等煤柱巷道开挖时间差异性的围岩破坏数值分析

李 臣, 陈团团, 王孝臣(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司, 湖北 武汉 430064)

1 前言

巷道围岩变形破坏是其围岩强度对区域应力场的响应,对于留巷区域应力场的分布,其主控因素为巷道埋深和围岩岩性。 这是由于埋深是应力绝对值的基础,尤其采动后3 ～5 倍的支承压力均是在该绝对应力基础上所增加的。 而岩性是采空区垮落程度及围岩抵抗变形破坏的基础,一方面岩性决定了覆岩运移规律,另一方面在采动应力既定时岩石强度的大小直接决定了巷道工程变形破坏。

对于巷道围岩变形破坏的影响因素,众多学者分别针对巷道埋深、围岩属性、采空区尺寸、开采厚度[1-4]进行了细致的研究,获得了双巷布置留巷变形破坏机理及其对应的围岩控制技术。 双巷布置的留巷与侧方采空区煤柱一般为15 ～35 m,对于留巷而言矿压显现剧烈的原因归根结底为留巷在其服务期间受到重复采动影响,即侧方采动影响下围岩在高偏应力场作用下就已导致围岩塑性区扩展,二次采动影响时已经产生塑性破坏的岩体再次持续劣化,导致了留巷失稳[5-7]。

但相同煤柱尺寸下留巷与掘巷围岩损伤程度的差异性仍有待遇进一步探讨,本文将以西部矿区双巷布置工程背景下研究留巷与其位置进行掘巷两种巷道开挖方式时二者在应力、塑性区分布特征的异同,研究等煤柱尺寸巷道开挖时间差异性的围岩破坏机理。

2 采空区处理方式

留巷所处位置一般为采空区侧方15 ～35 m 内的应力增高区,而采空区周边支承压力的大小决定了巷道围岩的破坏程度,而另一方面支承压力的产生是由覆岩垮落后应力在采空区与实体煤之间传递差异性所致。 因此,对于FLAC3D大型采动数值模型如若不对采空区进行处理则忽略了垮落岩层重新压实散体的应力传递作用,势必造成采空区周边煤体内应力值远大于实际值[8-9]。

工作面回采后直接顶的垮落松散系数一般为1.2 ～1.5,但随着开采空间变大,基本顶岩体破断后将对跨落松散体进行重新压实,从而使采空区应力得到一定的恢复。 国内外学者对采空区的应力再恢复过程进行了试验研究[10-11],获得了采空区垮落散体受力压实过程的应力—应变关系,具体如式(1)所示

式中,Rc为岩石单轴抗压强度,b为碎胀系数,ε为垮落破碎岩体应变量。

为避免传统数值模拟开挖不处理采空区所导致的采空区应力不恢复、周边支承压力过高偏离实际情况的缺点,采用Double-yield model 对采空区垮落带进行充填处理[12-13],充填岩体力学参数见表1。

表1 采空区充填岩体力学参数

覆岩破碎后堆积散体的块度影响了采空区的充实度。 坚硬岩层碎涨系数小、破碎块度大、排列整齐而不易充满采空区,而软岩顶板碎涨系数大、破碎块度小、堆积杂乱无序而更容易充满采空区。 例如,软弱覆岩“两带”高度约为9 ～12 倍采高,而坚硬覆岩“两带”高度可达18 ～28 倍采高,垮落带高度计算具体见表2。

表2 不同覆岩条件下的垮落带高度计算公式

3 数值模拟模型方案

为充分显现留巷模式受到侧方采动影响时巷道区域围岩应力—塑性区分布及侧方工作面开采结束后掘巷模式下的巷道区域围岩应力—塑性区分布的对比,本文设定煤层埋深为700 m,煤层厚度为3 m,巷道尺寸为5.5 m×3.0 m,煤柱尺寸为20 m。 建立数值模拟模型尺寸为800 m×1 000 m×300 m、模型X 方向和Y 边界分别留有85 m 和100 m 的最小边界条件、工作面长度300 m 的大型FLAC3D数值模型,数值模型如图1 所示。

图1 数值模型

数值模拟时采用莫尔-库伦岩石破坏准则,先进行初始应力平衡。 留巷模式数值模拟方案为:先开挖巷道,待应力平衡后再开挖工作面,待应力再次平衡后截取采空区侧方留巷区域应力场矢量分布云图和对应的留巷围岩塑性区形态尺寸分布特征图;掘巷模式先开挖侧方工作面,待采动应力平衡后再开挖巷道,待应力再次平衡后截取采空区侧方留巷区域应力场矢量分布云图和对应的留巷围岩塑性区形态尺寸分布特征图。

