深部巷道爆破卸壓圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)研究

陳崇惠

山西焦煤西山煤電馬蘭礦 山西 太原 030200

隨著我國煤礦開采年限的不斷增加，煤炭資源覆存越來越少，我國雖然提出清潔能源代替化石能源的口號，但考慮到我國清潔能源的發(fā)展程度，在未來很久的一段時間內(nèi)，煤炭資源的開采仍是我國面臨的主要問題。目前我國煤礦開采從淺埋深煤層逐步向著深部轉(zhuǎn)移。在進行深部煤層開采過程中，覆巖除了承擔(dān)比淺部煤層更高的自重應(yīng)力外，其初始應(yīng)力也有了較大幅度的增大，復(fù)雜的地應(yīng)力對巷道圍巖穩(wěn)定性影響十分嚴(yán)重[1]。同時礦山開采活動使得圍巖中應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力重新分布導(dǎo)致在巷道形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中過大時巷道發(fā)生失穩(wěn)問題，因此對深部巷道穩(wěn)定性進行研究十分重要[2]。本文對深部巷道卸壓爆破技術(shù)進行分析，對爆破作用下的圍巖變形及能量分別進行研究，為深部巷道支護設(shè)計提供一定的指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型建立

隨著開采活動向著深部發(fā)展，此時地下工程受到的地應(yīng)力不斷提高，與此同時開挖使得應(yīng)力集中突出，此時巷道產(chǎn)生變形，一旦變形超過圍巖支護承載上限值后，巷道發(fā)生失穩(wěn)破壞。目前來說常見的破壞失穩(wěn)可分為如下5個類型：（1）巷道局部出現(xiàn)落石失穩(wěn)破壞；（2）圍巖受到拉裂折斷破壞；（3）剪切復(fù)合破壞形式；（4）巖爆破壞失穩(wěn)；（5）潮解膨脹破壞。深部巷道爆破卸壓技術(shù)主要是通過巖層爆破，切斷力的傳遞，從而消除巷道應(yīng)力集中 現(xiàn)象，維護巷道穩(wěn)定性的一種方法。對深部巷道圍巖爆破卸壓進行技術(shù)進行數(shù)值模擬研究，首先進行模型的建立。

利用A N S Y S 有限元軟件對模型進行建立， 建立模型的尺寸為長× 寬× 高為12.1m×1.5m×23.5m，巷道的斷面形式為馬蹄形，巷道斷面尺寸設(shè)定為4.2m×3.5m。對模型進行網(wǎng)格劃分，在進行網(wǎng)格劃分時充分考慮計算時間及計算精度，在巷道范圍1m范圍內(nèi)進行網(wǎng)格的細(xì)劃分，在距離巷道較遠(yuǎn)的位置進行模型粗劃分，完成模型劃分后共計434790個單元和456475個節(jié)點。對模型進行約束條件劃分，在模型的左右及下端部施加固定約束，限制其X、Y、Z方向的位置，巷道設(shè)定為自由邊界。對模型上端及左右邊界施加初始地應(yīng)力。根據(jù)地質(zhì)情況，模型埋深800m，施加在巷道垂直及水平方向的應(yīng)力分別為垂直方向22MPa，水平最大及水平最小主應(yīng)力分別為35MPa和20MPa。模型采用庫倫摩爾模型為本構(gòu)模型，對模型進行參數(shù)設(shè)定，圍巖密度為2635kg/m3，彈性模量為40.08GPa，粘聚力為42.87MPa，泊松比為0.24，內(nèi)摩擦角為40°，抗壓和抗拉強度分別為97MPa和16.5MPa，完成模型的建立。

2 模擬計算

對模型進行計算，得出巷道開挖后巷道圍巖切向應(yīng)力及最大主應(yīng)力的分布云圖如1所示。

從圖1中可以看出，在進行開挖后此時的地應(yīng)力重分布，整體在云圖中呈現(xiàn)對稱分布的特征，對稱軸為巷道垂直方向的中軸線，同時在巷道開挖面的附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在巷道的頂板及底角位置，在巷道頂板垂直應(yīng)力分布云圖中可以看出在巷道的頂板位置應(yīng)力峰值為59.1MPa，在巷道的底角位置出現(xiàn)應(yīng)力最大值，此時的應(yīng)力峰值為129MPa。巷道切向應(yīng)力分布云圖中可以看出在巷道的頂板位置應(yīng)力值為30.1MPa，在巷道的底角位置出現(xiàn)應(yīng)力最大值，此時的應(yīng)力峰值為51.6MPa。根據(jù)深部巷道應(yīng)力云圖可以看出，在巷道的頂板及底角位置應(yīng)當(dāng)進行及時的支護，避免由于底角及頂板的變形造成巷道失穩(wěn)現(xiàn)象。

