赵固二矿非对称底鼓破坏规律研究.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０６􀆽 ０３ 作者简介毕 鹏１９８１ － ꎬ男ꎬ山西高平人ꎬ工程师ꎬ从事生产技术及管理工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. １０. ００３ 赵固二矿非对称底鼓破坏规律研究 毕 鹏１ꎬ魏文胜２ １. 中煤第五建设有限公司第三工程处ꎬ江苏 徐州 ２２１００２ꎻ ２. 中国矿业大学北京共伴生能源精准开采北京市重点实验室ꎬ北京 １０００８３ 摘 要针对赵固二矿采动巷道底板破坏严重的问题ꎬ以 １１０６０ 工作面轨道巷为研究对象ꎬ采用离散元模 拟软件 ３ＤＥＣꎬ结合现场实测、理论分析等方法ꎬ研究 １１０６０ 轨道巷在巷道掘进影响稳定阶段和采动阶段下 底鼓破坏形态、应力场及位移场的差异ꎮ 结果表明受采动影响ꎬ赵固二矿深部采动巷道在高地应力作用 下极易发生非对称底鼓ꎬ应力及位移场分布向采空区一侧偏移ꎮ 关键词３ＤＥＣ 模拟软件ꎻ采动影响ꎻ高应力ꎻ非对称底鼓 中图分类号ＴＤ３５３ 文献标识码Ａ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２０１０􀆽 ０００８􀆽 ０４ Ｆａｉｌｕｒｅ Ｒｕｌｅ ｏｆ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｆｌｏｏｒ Ｈｅａｖｅ ｉｎ Ｚｈａｏｇｕ Ｎｏ. ２ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ＢＩ Ｐｅｎｇ１ꎬＷＥＩ Ｗｅｎ􀆽 ｓｈｅｎｇ２ １. Ｎｏ. ３ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｆｉｆｔｈ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ＣｏｍｐａｎｙꎬＸｕｚｈｏｕ ２２１００２ꎬＣｈｉｎａꎻ ２. Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏｍｐａｎｉｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｍｉｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ＢｅｉｊｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００８３ꎬＣｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｒｉｏｕｓ ｄａｍａｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｆｌｏｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｒｏａｄｗａｙ ｉｎ Ｚｈａｏｇｕ Ｎｏ. ２ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅꎬｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｃｋ ｒｏａｄｗａｙ ｏｆ １１０６０ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔꎬｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ３ＤＥＣ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄꎬａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｍｅａｓｕｒｅ￣ ｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｒｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄꎬｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ ｆｌｏｏｒ ｈｅａｖｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｆｏｒｍꎬｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｉｅｌｄ ｏｆ １１０６０ ｔｒａｃｋ ｒｏａｄｗａｙ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｍｉｎｉｎｇ ｓｔａｇｅ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｍｉｎｉｎｇ ｒｏａｄｗａｙ ｉｎ Ｚｈａｏｇｕ Ｎｏ. ２ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ｉｓ ｐｒｏｎｅ ｔｏ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｆｌｏｏｒ ｈｅａｖｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｉｅｌｄ ｄｅｖｉ￣ ａｔｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｏｆ ｍｉｎｅｄ － ｏｕｔ ａｒｅａ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ｇｒｏｕｎｄ ｓｔｒｅｓｓ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ３ＤＥＣ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅꎻｍｉｎｉｎｇ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅꎻｈｉｇｈ ｓｔｒｅｓｓꎻａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ ｆｌｏｏｒ ｈｅａｖｅ 我国深部矿井资源赋存丰富ꎬ尽管近些年煤矿 智能化无人化不断发展ꎬ但巷道仍是工人与设备在 井下重要的工作环境ꎬ因此研究深部巷道的稳定性 对保障矿井安全生产至关重要[１ －３]ꎮ 当载荷超过深 部巷道底板破坏强度时底板就会发生破坏ꎬ加之一 次巷道掘进使巷道周围应力发生变化ꎬ岩石处于破 坏阶段ꎬ在高应力的挤压作用下极易发生底鼓[４]ꎮ 武精科等[５]认为煤岩层赋存环境差、岩性差、强采动 高应力是发生非对称破坏的原因ꎬ提出了围岩结构 分级分区耦合支护关键技术ꎻ马念杰等[６]研究了围 岩偏应力场和塑性区分布规律ꎬ提出了“蝶”形非对 称破坏理论ꎻ陈上元等[７]认为巷道产生非对称变形 主要是采动影响使巷道围岩应力场大小和方向发生 改变导致的ꎮ 虽然众多学者对深部巷道底鼓破坏特 征研究较多ꎬ但多采用连续元 Ｆｌａｃ 进行研究ꎬ本文 采用最新离散元 ３ＤＥＣ 数值模拟软件及地质雷达监 测设备ꎬ研究了赵固二矿底板非破坏特征ꎬ确定了底 板破坏深度ꎬ对赵固二矿的安全生产具有重要意义ꎮ １ 工程概况 赵固二矿为焦作矿区的新建矿井ꎬ底板富水性 强ꎬ水压大ꎬ隔水层薄ꎬ威胁着工作面安全生产ꎮ １１０６０ 工作面轨道巷位于 １１０４１ 工作面西侧ꎬ１１０４１ 工作面主采二１煤层ꎬ煤层平均厚度约 ６. ５ ｍꎬ平均 倾角 ３ꎬ埋深 ７００ ｍ 左右ꎮ １１０６０ 工作面轨道巷受 １１０４１ 工作面采动影响ꎬ经常发生巷道大面积变形ꎬ 底鼓严重ꎬ影响矿井的安全生产和工人的生命安全ꎮ １１０４１ 工作面采掘平面如图 １ 所示ꎬ工作面顶底板 情况见表 １ꎮ ８ 试试验验研研究究 总第 ２５４ 期 图 １ １１０４１ 工作面采掘平面 表 １ １１０４１ 工作面顶底板情况 顶底板名称岩性特征平均厚度/ ｍ岩石名称 基本底 灰色ꎬ成分为石英ꎬ 含少量暗色矿物ꎬ分 选性 较 好ꎬ 泥 质 胶 结ꎮ ７.４６中、细粒砂岩 直接底 灰黑色ꎬ含植物化石 及菱铁质结核ꎮ ７.５４砂质泥岩 直接顶 灰黑色ꎬ含植物化石 及大量菱铁质结核ꎮ ６.０１砂质泥岩、泥岩 伪顶 黑色ꎬ局部炭砂质ꎬ 水平层理ꎬ植物化石 较多ꎮ ０.