差响应发展过程见图8，垂直应力及水平应 力分布云图见图9。 AU ’3 U A“，句、d‘‘J 一一垂直应力 －一水平应力 一一应力差 ε 25 20 创刊 10 5 0 -5 J_ 5 10 15 20 25 30卢口550 55 时步/kSteps 图8巷道开挖过程中底板应力变化 Fig.8 Stress variation of floor during roadway excavation -3.5xlO -3.0 xlO -2.5107 -2.0 xl07 -1.5107 -I.Ox JO - 5.0 x]06 O xlO 图9巷道围岩垂直和水平应力（单位Pa Fig.9 Vertical and horizontal stress contours 由图8、图9可见，在巷道开挖卸荷过程中，底板 监测点的垂直应力迅速降低，垂直应力由27.60MPa 下降到13.55MPa。水平应力由25.85MPa上升到 36.33 MPa，应力差由一1.76MPa上升到22.78MPa。 可见巷道开挖卸荷过程中，底板的水平应力与垂直应 力差是升高的，底板出现明显的水平应力集中，在底 板煤层中产生冲击核。这是底板冲击破坏的关键因素。 3.3 巷道底板位移特点 巷道开挖后的围岩位移和运动趋势是考察巷道 支护效果和稳定性的重要指标。巷道开挖过程中底板 垂直位移矢量见图10，底板煤层的垂直位移见图11。 从位移矢量图中看出，巷道开挖后，以底板垂 直位移为主，两帮发生水平位移较小。由于底板没 有有效的支护，系统平衡后底板最大位移为0.17m, 这和现场实际是基本一致的。说明锚杆支护控制了 顶板和两帮的变形，起到了很好的支护效果。底板 发生了明显的位移也说明底板煤层发生了局部的破 FLAC5.0版本） 阁例 运算步82024 位移矢最 /JIJJ//llllll///1 」....L-L.-l..... 0 5xO斗 边界 /, J F dFA F,, tFFF , 卢FF－－ 』』－－－ －－－－』 ＼气气 』 飞、飞、 ＼、 －1‘、、、、、 ‘‘‘回 .. ‘、‘‘ .. ‘ 1111 11 ’ ’ F /, , 町 『， .. 、、 t幽幽“丛丛幽幽丛“品d 0 2 ’‘、、、问、．．，，，. －－－、、‘－－ －－－一－－，，，， Fig.10 0.20 图10巷道位移矢量图 Displacement vector of roadway 0.15 。10 E 章。.05 0.00 --0.05 --0.10 686 688 690 692 694 696 698 700 702 704 预算步加Steps 图ll底板垂直位移 Fig.11 Vertical displacement of floor 坏，这是后期煤层的整体冲击破坏的基础。 3.4 底板塑性区分布 巷道的塑性区分布反映了巷道开挖卸荷后，由 于应力转移产生的次生应力集中导致的围岩力学参 数的变化，巷道的破坏主要是剪切破坏和拉伸破坏 等形式。巷道平衡过程后底板的塑性区分布见图12 所示。从图12看出由于两帮和顶板有锚网支护，发 生破坏的区域较小，底板没有支护、且存在较大水 平应力作用，底板发生塑性变形的区域大于两帮， 并且出现了拉应力破坏，这说明巷道开挖后煤层底 板产生了局部的拉伸破坏，初步形成了层裂破坏结 构，这正是底板大范围煤体冲击破坏的突破口。在 外界扰动下，局部破坏的结构不断扩大，整个底板 煤层的宏观强度降低。当处于稳定平衡的极限状态 时，微小的扰动就会打破这个极限状态，层裂破坏 结构在一定厚度范围内大范围出现，使储存的弹性 能突然释放发生冲击显现。 4结论 a.根据相似试验定性研究成果认为，跃进矿巷 道底板冲击受煤层埋深、巷道施工布置方式等影响， ChaoXing 82 煤田地质与勘探第43卷 FLAC5.0版本） 图例 运算步82024 塑性状态 剪切或体积变形破坏 蜒唯性，曾发生变形破坏 。JJl仰破坏 , ._ I 71“、＂＇r雪’，「军.. 如.. .....－－在－，’「ntr,.-，「旷町， 川，. .协 掷，．．，，．．．．，．．”’3蝇” 3蝇飞旬，a－，，－.－寸”1『1,11-0 ’”...a.........a‘」LL-』『－立一注」，后 汩饵，，，掷’. .。。。。汇，织.;-.”执 法3民苔””，．，．．”’..＞）曾笋，，，．．， 刻，， 汩汩..，，如’施，2阂，，，，汩 汩笋”’‘狼’””’汩汩汩”’掷， 汩 ””. ＞沫，，，．，，汩汩】岖，，.-）皿只 f I C C’‘漠’‘CCC.，，，，隧 3而Iy. it jl C e ’”’. . 拥抱．，鼠，，，】M 2‘英 图12巷道围岩塑性区分布 Fig.12 Plastic zone distribution in the surrounding rock 且在巨厚坚硬上覆砾岩影响下，在工作面开采中增 加了应力水平，在厚煤层中巷道沿顶板布置留底煤， 巷道开挖后，一定范围的底板煤层中的水平应力升 高，增加了煤层失稳破坏的应力条件，容易使底板 成为冲击破坏的突破口。 b.数值模拟研究说明，大采深存在巨厚坚硬砾 岩的条件下，当工作面开采过程中，相邻工作面煤 层中的垂直应力和水平应力相应增加，增大巷道的 冲击危险性。巷道开挖过程中底板煤层中的水平应 力升高、垂直应力降低，应力差增加，这相当于在 底板煤层中产生了冲击核，这是底板冲击发生前应 力条件。巷道开挖卸荷过程中，底板以垂直位移为 主，底板的塑性区范围大于两帮，并在塑性区变化 过程中产生了明显的拉伸破坏。当在外界扰动影响 下，以此局部破坏点为基础发生底板煤层的层裂破 （上接第76页） 参考文献 川王端端，贾力，李国旗．后压浆桩基础的承载力试验对比分 析［月煤田地质与勘探，20日，41338--41. 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