圖1 巷道圍巖切向應(yīng)力及最大主應(yīng)力的分布云圖

對深部巷道圍巖的巖爆傾向性進行研究，根據(jù)試驗資料已知圍巖的單軸抗壓和單軸抗拉強度分別為97.53Mpa和16.46Mpa。模擬巷道周圍彈性應(yīng)變密度分布情況，模擬云圖如2所示。

從圖2中可以看出，巷道周圍彈性應(yīng)變密度分布同樣呈現(xiàn)對稱趨勢，對稱軸仍為巷道的軸向?qū)ΨQ軸，根據(jù)巖爆能量判據(jù)可知，當(dāng)巷道圍巖內(nèi)的彈性能密度超過1×105×Jm3時，巷道圍巖就有發(fā)生巖爆破壞的傾向。根據(jù)云圖顯示的圍巖彈性應(yīng)變能分布情況可以看出，在巷道的圍巖的頂板和底板附近彈性應(yīng)變能密度分布大于1×105×Jm3，在此位置有巖爆破壞的傾向，所以需要對其進行及時的卸壓，保證巷道穩(wěn)定性。

圖2 巷道周圍彈性應(yīng)變密度分布

對不同爆破卸壓孔深度對巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響進行研究，分別模擬爆破深度為3m、4m、5m、8m下的巷道圍巖最大主應(yīng)力情況，將模擬結(jié)果匯總?cè)鐖D3所示。

圖3 不同爆破卸壓孔深度對巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)

從圖3可以看出，當(dāng)炮孔深度 L為3m、4m 和5m 時，此時的爆破卸壓破碎帶下圍巖最大主應(yīng)力峰值走勢幾乎相同，而當(dāng)炮孔深度為8m 時，此時的圍巖中的應(yīng)力分布與其余三種炮孔深度下存在一定的差距。對巷道底腳 的最大主應(yīng)力峰值進行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)炮孔深度為3m時，此時的最大主應(yīng)力峰值為83.28Mpa，當(dāng)炮孔深度為4m時，此時的最大主應(yīng)力峰值為87.81Mpa，當(dāng)炮孔深度為5m時，此時的最大主應(yīng)力峰值為86.03Mpa，而當(dāng)炮孔深度為8m時，此時的最大主應(yīng)力峰值為和115.28Mpa，巷道頂板處的最大主應(yīng)力峰值分別為27.94Mpa、30.52Mpa、32.38Mpa、50.15Mpa?？梢钥闯?，巷道開挖面上應(yīng)力峰值隨著炮孔深度增長而增長，當(dāng)炮孔深度為 3m - 5m 時，卸壓效果差距不是很大，而當(dāng)炮孔深度達(dá)到8m 時，卸壓效果有了大幅度增加。

對不同炮孔深度下的巷道洞壁位移進行對比分析，研究卸壓爆破炮孔深度對深埋巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

巷道頂板及底板移近量隨著爆破卸壓孔深的增加呈現(xiàn)增加的趨勢，在巷道垂直方向中軸線的位置出現(xiàn)巷道頂板底板移近量的最大值，當(dāng)爆破孔的深度分別為3m、4m、5m、8m時，頂?shù)装逡平孔畲笾捣謩e為13.16mm、13.27mm、13.79mm、16.58mm，炮孔深度3m 到 5m 之間時，頂?shù)装逡平坎罹嗖淮蟆＞C上所述，隨著炮孔深度的加大，在巷道開挖面上圍巖的應(yīng)力大小逐漸增加，同樣的巷道圍巖的變形位移同樣呈現(xiàn)增長增長趨勢，穩(wěn)定性下降。

3 結(jié)論

（1）在進行開挖后此時的地應(yīng)力重分布，巷道開挖面的附近出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在巷道的頂板及底角位置。

（2）經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)，在巷道頂板及底角位置有巖爆破壞的傾向，所以需要對其進行及時的卸壓，保證巷道穩(wěn)定性。

（3）對不同爆破卸壓孔深度對巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)及頂?shù)装逡平窟M行分析，隨著炮孔深度的加大，在巷道開挖面上圍巖的應(yīng)力大小逐漸增加，同樣的巷道圍巖的變形位移同樣呈現(xiàn)增長增長趨勢。