５泥岩 基本顶 深灰色ꎬ分选磨圆度 中等ꎬ含大量泥质条 带ꎬ泥硅质胶结ꎮ ５.７６大占砂岩 ２ 底板非对称底鼓破坏分析 ２. １ 非对称底鼓特征 图 ２ 为赵固二矿 １１０６０ 轨道巷采用防爆相机拍 摄的底鼓图ꎬ图 ３ 是经过专业处理后的地质雷达扫 描特征图ꎬ图 ３ 颜色的差异代表底板不同破坏特征ꎮ 对图 ２、图 ３ 的分析表明ꎬ１１０６０ 轨道巷在 １１０４１ 工 作面回采期间底板围岩变形破坏严重ꎬ需要大面积 挖底翻修作业ꎬ并且肉眼可见靠近采空区一侧的巷 道底板底鼓程度及最大破坏范围明显大于靠近实体 煤的一侧ꎬ赵固二矿深部 １１０６０ 采动巷道底鼓破坏 具有非对称性ꎬ底板最大裂隙发育深度为 ２０. ５ ｍꎮ ２. ２ 顶板对底板破坏影响 深部开采具有强扰动特性ꎬ工作面的强扰动性 必然会通过煤柱对底板产生一定影响[８]ꎬ主要表现 为工作面顶板的破坏触矸以力或者能量的方式传递 到底板ꎬ加大底板破坏深度及破坏宽度ꎬ底板受强扰 动破坏将会形成塑性屈服区、卸荷破坏区、卸荷扩展 区、触矸破坏区及峰前损伤区见图 ４ [９]ꎮ 深部开 采时各区的范围远大于浅部开采ꎬ深部开采强扰动 性产生的触矸也会进一步加大底板破坏范围ꎮ 极易 产生非对称破坏ꎮ 根据砌体梁理论、半无限体理论、滑移线理论可 以建立底板破坏力学模型如图 ５ 所示ꎬ可得出底板 最大破坏深度 Ｈｍａｘ [１０ －１１]计算公式为 Ｈｍａｘ＝ Ｌｓｉｎφ ２ｃｏｓ π ４ ＋ φ ２ ｅ π ４ ＋ φ ２ｔａｎθ １ 式中φ 为内摩擦角ꎬꎻＬ 为极限平衡区宽 度ꎬｍꎮ 依据现场实际地质情况及矿方资料知赵固二矿 １１０６０ 工作面轨道巷底板岩体内摩擦角为 ３６ꎬ极限 平衡区宽度 １８ ｍꎬ带入公式计算得底板最大破坏深 度为 ２１ ｍꎮ 图 ２ 赵固二矿 １１０６０ 轨道巷非对称底鼓特征 图 ３ 采动阶段下巷道地质雷达扫描特征 图 ４ 深部底板强扰动破坏分区 图 ５ 底板破坏力学模型 ９ ２０２０ 年 １０ 月 毕 鹏等赵固二矿非对称底鼓破坏规律研究 第 ２９ 卷第 １０ 期 ３ ３ＤＥＣ 数值模型建立及模拟方案 根据 １１０６０ 轨道巷顶底板地质情况及电脑硬件 限制建立 ３ＤＥＣ 数值模拟模型ꎬ模型尺寸为长 宽 高 ＝３３４. ８ ｍ ２ ｍ １５０ ｍꎬ模型岩层本构采用 Ｍｏｈｒ － Ｃｏｕｌｏｍｂ 模型ｃｏｎｓ ＝ １ꎬ节理裂隙采用库伦 滑移模型ｊｃｏｎｓ ＝ ２ꎬ上覆岩层载荷 １６. ４ ＭＰａꎮ 模 型的边界条件如图 ６ꎬ模型的岩层和力学参数如表 ２ 所示ꎮ 数值模拟方案模型建立平衡后先开挖 １１０６０ 轨道巷ꎬ平衡后保存掘进影响稳定阶段 ｓａｖ 文件ꎬ再 开挖 １１０４１ 工作面ꎬ充分开采后保存采动阶段巷道 底板 ｓａｖ 文件ꎬ进行对比分析研究ꎮ ４ ３ＤＥＣ 数值模拟分析 ４. １ 不同阶段下应力场对比分析 运用离散元数值模拟软件 ３ＤＥＣ 导出巷道在掘 进影响稳定阶段和采动影响阶段下垂直应力和偏应 力云图ꎬ如图 ７ 所示ꎮ 图 ６ 模型边界条件 表 ２ 煤岩体力学参数 岩性厚度/ ｍ密度/ ｋｇ􀅱ｍ－３ 体积模量/ ＧＰａ剪切模量/ ＧＰａ粘聚力/ ＭＰａ抗拉强度/ ＭＰａ内摩擦角/ 砂质泥岩８.５２ ５００１０. ４４４.５４５.３６２.６３６ 泥岩８.６２ ３５０８.８２５.０５５.２４１.５３２ 砂质泥岩６.７２ ５００１０. ４４４.５４５.３６２.６３６ 细粒砂岩２.０２ ６００７.６０６.５０１３４.５３５ 中粒砂岩６.８２ ７００８.６７５.６７８.５０１.７３５ 粗粒砂岩２.６２ ８００９.９７７.９７８.２０１.６３５ 细粒砂岩３.４２ ６００７.６０６.５０１３４.５３５ 泥岩５.５２ ３５０８.８２５.０５５.２４１.５３２ 细粒砂岩５.０２ ６００７.６０６.５０１３４.５３５ 泥岩１１.０２ ３５０８.８２５.０５５.２４１.５３２ 香炭砂岩５.８２ ７００５.６７５.６７８.５０１.７３５ 砂质泥岩８.１２ ５００１０. ４４４.５４５.３６２.