基于UDEC Trigon模型分析采动对深部巷道的破坏机理

陈小林，岳 鑫，马嘉伟

(1.山西焦煤集团 正利煤业有限公司， 山西 吕梁 033500； 2.中国矿业大学 矿业工程学院, 江苏 徐州 221116)

我国煤矿主要以井工矿为主，每年需要掘进各类井下巷道约12 000 km[1]，巷道承担着煤炭开采工作中设备物料运输、人员进出和通风等主要作用。因此，维护巷道稳定是煤矿安全高效开采的重要保证。

深部巷道由于岩层赋存条件和地应力的改变，巷道支护一直是专家和学者们探究的热点问题[2-4]. 受采动影响的深部巷道，其围岩控制遇到的问题则更是严重[5,6]. 左宇军等[7,8]分析了动力扰动对深部岩巷破坏过程的影响，从细观角度分析了不同深度或受不同静压力的岩石巷道在动力扰动下的破坏规律。朱万成等[9]运用数值软件系统RFPA，模拟分析了动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的机理，提出动态扰动诱发的损伤区是采动情况下巷道破坏的主要原因。陈登红[10]等采用真三轴相似模拟方法，模拟了不同加载梯度下巷道围岩应变特征，当采动应力集中系数大于2时，深埋巷道围岩应变进入非线性大应变状态。

本文基于UDEC Trigon模型，分析巷道在经历初次开掘、上工作面采动影响、本工作面采动影响的相互叠加作用下，巷道的破坏机理。

1 工程背景

山西焦煤集团岚县正利煤业14103工作面位于宁武煤田东南部，矿井为立井开拓方式，布置一个开采水平，+593 m水平。矿井断层发育规模小，不影响采区合理划分及工作面的推进，对煤层开采无影响，未揭露陷落柱及岩浆岩，构造属简单类。巷道所在煤层为4#煤层，其顶底板岩性及其弹性模量、单轴抗压强度见图1. 14103工作面轨道顺槽要求服务至14103工作面回采结束，见图2，顺槽在服务期间除了受巷道开挖对其本身的影响之外，还受上工作面(14102工作面)和本工作面的两次采动影响，分别为14102工作面采动过程中产生的侧向支承压力和本工作面推进过程产生的超前支承压力[11]，这三者对轨道顺槽两帮产生较大的破坏作用，致使其变形严重。

图1 巷道所在煤岩层力学特征图

图2 工作面布置图

轨道顺槽的支护方式：锚杆+金属网/塑料网+钢筋梯子梁联合支护。其中，顶板和两帮锚杆选用规格为d20 mm×L2 200 mm的高强度螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，锚固方式为全长锚固，见图3.

图3 14103工作面轨道顺槽支护图

2 离散元数值模拟

针对14103工作面轨道顺槽实际情况，选用离散元数值模拟软件对上下工作面回采过程中采动应力对顺槽的影响建立数值模型进行分析。

2.1 UDEC Trigon 模型简介

UDEC Trigon模型是由Gao F Q等[12]基于UDEC多边形随机模型提出的一种更符合实际情况的数值模型。在UDEC Trigon模型中，岩石或者岩体被随机划分为一系列的三角形块体，它们之间通过接触面连接，块体被视为弹性体，模型沿着接触面有两种破坏形式，分别为拉伸破坏、剪切破坏[13].

将库仑摩擦定律应用于三角形块体。块体的力学关系为：

Δσn=-knΔun

(1)

式中，Δσn为法向应力有效增量；Δun为法向位移有效增量；kn为法向刚度。

在切向上，块体的力学关系为：

|τs|≤C+σntanφ=τmax

(2)

(3)

或者

|τs|≥τmax

(4)

τs=sign(Δus)τmax

(5)

2.2 模型建立

基于工程背景，建立14103工作面轨道顺槽的UDEC Trigon模型，见图4. 为了计算效率最大化，在顺槽周边一定范围内的块体划分成三角形，块体平均大小为0.2 m，考虑到计算的精确性，防止块体突然增大导致计算结果误差增大，块体随着与顺槽中心距离的增大而逐渐增大，在远离巷道范围内的块体被划分为0.5～4 m的矩形块体。顺槽左边是14102工作面，右边是14103工作面。

图4 数值计算模型图

2.3 煤岩力学参数

14104工作面轨道顺槽顶底板岩层的单轴抗压强度和弹性模量见表1，数据是通过制作成标准试件(d50 mm×L100 mm)实验室测量而得来，RQD值通过钻孔窥视测得。

表1 煤岩块-煤岩体转换后力学参数表

运用学者们总结归纳出的计算方法首先将实验室测得的煤岩样块力学参数转化为岩体的力学参数。

弹性模量转化运用RQD值来计算[14]，计算公式为式(6)；在获得岩体弹性模量的基础上，运用经验法获得岩体的抗压强度[15]，计算公式为式(7)；基于抗压强度，再利用估算的方法，得到岩体的抗拉强度，其计算公式为式(8).

