厚煤层开采动载扰动底板冲击危险演化规律.pdf

厚煤层开采动载扰动底板冲击危险演化规律＊雷瑞德１，谭云亮２，３，顾士坦２，３，李文帅２，３，杨柱龙２，３（１．贵州安和矿业科技工程股份有限公司，贵州贵阳５５００２３；２．山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛市２６６５９０；３．山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛市２６６５９０）摘要为了研究动载扰动下厚煤层底板冲击地压发生的原因，结合某矿３下０２工作面具体开采条件，运用ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟软件，分析了扰动应力波峰值强度分别为１０，２０，４０，６０ＭＰａ时巷道底板的塑性区、垂直应力的分布规律，再现了动载作用下巷道底板的破坏过程，揭示了不同应力波峰值强度扰动诱发厚煤层底板冲击的动态响应规律。结果表明随着扰动应力波峰值强度的增加，底板岩层的破裂范围逐渐扩大，应力集中程度逐渐升高，从而发生冲击地压的概率也就相应的增大。关键词动载扰动；数值模拟；冲击地压；底板破坏中图分类号ＴＤ３２４＋．１文献标识码Ａ文章编号１００５－２７６３（２０１５）０９－０１０８－０４ＥｖｏｌｕｔｉｏｎＬａｗｏｆＦｌｏｏｒＲｏｃｋＢｕｒｓｔＵｎｄｅｒＤｙｎａｍｉｃＤｉｓｔｕｒｂａｎｃｅＤｕｒｉｎｇＭｉｎｉｎｇＴｈｉｃｋＣｏａｌＳｅａｍＬＥＩＲｕｉｄｅ１，ＴＡＮＹｕｎｌｉａｎｇ２，３，ＧＵＳｈｉｔａｎ２，３，ＬＩＷｅｎｓｈｕａｉ２，３，ＹＡＮＧＺｈｕｌｏｎｇ２，３（１．ＧｕｉｚｈｏｕＡｎｈｅＭｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｇｕｉｙａｎｇ，Ｇｕｉｚｈｏｕ５５００２３，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｎｉｎｇＤｉｓａｓｔｅｒＰｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＣｏｆｏｕｎｄｅｄｂｙＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅａｎｄｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｙ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２６６５９０，Ｃｈｉｎａ；３．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２６６５９０，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃａｕｓｅｓｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｕｎｄｅｒｄｙ－ｎａｍｉｃｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｉｎｔｈｉｃｋｃｏａｌｓｅａｍｆｌｏｏｒ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｉｎａｃｏａｌｍｉｎｅ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｒｕｌｅｓｏｆｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｓｔｒｅｓｓｉｎｄｒｉｆｔｆｌｏｏｒｗｅｒｅａｎ－ａｌｙｚｅｄｂｙＦＬＡＣ３Ｄｗｈｅｎｔｈｅｐｅａｋｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｄｉｓｔｕｒｂｉｎｇｓｔｒｅｓｓｗａｖｅｗａｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ１０，２０，４０ＭＰａａｎｄ６０ＭＰａ．Ａｎｄｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｒｉｆｔｆｌｏｏｒｗａｓｄｉｓｐｌａｙｅｄ．