顶板性质对动载传播规律影响的模拟研究

马 鹏，余伊河，徐华君，陈建君，何 江，2

（1．中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221008；2．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008）

·试验研究·

顶板性质对动载传播规律影响的模拟研究

马 鹏1，余伊河1，徐华君1，陈建君1，何 江1，2

（1．中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221008；2．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008）

煤矿动载扰动易诱发巷道冲击破坏，为研究巷道顶板岩层性质对动载诱发巷道冲击破坏的影响，运用FLAC2D软件中的动态模块，研究分析了不同岩性的顶板下，震动波在巷道顶板传播的速度、位移和加速度的变化规律以及震动波引发的巷道顶、底板和左、右帮位移的变化规律，并对规律进行分析和解释，为预防冲击矿压提出了技术措施。研究表明：震动波在顶板岩层中传播时，随着传播距离的增大，震动波引起的顶板岩层质点的速度、位移和加速度以幂函数的形式进行衰减。在传播距离相同时，顶板岩层岩性越弱，震动波引起的顶板质点的速度、位移和加速度越大；动力扰动发生在巷道上方一侧，巷道顶板和靠近动力扰动一侧的巷帮和顶板比远离动力扰动的巷帮和底板更易发生冲击矿压。

动载；冲击矿压；顶板性质；巷道；传播距离

掘进爆破引发的动力扰动是煤矿开采过程中的常见矿震现象，常导致巷道和围岩失稳，严重情况下可诱发冲击矿压等动力灾害［1］。

目前，在煤矿动载诱发冲击矿压的研究方面，陈国祥，窦林名等［2］探讨了扰动波在不同加载水平和频率等影响下，从巷道一侧上方传入时，内、外帮围岩的应力和塑性区动态相应变化情况；高明仕，张农等［3］模拟了不同震源距和能量对坚硬顶板厚煤层巷道围岩冲击速度、位移量的影响情况，模拟了巷道破裂垮冒过程；高明仕，窦林名等［4］在地面不同场地介质进行微震实验，利用TDS-6微震信号数据采集系统，分析了不同场地介质下震动波传播能量衰减的差别；张晓春，卢爱红等［5］针对片帮型冲击矿压，模拟研究了应力波对于巷道围岩层裂结构形成的影响；牟宗龙，窦林名等［6-7］通过数值模拟和实验研究了顶板岩层特性对于冲击矿压危险性的影响。

然而，相关研究表明［1］，冲击矿压常发生在动力扰动阶段。根据统计资料，煤矿开采过程中，约有72．6%的冲击矿压发生在巷道。研究煤矿动载对巷道的作用规律，对于防治动载诱发的冲击矿压灾害具有重要意义。

本文则针对顶板性质对于动载传播规律的影响进行数值模拟，探讨分析了震动波在不同岩性的顶板中的传播规律以及对于巷道顶、底板和左、右帮位移的影响，为减少顶板岩层性质对于动载诱发巷道冲击矿压提供了依据。

1 数值计算模型

根据某煤矿现场的实际地质条件，利用岩土工程通用模拟软件FLAC2D建立模型，采用软件中的Dynamic模块模拟动力扰动过程。模型分成3层，分别为顶板、煤层和底板。模型的尺寸为150 m×125 m，巷道尺寸为5 m×4 m，顶板厚为60 m，煤层厚为5 m，底板厚为60 m，见图1，其中模型的物理力学特性参数见表1。

图1 模型结构及尺寸示意图

表1 模型的物理力学特性参数表

采用摩尔-库仑准则，模型两侧边界设为水平简支约束，下部边界为固支约束，上部边界根据埋深施加均布载荷，模拟埋深800 m，模型上边界均布载荷12．5 MPa。在动力分析中，根据煤矿动载特征设置一脉冲荷载，分析震动波的传播规律及其对巷道破坏的影响，震动波以半正弦波加载在巷道一侧的上部边界，具体见图2。

图2 数值计算模型

由图2可知，1～10号点是选取的震动波传播到巷道路径上的10个记录点，相邻两个记录点的距离为7 m，A、C分别是巷道左右两帮的记录点，B、D分别是巷道顶、底板的记录点。

