矩形巷道岩爆危险性受侧压系数的影响研究

茹锐锋，于雁武，贾康辉，赵浩冬，郭 远，常 皓

(1.中北大学 环境与安全工程学院，山西 太原 030051；2.中国人民解放军32382部队，北京 100072)

0 引 言

岩爆是一种发生在洞室围岩的具有突发性的、猛烈的脆性破坏现象，它是由于高地应力地区洞室开挖后局部应力集中而导致的[1]，其随机性、缓慢性、突发性等特点会对生产安全和工程可靠性造成负面影响，严重影响矿山的正常生产[2-4].

关于岩爆的预测问题，国内外研究主要集中于圆形及拱形巷道，因为这种巷道的截面形状规则，便于分析[5-8].但在实际工作中，矿山巷道的断面大多数为拱形、矩形及梯形，其中矩形巷道因具有开挖支护便利的特点以及对于回采工作面的快速推进有促进作用而得到广泛使用[9].然而，目前对于矩形巷道的研究多围绕围岩松动及变形展开，忽略了围岩应力集中带来的岩爆危险性[10-12].

王学滨等[13]针对圆形巷道在不同侧压系数条件下的岩爆过程进行模拟，得出不同侧压系数造成的岩爆破坏区域有所不同.本文参照其研究方法，尝试将岩爆的概念引入矩形巷道的研究中.利用FLAC3D软件建立矩形巷道模型，分析不同侧压系数条件下巷道围岩应力状态及位移量变化，为岩爆的预测提供依据.将分析结果代入岩爆判据中，判断可能发生岩爆的危险部位，并得出岩爆等级及最安全侧压条件.

1 岩爆数值模拟

岩体在地下所受到的应力在水平方向与垂直方向并不是处处相等的.根据世界范围内统计的116个现场资料，埋深超过1 000 m时，垂直应力为水平应力的0.5倍～2倍[14].根据前期研究结果，侧压系数k(水平应力与垂直应力的比值)对巷道围岩的破坏形式、应力分布等方面有重要的影响[15-17].因此，本文选取埋深为1 000 m的矩形巷道，探讨侧压系数分别为0.5，1，1.5时对岩爆变化趋势的影响.

1.1 计算模型及本构关系

模型尺寸为宽×厚×高=20 m×20 m×20 m，其中顶底板岩层为石灰岩，中间部分为煤层.矩形巷道的断面尺寸为4 m×3 m.模型四周为水平约束，底部固定，上部为自由面.巷道围岩体采用摩尔-库仑弹塑性模型，计算模型及网格划分见图1，模型共划分为256 000个单元.

图1 计算模型

1.2 参数设定

在模拟过程中，最合适的开挖步长为1.5 m，这也是结合实际条件得出的，由于受到模拟条件以及单元数量的限制，计算过程耗时无法控制，所以，模拟时设置巷道一次开挖10 m.岩体力学参数取值参照《构造地质学》[18]和文献[19]，见表1.

表1 岩体力学参数表

模型在水平方向受到压力Ph作用，在垂直方向受到压力Pv作用.根据文献[14]所述埋深对垂直应力的影响，共选择了3个计算方案：方案1的Ph、Pv分别为40.5 MPa、27 MPa；方案2的Ph、Pv分别为27 MPa、27 MPa；方案3的Ph、Pv分别为13.5 MPa、27 MPa.

2 结果分析与讨论

2.1 巷道围岩应力分析

文献[20]中对岩爆问题的研究表明，部分岩爆发生的位置在距离掌子面约 2 m～3 m的地方，因此，本文取距开挖前掌子面8 m处截面进行分析.图2～图4 分别为8 m处侧压系数k为0.5，1，1.5时，巷道顶板的最大主应力线性图.

图2 k=0.5时巷道顶板最大主应力线性图

图3 k=1时巷道顶板最大主应力线性图

图4 k=1.5时巷道顶板最大主应力线性图

由图2～图4 可知，矩形巷道顶板边界最大主应力在中部最低，向两侧随距离的增加逐渐增大，由于应力集中现象出现在顶点处，所以，主应力最大值也出现在顶点处，且应力值与侧压系数呈正相关.这是由于巷道顶板在垂直应力作用下将弯曲下沉，在边角部位处极易造成应力集中现象，且在底板及两帮也存在同样趋势.文献[21]表明，在全煤巷道中，当侧压系数在0.5～1时，随着矩形巷道顶点侧压系数的增大，最大应力集中值也逐渐增加，在实际施工过程中，为保证施工安全，巷道侧压系数不应超过0.6.且矩形巷道的四顶点为最大主应力集中点，与侧压系数正相关，经比较可得，矩形巷道围岩应力受侧压系数影响从大到小为顶板、两帮、底板，文献[22]中也有对应讨论.对于不同侧压系数的描述中，每个巷道的最大应力点都有4个，且都在边界上成对称分布，本文中顶板两顶点集中应力大于底板两顶点是由于设置重力作用造成的.本文通过比较在3个不同侧压系数下矩形巷道顶点的应力集中值，得出最安全侧压系数为0.5，这与文献[22]所述相同.由此可以得出，本实验建模及参数设置是准确的.

2.2 巷道围岩位移量分析

图5～图7 分别为距开挖前掌子面8 m处侧压系数k为0.5，1，1.5时，巷道的最大位移量云图.