Ｔｈｅｄｙ－ｎａｍｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅｒｕｌｅｓｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔｉｎｄｕｃｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｅａｋｓｔｒｅｓｓｅｓｗｅｒｅｒｅｖｅａｌｅｄｉｎｔｈｉｃｋｃｏａｌｓｅａｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｐｅａｋｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｄｉｓ－ｔｕｒｂｉｎｇｓｔｒｅｓｓｗａｖｅ，ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｒａｎｇｅｉｎｆｌｏｏｒｒｏｃｋｗａｓｇｒａｄ－ｕａｌｌｙｅｘｐａｎｄｅｄａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓａｌｓｏｉｍ－ｐｒｏｖｅｄ，ｗｈｉｃｈｗｏｕｌｄｅｎｌａｒｇｅｔｈｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｒｏｃｋｂｕｒｓｔ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＤｙｎａｍｉｃｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｒｏｃｋｂｕｒｓｔ，Ｆｌｏｏｒｆａｉｌｕｒｅ０引言冲击地压是井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象［１］。从力学观点来看，冲击地压研究的核心问题是围岩体在多个因素作用下的瞬间动态失稳破裂过程。引发冲击地压的原因很多，主要有煤岩体强度、地应力、地质构造以及爆破与天然地震等，还需要两个条件，一是应力集中程度不断增加；另一个是外部动载扰动向煤岩体系统瞬间输入能量，触发应变能释放产生冲击地压。文献［２－３］认为动力和巷道底板的高水平应力叠加使底板煤岩体达到或超过强度极限发生屈曲失稳和变形，并且应力波入射到底板表面反射形成拉应力导致底板发生层裂破坏，在这过程中破坏范围逐渐扩大，导致底板冲击。文献［４］认为扰动应力波是引起围岩裂隙延伸贯通，继而诱发冲击矿压的重要因素，围岩埋深条件及扰动应力波的强度决定了巷道围岩裂隙发展影响区域及形态。当底板发生弯曲变形处于极限平衡状态时，在应力波扰动作用下，该平衡将被打破，底板突然鼓起而导致大量弹性能瞬间释放，导致底鼓型冲击地压的发生［５］。围岩体在受到高应力作用时随着初始静载应力的增大，外界的动力扰动对其影响就越明显［６］。本文以某矿３下０２工作面具体开采条ＩＳＳＮ１００５－２７６３ＣＮ４３－１２１５／ＴＤ矿业研究与开发第３５卷第９期ＭＩＮＩＮＧＲ＆Ｄ，Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．９２０１５年９月Ｓｅｐ．２０１５＊收稿日期２０１４－１０－３１基金项目国家自然科学基金项目（５１２０４１０２，５１３７４１４０）．作者简介雷瑞德（１９８８－），男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向为矿山压力与岩层控制，Ｅｍａｉｌｌｅｉｒｕｉｄｅ１２３＠１６３．ｃｏｍ。 DOI10.13827/ki.kyyk.2015.09.016 件为背景，研究不同扰动应力波峰值强度对巷道底板的影响。１底板岩层破裂机理分析在支承压力作用下巷道底板岩层也将承受两侧的水平挤压应力作用。根据文献［７］的相关成果，当底板承受的轴向力超过其允许限度后，会因底板岩层失稳而引起强烈底鼓、底板岩层破裂等严重后果。文献［８］认为增强巷道底板支护强度是控制底板岩层产生动态破裂和底鼓的有效措施。巷道开挖后，底板一般处于无支护状态。底板岩层靠近帮部受剪应力作用，底角应力集中，中部岩层受挤压作用，当超过其弹性变形范围时，开始屈服产生底鼓，底板岩层屈曲破坏力学模型如图１所示。图１底板岩层屈曲破坏力学模型［７］在图１的模型中，底板岩层采用两端固支梁；ｌ为巷道宽度； γ为上覆岩层容重；ＮＡ、ＮＢ为支反力；ＭＡ为岩层梁的扭矩；ｍ为上覆岩层厚度；θ为岩层梁的转角；Ｉ为岩层梁惯性矩，Ｉ＝ｌｍ３／１２；底板岩层在轴向力Ｎ及自重作用下，弯曲变形方程为ｄ２ ω ｄｘ２＝－ＭｘＥＩ（１）由于Ｍｘ＝－ｑｌ２ｘ＋１１２ｑｌ２＋１２ｘ２＋Ｎ ω （２）则ｄ２ ω ｄｘ２＝－１ＥＩ－ｑｌ２ｘ＋１１２ｑｌ２＋１２ｑｘ２＋Ｎ（） ω （３）方程的通解为 ω＝ＡｃｏｓＮＥＩｘ＋ＢｓｉｎＮＥＩｘ－ｑ２Ｎ（ｘ２－ｌｘ＋ｌ２６－２ＥＪＮ）（４）由边界条件可知Ｐ（ｔ）＝ ωｘ＝０＝０ｄω ｄｘｘ＝１２＝烅烄烆０得Ａ＝－ｑＮＥＪＮ－ｌ２（）１２Ｂ＝－ｑＮＥＩＮ－ｌ２（）１２ｔａｎｌ２Ｎ槡（）ＥＩ由平衡条件与材料力学可得，最大弯曲拉应力发生在ｘ＝０．