深部巷道围岩动静载荷变化特征的数值模拟研究

杨柱龙，臧传伟，谭云亮，李建政

(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266590)

随着我国煤矿开采深度的不断增加，冲击地压灾害越来越严重，已经成为制约我国矿山生产和安全的主要灾害之一［1－2］。

冲击地压是采场及巷道周围的煤岩体在高应力集中作用下，受外界扰动，向采掘空间突然、猛烈冲击。冲击地压不仅发生在推进的工作面现场，而且可能波及变形能释放范围的巷道、硐室，特别是存在高应力集中的空间部位［3－5］。冲击地压发生机理复杂，预防规律难寻，采用单一的监测方法和预防手段有很大的局限性。当前大多有冲击危险的矿井采用多种监测与预防的措施，一般缺乏针对性，甚至具有盲目性，不仅增加了防冲成本，也使问题更加复杂，不利于冲击地压的长期预防。

本文以某矿1410上平巷掘进面为例，通过对发生冲击地压掘进面的现场观测，采用数值模拟和理论分析的方法对该掘进面应力来源及加载方式进行了分析［6－8］，并以此为依据，科学合理地确定冲击地压防治措施。

1 工程概况

工作面位于－410m水平东二西4槽7平石门以里，上至9平石门二主坡及回采边界，下至算量边界;左至9平石门反坡，右至7平石门主坡。地面标高 +380～+500m，工作面标高 －345～－413m，上覆25m东二西4槽9平石门二主坡以上及5平石门上部正在回采。工作面位置关系见图1。该工作面煤层厚度2.9～4.5m，平均4.0 m，倾角32～43°，平均37°。该工作面上平巷掘进面发生一起1.2级冲击地压，摧毁巷道31m并造成大量设备损坏。巷道顶板坚硬，并且其上覆岩层砾岩坚硬整体性强，其断裂垮落对下部的煤岩体产生冲击载荷，是此次发生冲击地压的主要力源。

2 数值模拟

图1 工作面位置关系

以某矿1410工作面为工程背景，根据实际地质条件，运用FLAC3D数值模拟软件，采用摩尔－库伦模型，模型尺寸为60m×70m×60m(长×宽×高)，模型埋深为837m，施加20.1MPa的垂直应力，施加1.3倍的水平地应力，大小为26.1MPa。在数值模拟中运用FLAC3D动力分析部分［9］，动力分析过程包括静力计算和动力计算，其中静力计算是动力计算的基础。在进行动力分析之前要进行静力计算，获得振动施加前的初始应力状态。动力分析一般有4个阶段:确定模型满足波精确传播的条件;规定合适的机械阻尼;施加动力载荷与边界条件;设置模型动力响应的监测设施。

静力模拟部分模型z方向底面限制垂直方向位移，模型x，y方向限制水平移动。

动力模拟部分在模型底面设置静态边界，模拟采空区下部无限深区域;周边采用自由场边界，与底面的静态边界结合使模型区域置于一个半空间无限的自然地质体内，更接近工程实际。本文采用瑞利阻尼，设置瑞利阻尼必须选择临界阻尼比ξ和中心频率 f，临界阻尼比为 0.05，中心频率为22.7Hz。

围岩开挖时爆破动力、顶板断裂冲击波等类似动力扰动在数值模拟时可取载荷波形为谐波中的一段，其数学表达式为:

动力计算中采用图2所示的应力波，经多次对比分析不同扰动应力波峰值对冲击临界值的影响，最终确定扰动应力波峰值强度Pmax取30MPa，动载频率w取250Hz，动力持续时间t为30ms，动力波施加在巷道右侧模型上表面。

图2 应力波时程曲线

3 数值模拟结果分析

3.1 受静载时围岩最大主应力与弹性应变能分布

通过运用FLAC3D，Tecplot等软件模拟处理可知，巷道开挖后，静载作用下最大主应力与弹性应变能分布如图3～图5所示。从图3可以看出，巷道沿煤层倾斜方向，距巷道右帮6m处存在应力集中，最大主应力为32MPa，在巷道4m范围内存在卸压现象，应力小于15MPa;由于顶板较为坚硬，卸压范围小于在煤层中卸压范围，顶板岩层中最大主应力小于15MPa距离的为1.5m。从图3沿着煤层方向布置一条如图所示测线，监测巷道最大主应力曲线如图4所示，从图4中更清晰地看出沿着煤层方向在距离巷道大约6m处存在应力集中，最大应力值为32MPa，随后应力值降低至25MPa。