图5 k=0.5时巷道最大位移量云图

图6 k=1时巷道最大位移量云图

图7 k=1.5时巷道最大位移量云图

从图5～图7 可以看出，巷道两帮变形量大于顶底板，这是由于密度较低的煤聚集在顶底板，导致顶底板材质松软，所以，顶底板在受到侧压作用时变形量大，而且当矩形巷道两帮侧压系数增大时，由于密度小的煤受到挤压，两帮最大位移量也缓慢增加，二者呈正线性关系，这与文献[22]中侧压系数为0.4～1时，全煤巷道煤岩两帮的位移量变化趋势相同.而顶底板的最大位移量变化与侧压系数呈负相关，即随着侧压系数的增大，顶底板的最大位移量逐渐减小.其中，顶板最大位移量受侧压系数的影响大于底板，这是由于受到重力的影响.综上得出，矩形巷道围岩最大位移量受侧压系数影响从大到小为两帮、顶板、底板，与文献[23]中随侧压系数增大，巷道不同位置围岩塑性区破坏范围大小为两帮>顶板>底板的结论相同.

2.3 矩形巷道围岩岩爆趋势预测

2.3.1 判据选择

国内外针对围岩应力和岩爆的密切关系，提出了一些判别准则，主要有Turchaninov岩爆判别、Barton岩爆判据、陶振宇判据、谷明成判据等[24-26]，其中，应用最广泛的陶振宇判据和谷成明判据是基于最大主应力对岩爆进行判据，但这两种判据在判别岩爆发生时有偏高和偏低的现象.张镜剑等在总结上述两种判据的优缺点后将两种判据进行结合，形成了修改后的谷-陶岩爆判据[24]，得到的岩爆分级表见表2.本文将采用修改后的判据对巷道围岩岩爆趋势进行预测.

表2 修改后建议的岩爆分级表[24]

2.3.2 岩爆预测

由于本实验模型中间设置为煤层，而谷-陶岩爆判据在煤层中的应用尚处于研究阶段[27]，因此，本文只对巷道的顶底板以及角点进行岩爆预测分析，选取最危险条件，抗压强度为53 MPa.图8、图9 分别为顶底板和左侧上下两个角点随侧压系数变化的岩爆趋势预测图.

图8 顶底板岩爆趋势图

图9 顶底角岩爆趋势图

由图8 可知，矩形巷道顶板及底板的岩爆等级随侧压系数的增加而增加，约为线性增长，其中顶板的增长趋势大于底板.根据表2 得出，底板在侧压系数分别为0.5，1，1.5时，σ1/Rc<0.15，岩爆等级为I级，均无岩爆现象发生；顶板在侧压系数为0.5时，σ1/Rc<0.15，岩爆等级为I级，无岩爆现象发生；顶板在侧压系数为1时，σ1/Rc>0.2，可能发生III级中等岩爆活动，且有较强声发射现象；顶板在侧压系数为1.5时，σ1/Rc>0.4，可能发生IV级高岩爆活动，并伴随有很强的爆裂声.

从图9 中可以看出，巷道顶角与底角发生岩爆的趋势与顶底板一致，但岩爆危险性均高于顶底板.其中顶角在侧压系数为1时，σ1/Rc>0.2，可能发生III级中等岩爆活动；侧压系数为1.5时，σ1/Rc>0.4，可能发生IV级高岩爆活动.而在侧压系数为1.5时，底角的σ1/Rc值虽然小于0.15，但极为接近，应引起重视.

综上得出，当侧压系数为1和1.5时，顶板及顶角均有可能发生岩爆活动，侧压系数为0.5时, 岩爆活动在巷道围岩不会发生，较为安全，与文献[22]中提到的巷道的最安全侧压系数要小于等于0.6一致.这是由于岩爆发生的必要条件之一是岩体完整或比较完整，从而使其集聚了很大的弹性应变能，较容易发生岩爆[28].通过模拟发现，随着侧压系数的增大，巷道顶底板的位移在逐渐减小，岩体中的裂隙变小导致岩体维持完整的可能性变高，可以集聚更多的弹性应变能来诱发岩爆.因此，随着侧压系数的增大，矩形巷道顶底板的岩爆危险性增大，侧压系数0.5为最安全状态条件.

3 结 论

1)矩形巷道不同位置(顶板、两帮、底板)的最大主应力最大值都出现在顶点处，且随着侧压系数的增大，应力值增大.侧压系数对于巷道围岩应力影响从大到小为顶板、两帮、底板.

2)矩形巷道两帮变形量随侧压系数的增加表现出线性缓慢增加的趋势，而顶底板的最大位移量变化与侧压系数负相关.侧压系数改变对巷道围岩不同位置最大位移量的影响从大到小为两帮、顶板、底板.

3)矩形巷道顶板、底板及四角点的岩爆等级均随侧压系数的增加而增加.当侧压系数为1和1.5时，顶板及顶角有可能发生岩爆活动，而侧压系数为0.5时，巷道围岩无岩爆活动，因此，侧压系数0.5为最安全状态条件.

4)矩形巷道作为地下矿井开采中的回采巷道而被广泛应用，今后在开采中应注重顶板及顶角的支护.同时，煤岩是矩形巷道中必不可少的一层，目前针对煤岩岩爆分析的判据适用问题还有待研究.