５ｌ处，使底板屈曲时最小轴向压力Ｎ为Ｎ＝π ２Ｅｍ３１２ｌ２（５）２数值计算模型２．１工作面概况某矿３下０２工作面平面尺寸约为３３４ｍ８９ｍ，工作面巷道沿煤层顶板布置，卸压孔揭露煤层厚度为５．１～６．９ｍ，平均厚６．０ｍ。顶板多为砂质泥岩、细粒砂岩，底板多为细粒砂岩、泥岩。煤层倾角５～１３，平均１１，煤层硬度系数ｆ＝２．５，煤层走向近ＮＷ，井下标高－８５５．７～－９３０．０ｍ，采深近１０００ｍ，由于两顺槽的直接底为煤层，平均厚度为４．４ｍ，脆硬的底煤具有冲击倾向性，在掘进过程中，多层坚硬底板的断裂将引起顺槽煤体局部应力集中，从而诱发顺槽底煤冲击。２．２模型的建立根据现场地质条件，建立数值计算模型，煤岩体采用弹塑性模型，模型总共划分为７８０００个单元格，８３７９３个网格节点。模型尺寸５０ｍ３０ｍ７４ｍ（长宽高），模型底面垂直位移约束，两侧面水平位移约束。工作面的轨道顺槽与运输顺槽沿煤层顶板掘进，采用锚网带配合锚索加强支护，巷道为矩形断面，净宽４ｍ，净高３ｍ。巷道力学模型见图２。图２巷道力学模型２．３数值模拟方案数值计算中，煤岩体的力学参数根据该矿现场实际岩石力学特性和物理力学参数确定。模型中煤５６雷瑞德，等．厚煤层开采动载扰动底板冲击危险演化规律［Ｊ］．矿业研究与开发，２０１５，３５（９）．岩层的力学参数见表１。利用基于快速拉格朗日差分法的ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟软件，模拟地应力及动态扰动作用下巷道变形和底板动态失稳破坏机制。模拟分２个步骤进行（１）建立煤岩体模型并施加静态载荷，模拟上覆岩层自重至初始平衡；（２）开挖巷道至平衡后，然后在模型底部施加动态载荷，进而分析动载作用下围岩体的破坏过程。表１煤岩层物理力学参数岩性厚度／ｍ容重／（ｋｇ／ｍ３）体积模量／ＧＰａ内摩擦角／（）内聚力／ＭＰａ抗拉强度／ＭＰａ粉砂岩２０２５００１５．６３３３．８４．０中砂岩４２６５０２４３８７．１３．５砾岩２０２６４０２３．２４１４．３３．４煤层６１４３０８２１１．８１．２５粉砂岩２２５００１５．６３３３．８４．０泥岩８２８４０１４３０４．５３．０石灰岩８２５９０２２．６４２６．７２１．５８泥岩６２８４０１４３０４．５３．０围岩的屈服准则采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ强度准则［９］，屈服函数为ｆｓ＝σ１－σ３Ｎφ＋２ｃＮ槡 φ （６）ｆｔ＝σ３－σｔ（７）式中，Ｎφ ＝１－ｓｉｎ（） φ ／１＋ｓｉｎ（）φ ； φ为内摩擦角； σ１、σ３分别为最大和最小主应力；ｃ为黏聚力；σｔ为岩石抗拉强度。３扰动应力波强度对底板围岩的影响由文献［１０］可知，现场微震监测系统记录发生冲击地压时的震动时间持续为几十毫秒。数值模拟中，冲击震源简化为简谐应力波，在模型底端巷道正下方２０ｍ范围内施加一应力波Ｐ（ｔ），其频率２５０Ｈｚ，历时０．０２ｓ，模型采用自由边界条件。为研究扰动应力波峰值强度对巷道底板破裂的影响，扰动应力波峰值强度Ｐｍａｘ分别取１０，２０，４０，６０ＭＰａ时，分析巷道底板围岩的塑性区分布形态以及应力与位移变化过程，煤岩体开挖时的爆破动载可认为是载荷波形中谐波的一段［１１］。应力波时程曲线如图３所示。其数学表达式为（）Ｐｔ＝１２Ｐｍａｘ１－ｃｏｓ２π ω（）［］ｔ，ｔ＜１ ω ０，ｔ≥１烅烄烆 ω （８）式中，Ｐｍａｘ为扰动应力峰值； ω为动载作用频率。图３应力波时程曲线３．１动载扰动下底板塑性区分布规律巷道底板的塑性区能够反映底板煤岩体的破坏情况，能够形象的反映出巷道底板冲击的孕育和显现过程。不同应力波峰值强度扰动的塑性区分布如图４所示。图４不同应力波峰值扰动时塑性区分布由图４可知随着扰动应力波峰值强度的增加，塑性区面积不断增大，当扰动应力波峰值强度为１０ＭＰａ时，只有少数单元发生了破坏，底板大部分单元处于弹性状态；当扰动应力波峰值强度为２０ＭＰａ时，单元破坏数逐渐增多；当扰动应力波峰值强度为４０ＭＰａ时，单元破坏数相对扰动应力波峰值强度为２０ＭＰａ时明显增多，扰动区域内５０％的单元已经进入了塑性状态，可以推断已经达到了底板破坏的临界应力值；当扰动应力波峰值强度为６０ＭＰａ时，单元破坏数急剧增多，受扰动的区域内９０％的单元已经进入了塑性状态，主要产生剪切破坏，局部有拉伸破坏，此时底板煤岩体易失稳，在较小的应力扰动作用下，就有可能使煤岩体产生剪切破断，从而发生底板型冲击地压。