2 数值计算方案

模型上部边界加载垂直应力12．5 MPa，动载强度Pmax为50 MPa，频率是10 Hz，改变顶板岩层性质，顶板性质是细砂岩、粗砂岩、黏土粉沙岩、黏土岩、碳质泥岩，从细砂岩到碳质泥岩，顶板岩性是在不断减弱的，5种岩层的详细物理力学参数见表2，分别模拟震动波在这五种顶板中的传播，记录1～10号点位移、速度、加速度的变化以及巷道左、右两帮A、C和顶、底板B、D位移的变化。

表2 不同顶板的物理力学特性参数表

3 模拟结果及分析

在不同岩性的顶板中，均匀分布在震动波加载位置与巷道之间的1～10号记录点在加载过程中所记录的Yvel、Ydisp、Yaccel最大值与传播距离之间的关系见图3，4，5。

图3 不同顶板岩性条件下Yvel的传播变化

图4 不同顶板岩性条件下Ydisp的传播变化

图5 不同顶板岩性条件下的Yaccel传播变化

由图3～图5可知：

1）在动载强度、频率、顶板岩层性质相同时，震动波引起的顶板岩层质点的Yvel、Ydisp、Yaccel随着传播距离的增加而减小，在靠近震动波加载位置的一段距离内，随着传播距离的增加，顶板岩层质点的Yvel、Ydisp、Yaccel呈明显减小趋势，而在传播距离大于某一临界值之后，三者随传播距离的变化趋于平缓，整条变化曲线近似于幂函数曲线。

2）动载强度和频率相同，在相同传播距离条件下，震动波引起的顶板岩层质点的Yvel、Ydisp、Yaccel因顶板岩性的不同而产生差异，具体表现为：顶板岩性越弱，震动波引起的顶板岩层质点的Yvel、Ydisp、Yaccel越大。

3）位移是累积量，故只表现出震动能量随传播距离而衰减的幂函数曲线；速度与加速度是瞬时量，在表现出震动能量随传播距离而衰减的幂函数曲线的同时，在局部还受到震动波随时间变化的影响，在小范围内呈一定的正弦波动曲线。

在不同岩性的顶板中，巷道顶、底板与左、右帮在受到震动波持续影响过程中在某一时间点所积累的位移变形量与顶板岩性之间的关系见图6。

图6 不同顶板岩性条件下巷帮速度变化

由图6可知，在动载强度、频率和顶板岩层性质相同的情况下，巷道顶板和靠近震动波一侧的右帮的位移始终分别比底板和左帮大，表明巷道顶板和右帮比底板和左帮更易发生冲击矿压。

4 顶板岩层性质对震动波的传播及其变形分析

根据模拟结果分析可知，震动波在顶板岩层中传播时，是以幂函数形式进行衰减的。动载强度和频率相同时，震动波在顶板岩层中传播时，在软弱顶板岩层中传播产生的顶板岩层质点的速度、位移和加速度大于震动波在坚硬顶板岩层中传播产生的顶板岩层质点的速度、位移和加速度，所以由能量守恒定律可知，震动波能量在软弱岩层中衰减程度更为明显。对于坚硬岩层，一方面，由于震动波能量在坚硬岩层中的衰减程度小于在软弱岩层中衰减程度，因而在震动波传播到巷道围岩处时，还保留着相对较多的能量；另一方面，巷道坚硬顶板也更容易积聚能量，当传播到巷道围岩处的震动波与之前由于巷道开挖引起的巷道围岩重新分布的应力场叠加，导致围岩内部应力急剧升高至超过围岩强度极限时，就会使能量在短时间内突然释放，从而造成巷道围岩瞬间冲击破坏。因此，对于顶板较为坚硬的巷道，提前对巷道顶板进行预裂弱化对预防冲击矿压是很有必要的。