(6)

(7)

(8)

式中,Em为岩体的弹性模量,GPa;Er为岩块的弹性模量,GPa;RQD值在煤岩块现场取芯时得到。σcj为岩体的抗压强度,MPa;σci为岩块的单轴抗压强度,MPa. 令n=1/Gradient，n的值在岩体不同的破坏形式时取值不同，其中，劈裂和剪切为0.56，滑动为0.66，旋转为0.72，平均值为0.63，由于岩体破坏形式复杂多变，此处取平均值0.63;σti为岩体抗拉强度，MPa；σcj为岩体抗压强度,MPa.

利用UDEC Trigon模型进行单轴压缩实验,校验测得的煤岩参数值,见表2，单轴压缩实验模型图见图5，为避免网格大小带来的实验误差，其网格划分大小与模型中的网格大小一致。

图5 煤岩力学参数校验模型图

表2 煤岩力学参数校正表

2.4 地应力大小与模型开挖顺序

根据14102工作面综合柱状，回采巷道埋深约620 m，取平均体积力为27 kN/m3，减去煤层上方模型的高度20 m，故在模型上方施加大小为16.2 MPa的垂直应力，模型的左右两侧采用水平位移固定，底边垂直位移固定。在4-1#和4#煤层中各铺设一条水平测线，在顺槽四周设置8个测点，其中，顺槽两帮的测点用来测帮部的水平位移与垂直应力，顺槽顶底板的测点用来测垂直位移与垂直应力。

1) 开挖14103工作面轨道顺槽：在地应力平衡之后，通过删除块体的方式将顺槽开挖出来，并立即进行支护，再进行平衡计算，巷道变形见图6a).

2) 开挖14102工作面：14102工作面属于上工作面，每10 m为一个计算步距，每次开挖计算平衡后计算下一步，共计算80 m，巷道变形见图6b).

3) 开挖14103工作面：14103工作面属于本工作面，起开挖方式与14102工作面一致，巷道变形见图6c).

图6 不同阶段轨道顺槽变形情况图

3 巷道破坏机理分析

图6显示了不同阶段巷道的变形情况，可以看出，巷道开掘之后，围岩变形较小，巷道两帮产生少许裂隙，而在14102和14103工作面回采结束后，巷道右帮产生严重的变形，14103工作面回采结束后巷道四周变形量见图7.

图7 巷道四周变形量曲线图

由图7可以看出，巷道顶底板的垂直应力转移较小，而巷道左帮的垂直应力值高达约80 MPa，右帮接近100 MPa. 由于巷道两帮都是煤体，其抗压强度为7 MPa以下，故可以判断巷道两帮的煤体处于已被破坏状态。

3.1 采动应力分布规律

采动对巷道变形产生很大影响，从采动应力的角度分析对巷道的影响。巷道周围岩层在不同阶段的垂直应力云图见图8. 在巷道掘出后，两帮应力增大至约20 MPa，巷道顶底板应力减小至原岩应力以下。14102工作面回采带来的侧向支承压力导致巷道两帮应力显著增大至60 MPa左右，而14103工作面采动形成的超前支承压力与14102工作面的侧向压力叠加导致巷道两帮的应力增大至约80 MPa，应力集中系数达到4.7.

图8 不同阶段巷道围岩垂直应力分布图

3.2 采动裂隙演化规律

不同采动阶段巷道四周的裂隙发育情况和锚杆的变形情况见图9. 巷道掘出并及时支护后，在巷道两帮的浅部产生少量裂隙，锚杆未产生大的变形，说明未受采动应力影响时，现有巷道的支护是合理的。14102工作面回采带来的侧向支承压力导致巷道两帮的裂隙向深部发育，左部分块体产生较大位移，导致锚杆产生较大变形，并且巷道底板的裂隙也逐渐向深部发育，导致底板鼔起。而14103工作面回采带来的工作面前方超前支承压力导致巷道右帮大变形，块体离散，位移显著增大，底板鼔起量进一步增大，两帮的锚杆弯曲变形严重，对巷道两帮的浅部煤体几乎失去约束作用。这说明采动应力的叠加导致岩体发生破坏，进一步带来锚杆的实效，导致巷道支护体系被破坏，巷道变形严重。

图9 不同阶段巷道围岩裂隙演化规律图

4 结 论

通过现场调研、实验室实验、数值模拟等方法，对正利煤业深部巷道受本巷道掘进影响和上工作面、本工作面产生的采动影响导致的破坏机理进行研究，主要得到以下结论：

1) 结合实验室实验和其他学者的研究总结，求出了4#煤系煤岩体的力学参数。

2) 巷道在服务期间共经历3次扰动，分别是巷道掘进、上工作面回采和本工作面回采，在本工作面回采时巷道帮部所受垂直应力高达100 MPa，应力集中系数达到4.7.

3) 高应力导致煤岩体发生破坏，岩块产生大量的裂隙，锚杆弯曲变形，巷道破坏。