因此，在采掘过程中应尽量减少使用大药量装药爆破，避免应力扰动带来冲击危险。６６矿业研究与开发２０１５，３５（９）３．２动载扰动下巷道底板垂直应力变化规律分别沿着巷道的中心位置，在距巷道底板５，１０，１５ｍ的位置处设置３个监测点，采用ＦＬＡＣ３Ｄ数值软件的历史记录功能，记录了不同时刻的应力值，本次模拟取动力作用时间为０．０２ｓ，并且从图中可以看出动力响应已基本完成。应力波扰动下垂直应力分布曲线如图５所示。由图５可知随着应力波峰值强度的增加，底板岩体中垂直应力峰值也相应增大，可见，随着扰动应力波强度的增加，底板的冲击危险性也相应的增大。通过对比发现，当扰动应力波峰值强度由１０ＭＰａ增至６０ＭＰａ的过程中，距离震源较近处的底板中的垂直应力峰值大于较远处的，并且相对于较远处只出现一个波峰，没有出现波谷；距离震源较近处的监测点先于较远处的监测点出现应力峰值，并且随着时间的增加，底板中的扰动应力峰值也会逐渐降低，直至应力波扰动结束为止，底板中垂直应力逐渐趋于采动原岩应力值。图５应力波扰动下底板垂直应力分布曲线４结论（１）通过对比分析不同扰动应力波峰值强度的模拟结果，为了避免动力扰动对巷道底板的影响，建议某矿３下０２工作面在巷道掘进期间，尽量减少采动与爆破震动的影响，从而减少冲击地压发生的概率，并且为开采同类型具有冲击危险性厚底煤的矿井提供了借鉴。（２）随着扰动应力波峰值强度的增加，巷道围岩的塑性区范围逐渐扩大，当扰动应力波峰值强度达到极限强度后底板发生大范围的层裂破坏，易发生冲击危险。（３）距离震源较近处的底板中的垂直应力峰值大于较远处的，并且相对于较远处只出现一个波峰，没有出现波谷；距离震源较近处的监测点先于较远处的监测点出现应力峰值。参考文献［１］国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局．煤矿安全规程［Ｍ］．北京煤炭工业出版社，２０１０．［２］徐学锋，窦林名，刘军，等．动载扰动诱发底板冲击矿压演化规律研究［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０１２，２９（３）３３４－３３８．［３］卢爱红，郁时炼，秦昊，等．应力波作用下巷道围岩层裂结构的稳定性研究［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００８，３７（６）７６９－７７４．［４］秦昊，茅献彪．应力波扰动诱发冲击矿压数值模拟研究［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２００８，２５（２）１２７－１３１．［５］蒋金泉．采场围岩应力与运动［Ｍ］．北京煤炭工业出版社，１９９３．［６］李夕兵，李地元，郭雷，等．动力扰动下深部高应力矿柱力学响应研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６（５）９２２－９２８．［７］潘立友．深井冲击地压及其防治［Ｍ］．北京煤炭工业出版社，１９９７２０－２２．［８］李宝富，魏向志，任永康，等．煤层巷道底板动态破坏机理及控制技术［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１３，４１（１０）３４－３７．［９］ＩｔａｓｃａＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇＧｒｏｕｐＩｎｃ．ＦＬＡＣ３Ｄｕｓｅｒ＇ｓｇｕｉｄｅ（Ｖｅｒ－ｓｉｏｎ２．１）［Ｒ］．［Ｓ．ｌ．］ＩｔａｓｃａＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇＧｒｏｕｐ，Ｉｎｃ．，２００２．［１０］陆菜平．组合煤岩的强度弱化减冲原理及其应用［Ｄ］．徐州中国矿业大学，２００９．［１１］龙源，冯长根，徐全军，等．爆破地震波在岩石介质中传播特性与数值计算研究［Ｊ］．工程爆破，２０００，６（３）１－７．７６雷瑞德，等．厚煤层开采动载扰动底板冲击危险演化规律［Ｊ］．矿业研究与开发，２０１５，３５（９）．

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