当巷道受到上方靠近右帮的动力扰动影响时，巷道顶、底板与左、右帮的动力响应是有差异的。相对于巷道底板和左帮，震动波引起的巷道顶板和右帮的位移更大。因为当来自于巷道上方靠近右帮一侧的震动波传播到巷道时，震动波在空气和围岩的分界面发生反射与原有围岩应力相互叠加造成应力升高，而底板和左帮侧的震动波则有很大一部分被提前反射造成只有小部分震动波传播到左帮或底板，所以相比较巷道底板和左帮，巷道顶板和右帮位移更大，冲击危险性更大。在生产实践中，应该加强对巷道顶板和靠近震动波一侧的巷帮的冲击危险性监测和防突解危工程的施工。如果条件允许，可以考虑在震动波向巷道传播路径上开挖一条保护巷道，阻隔部分震动波，减少巷帮位移，从而降低冲击危险性。

5 结 论

本文探讨了在不同岩性的顶板下，震动波在煤层巷道顶板中的传播规律，分析了震动波对于巷道顶、底板和左、右两帮的位移的影响，研究得出以下结论：

1）动力扰动所引起顶板岩层质点的速度、位移和加速度随传播距离增大以幂函数的形式衰减。

2）在相同传播距离的条件下，巷道顶板岩性越弱，动力扰动所引起顶板岩层质点的速度、位移和加速度越大，震动波能量衰减得也越快。

3）巷道空间对于震动波的传播具有“阻碍”作用，当动力扰动从巷道上方传来时，巷道顶板和靠近动力扰动一侧的巷帮比底板和远离动力扰动的巷帮更易发生冲击矿压。

［1］ 左宇军，唐春安．深部岩巷在动力扰动下的破坏机理分析［J］．煤炭学报，2006，31（6）：742-746．

［2］ 陈国祥，窦林名．动力扰动对回采巷道冲击危险的数值模拟［J］．采矿与安全工程学报，2009，26（2）：154-157．

［3］ 高明仕，张 农，窦林名，等．影响巷道冲击矿压破坏的关键因素及破坏过程的模拟研究［G］／／煤炭开采新理论与新技术—中国煤炭学会开采专业委员会2006年学术年会论文集．徐州：中国矿业大学，2006：24．

［4］ 高明仕，窦林名，张 农，等．岩土介质中冲击震动波传播规律的微震实验研究［J］．岩石力学与工程学报，2007，26（7）：1365-1371．

［5］ 张晓春，卢爱红，王军强．动力扰动导致巷道围岩层裂结构及冲击矿压的数值模拟［J］．岩石力学与工程学报，2006，25（增1）：3111-3114．

［6］ 牟宗龙，窦林名．顶板岩层对冲击矿压的影响规律研究［J］．中国矿业大学学报，2010，39（1）：40-44．

［7］ 牟宗龙，窦林名．顶板岩层特性对煤体冲击影响的数值模拟［J］．采矿与安全工程学报，2009，26（1）：25-30．

Numerical Simulation of Properties of the Roof Affecting Dynam ic Disturbance Propagation Law

Ma Peng，Yu Yi-he，Xu Hua-jun，He Jiang

Dynamic disturbances can lead to rock burst in coal mining．In order to study on the influence of the properties of the roof on rock burst risk in roadway，by using the dynamic module of FLAC2D program，studied and analyzed under the roof of different lithology the vibration wave variation law of velocity，displacement and acceleration in the roadway roof propagation and the variation law of the roof，floor and sides displacement in the roadway caused by vibration wave．The variation law was analyzed and explained．Technical measures for the prevention of rock burst are provided．The result indicates that when the vibration wave propagated in the roof strata，as the propagation distance increased，the velocity，displacement and acceleration on the roof strata particle caused by vibration wave in the form of power function declined．With the same propagation distance，the lithology of the roof is weaker，the velocity，displacement and acceleration on the roof particle caused by vibration wave is larger．The dynamic disturbance happens at the upper part of one side of roadway，rock burst is easier to happen at the roof and the side near the dynamic disturbance of the roadway．

Dynamic disturbances；Rock burst；Properties of the roof；Roadway；Propagation distance

TD315+．3

B

1672-0652（2013）10-0011-04

2013-07-02

中央高校基本科研业务费专项资金资助（2012DXS02）

马 鹏（1991—），男，陕西延安人，2011级中国矿业大学在读本科生，主要从事巷道支护、冲击矿压等方向的研究（E-mail）cumt_mapeng＠163．com