图3 巷道受静载时掘进面处最大主应力分布

图4 巷道受静载时帮部最大主应力曲线

图5为巷道受静载时弹性应变能密度曲线，从图中可以看出沿着煤层倾斜方向，距离巷道约6m范围内，煤层弹性应变能最大，弹性应变能最大值为275kJ/m3;在沿煤层倾斜方向巷道3m范围内弹性应变能降低，小于75kJ/m3;在顶底板岩层中弹性应变能密度约为100kJ/m3，远小于巷道沿煤层方向的弹性应变能，可见在煤层中冲击危险最为强烈。

图6为巷道前方支承压力分布云图，从图中可以看出:在巷道前方，巷道3m范围内支承压力降低至18MPa，巷道前方6m处存在应力峰值，应力值最大为32MPa;从图7巷道前方弹性应变能分布云图可以看出，巷道前方3m范围内弹性应变能降低至75kJ/m3，在巷道前方6m左帮处存在弹性应变能峰值，最大为250kJ/m3，与巷道掘进面处峰值相似。

图5 巷道受静载时弹性应变能密度曲线

图6 巷道前方支承压力分布

图7 巷道前方弹性应变能分布

3.2 受动载时围岩最大主应力与弹性应变能分布

在巷道右上方模型上边界施加动载，模拟上覆砾岩断裂垮落对下部的煤岩体产生的冲击载荷，分析动载影响下巷道围岩应力及弹性应变能积聚规律，扰动源施加位置如图8所示。

图8 扰动源施加位置

图9 应力随时间变化曲线

巷道受动力扰动时，沿煤层倾斜方向距巷道右帮6m处巷道最大应力值随时间变化曲线如图9所示。从图9可知，在13ms时巷道应力达到最大值45MPa，之后巷道应力值随着时间而波动。从图中可以看出巷道最大主应力随着动载增大而增大，随着动载减小而减小，之后趋于稳定。图10为在t=13ms时巷道掘进面处最大主应力分布情况，在图10上布置一条如图所示的测线，测得施加动载后巷道帮部应力扰动曲线如图11所示。由于巷道右上部受动力扰动，所以巷道沿着煤层倾斜方向，距离巷道右帮6m处存在应力峰值，最大主应力峰值为45MPa，与仅受静载时相比，应力峰值增大;而沿着煤层倾斜方向，巷道左帮最大主应力峰值为35MPa，应力值比静载时升高了3MPa。

图10 巷道受动载时掘进面处最大主应力分布

图11 巷道受动载时帮部最大主应力曲线

图12为巷道帮部受动载时弹性应变能密度曲线。从图12可以看出，由于受动载作用，在掘进面处巷道弹性应变能比静载时有明显的增大。由于巷道右上部受动载作用，沿煤层倾斜方向距巷道右帮6m处弹性应变能密度达到最大，最大值为365kJ/m3，比静载时弹性应变能密度增大约32%，而巷道左帮处弹性应变能密度为300kJ/m3，与静载时相比增大20%。

图12 巷道受动载时帮部弹性应变能密度曲线

图13为t=13ms时巷道前方支承压力分布，可以看出由于受到动载作用，巷道前方支承压力值增大，最大为35MPa，应力增大幅度小于掘进面处。图14为巷道前方弹性应变能分布云图，弹性应变能密度为250kJ/m3，由于巷道左帮受扰动较小，弹性应变能变化小，右帮相比静载时弹性应变能增大25%。总体来说，巷道前方支承压力值和弹性应变能密度与静载时相比有所增大，但是增大幅度小于掘进面。

图13 巷道前方支承压力分布

图14 巷道前方弹性应变能分布

4 结论

(1)通过数值模拟和理论分析可知，在1410上平巷开挖受静载过程中，应力集中距离巷道6m左右，最大主应力为32MPa，弹性应变能来源为巷道围岩系统静载荷，冲击临界值在静载作用下缓慢达到，受外界扰动易发生冲击地压。

(2)上覆砾岩断裂垮落产生能量诱发动载型冲击地压，弹性应变能密度最大值为365kJ/m3，比静载时弹性应变能密度增大32%。弹性应变能的来源既有巷道围岩近场系统内静载荷，又有巷道围岩远场系统外动载荷，静载使煤岩体处于准静态平衡状态，通过外界动载的剧烈扰动瞬间达到冲击临界值，并释放大量弹性应变能而诱发冲击地压。在监测和防治设计方案中要采取动静载荷相结合的措施，针对本文情况建议采用顶板预注水和深孔断顶爆破技术，弱化顶板结构，减弱能量积聚能力。

［1］齐庆新，窦林名.冲击地压理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008.

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