６３６ 图 ７ 不同阶段巷道应力场对比 由图 ７ 可知ꎬ深部巷道在掘进影响稳定阶段和 采动阶段围岩应力场存在巨大差异ꎬ掘进影响稳定 阶段的巷道垂直应力、偏应力云图均呈现明显的以 巷道中心为中心的对称性ꎬ采动影响后ꎬ各应力场普 遍向煤柱一侧发生偏移ꎮ 巷道底鼓破坏严重ꎬ产生 非对称底鼓ꎮ 由图 ７ａ可知ꎬ掘进影响稳定阶段的巷道开挖 稳定后垂直应力场呈现规则的对称“Ｖ”型分布ꎬ最 大压应力和拉应力分别为 ３. ５０ １０７Ｐａ 和 １. ７２ １０６Ｐａꎬ低拉应力主要分布在巷道顶底板处ꎬ主要表 现为拉应力ꎬ以巷道中心向顶底板逐渐递增ꎬ并逐渐 表现为由拉伸破坏向剪切破坏变化ꎬ发生剪切破坏 高压应力主要集中在巷道两帮ꎬ并以巷道中心逐渐 向两帮侧递减ꎻ由图 ７ｂ可知ꎬ采动影响的巷道垂 直应力场呈现不规则的偏转“Ｖ”形分布ꎬ顶板应力 场向煤柱侧偏移ꎬ底板应力场向实体煤帮偏移ꎬ应力 场值整体增大ꎬ最大压应力和拉应力分别为 ９. ４０ １０７和 ２. ４１ １０６Ｐａꎬ压应力显著增大ꎬ增幅分别为 １６８. ６％和 ４０. １％ꎮ 压应力和拉应力区分布位置基 本不变ꎮ 岩土塑性力学认为[１２ －１３]ꎬ岩体的破坏是由偏应 力控制的ꎬ巷道塑性区的发展与偏应力场的演化密 切相关ꎬ由图 ７ｃ、ｄ可知ꎬ偏应力场分布规律与 垂直应力场基本一致ꎬ受采动影响深部巷道偏应力 值及分布区域显著增大ꎬ偏应力场向煤柱方“倾倒” ０１ ２０２０ 年 １０ 月 毕 鹏等赵固二矿非对称底鼓破坏规律研究 第 ２９ 卷第 １０ 期 严重ꎬ偏转角度达到 ４０ꎬ可明显看出采动对巷道煤 柱侧底板挤压作用ꎮ ４. ２ 不同阶段下位移场对比分析 运用离散元数值模拟软件 ３ＤＥＣ 导出巷道在掘 进影响稳定阶段和采动影响阶段下底鼓效果、垂直 位移云图ꎬ如图 ８ 所示ꎮ 图 ８ 不同阶段巷道位移场对比 由图 ８ 可知ꎬ深部巷道在掘进影响稳定阶段和 采动阶段围岩位移场存在巨大差异ꎬ掘进影响稳定 阶段的巷道垂直位移、水平位移云图均呈现明显的 以巷道中心为中心的对称性ꎬ采动影响后ꎬ巷道底鼓 效果明显ꎬ周围垂直值增大ꎬ位移场均匀分布被破 坏ꎮ 巷道非对称底鼓破坏严重ꎮ 由图 ８ｃ可知ꎬ掘进影响稳定阶段的巷道开挖 稳定后垂直位移场呈均匀上下对称“钟”型分布ꎬ顶 板岩层主要以负向位移即垮落剪切为主ꎬ巷道两帮 及底板主要以正位移即拉伸为主ꎬ并以巷道中心向 顶板和底板两侧变形量都逐渐减小ꎬ最大底鼓位于 巷道底板中心ꎬ底鼓量 ９. ４６ １０ －２ ｍꎬ最大垮落位 置位于顶板中心ꎬ最大垮落量为 ４. ７８ １０ －２ ｍꎻ由 图 ８ｄ可知受采动影响后ꎬ巷道位移场呈不均匀 “波浪”形ꎬ巷道周围垂直位移值普遍增大ꎬ尤其是 煤柱下底板及巷道靠近煤柱部分底板ꎬ煤柱侧底鼓 范围及底鼓量远大于实体煤一侧ꎬ最大底鼓处位于 距煤柱侧底板１. ８ ｍ 处ꎬ底鼓量达到５. ０９ １０ －１ ｍꎬ 增幅达到 ４３８％ꎮ ４. ３ 不同阶段下塑性区对比分析 运用离散元数值模拟软件 ３ＤＥＣ 导出巷道在掘 进影响稳定阶段和采动影响阶段下塑性区图ꎬ如图 ９ 所示ꎮ 由图 ９ 可知ꎬ深部巷道在掘进影响稳定阶 段和采动阶段塑性区分布存在巨大差异①采动阶 段巷道顶底板及两帮的塑性区破坏范围远大于掘进 影响稳定阶段ꎬ巷道左下角煤柱侧塑性区破坏范 围和深度远大于巷道右下角实体煤侧ꎻ②巷道底 板煤柱侧塑性破坏严重ꎬ破坏深度大ꎬ远大于实体煤 一侧ꎬ呈现非对称破坏ꎮ 图 ９ 不同阶段塑性区对比 ５ 结 语 １ 通过防爆相机和地质雷达实测发现赵固 二矿 １１０６０ 轨道巷在 １１０４１ 工作面回采期间底板围 岩变形破坏严重ꎬ巷道呈现非对称底鼓ꎮ ２ 深部开采具有强扰动特性ꎬ深部开采时底 板塑性屈服区、卸荷破坏区、卸荷扩展区、触矸破坏 区及峰前损伤区的范围远大于浅部开采ꎬ深部开采 强扰动性产生的触矸也会进一步加大底板破坏范 围ꎬ易产生非对称破坏ꎮ ３ ３ＤＥＣ 数值模拟表明ꎬ深部巷道在掘进影 响稳定阶段和采动阶段围岩应力场、位移场、塑性区 存在巨大差异ꎬ掘进影响稳定阶段的巷道垂直应力、 偏应力云图、垂直位移云图均呈现明显的以巷道中 心为中心的对称性ꎬ采动影响后ꎬ各应力及位移场普 遍向煤柱一侧发生偏移ꎬ巷道底鼓破坏更严重ꎬ产生 非对称底鼓ꎮ 参考文献 [１] 谢和平ꎬ彭苏萍ꎬ何满潮. 深部开采基础理论与工程实 践[Ｍ]. 北京科学出版社ꎬ２００６. 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