留巷模式与掘巷模式数值模拟均在同一大型FLAC3D数值模型内进行,二者模拟方案的位移区别为巷道开挖时间相对于侧方采空区形成时间的先后关系。

由相关研究结果及本文前文所述可知,岩性对于采动巷道围岩区域应力场矢量分布规律及其围岩塑性破坏形态、尺寸具有直接相关关系。 因此,为使研究结果更具有对比性,分别对软岩和中硬围岩两种岩性进行数值计算,软岩岩石力学参数:抗压强度Rc=15 MPa、内聚力C=2.6 MPa、内摩擦角φ=27°,体积模量2.28 ×109、剪切模量1.21 ×109、抗拉强度1.52 ×106。 中硬围岩岩石力学参数为:抗压强度Rc=40 MPa、内聚力C=3.7 MPa、内摩擦角φ=32°。 体积模量4.18 ×109、剪切模量2.21 ×109、抗拉强度3.63 ×106。

4 时间效应下的应力-塑性区关系

4.1 时间效应下区域应力场矢量分布特征

埋深700 m 的条件下巷道所处位置的绝对应力基础约为17.5 MPa(按经验公式埋深乘以覆岩容重,0.025 ×埋深H),在采动影响下围岩区域最大应力场应力集中系数约为3 ～5。 将两种岩性、两种方案数值模拟的围岩区域最大主应力云图如图2 所示。 整体上同类型围岩在不同模拟方案的区域应力场矢量云图分布特征整体差异不大,即在采用影响下围岩应力分布均呈现非均匀状态,最大主应力的最大值在采空充填区侧方偏上位置,最大应力值距离采空充填区均有一定距离,其中软岩最大主应力的最大值距离采空充填边界约10 m,中硬围岩最大主应力的最大值距离采空充填边界约8 m。

图2 不同巷道布置模式巷道区域应力场云图

从应力分布绝对值的角度来讲,同种岩性围岩不同巷道布置模式时,在最终应力平衡后区域应力场的最大主应力值的绝对数值差距并很小。 软岩顶底板时巷道区域应力场的最大主应力值为51.11 MPa,而与此对比的掘巷模式时的巷道区域应力场的最大主应力值为49.87 MPa,二者差值仅为1.24 MPa,掘巷模式相比留巷模式应力值降幅仅为2.43%;中硬围岩顶底板时巷道区域应力场的最大主应力值为61.01 MPa,而与此对比的掘巷模式时的巷道区域应力场的最大主应力值为60.14 MPa,二者差值仅为0.87 MPa,掘巷模式相比留巷模式应力值降幅仅为1.42%。 相同巷道布置模式下中硬围岩应力集中明显更大,中硬围岩留巷模式和掘巷模式下的应力增量分别为9.90 MPa 和10.17 MPa,增长率分别为19.37%和20.39%,再次印证了围岩强度对于采动应力分布的影响。

综上分析可见:掘进与回采相比,工作面采动对围岩应力的重新分布具有绝对主控作用,掘巷模式虽有利于应力降低,但降低幅度在巷道工程尺寸下可以视为基本无影响。 这主要是由于,巷道开挖尺度与工作面开挖尺度不在同一数量级,导致工作面尺度开挖的宏观应力场显现覆盖了绝大部分巷道时间效应下的应力显现。 之所以有绝对应力值上的差距是因为留巷模式时巷道掘进先行导致了区域应力场改变,随后采动时将在此基础上对区域应力场应力进行决定性的重分布;而掘巷模式是先进行开采扰动对区域应力场进行决定性应力重分布,此时巷道区域相当于进行了与区域应力场同等作用力的高强支护,待稳定后再进行巷道掘进,此时是在大范围既定的应力环境下细微改变,由此导致两种巷道布置区域围岩主应力的差异。

4.2 时间效应下巷道围岩塑性区分布特征

当巷道围岩所受应力大于岩体的极限承载能力时围岩产生塑性破坏直至围岩深部弱三向应力作用下围岩达到稳态,塑性区形态尺寸发育与巷道表观的变形破坏具有直接相关关系,因此,研究围岩塑性区对于了解巷道变形破坏、动态调整围岩稳定性控制策略是至关重要的。 时间效应下留巷与掘巷模式下围岩塑性区分布特征如图3 所示。

图3 不同巷道布置模式巷道破坏情况

由图3 可知,围压强度与应力密切相关,在采动影响下巷道围岩塑性区呈现非均匀性,这与巷道区域应力场分布相匹配,且软岩巷道区域应力场最大值小于中硬围岩巷道区域应力场,但是软岩巷道的围岩塑性区显然远远大于后者。 从塑性区形态尺寸发育的角度讲,留巷模式明显较掘巷模式大得多,例如:软岩顶底板时留巷模式的巷道顶板塑性区最大尺寸为8 m,煤柱内塑性区与采空区贯通,整体形态上的非均匀性非常突出,而与此相对比的是掘巷模式顶板塑性区最大尺寸仅为4 m,仅为留巷模式时的50%,煤柱塑性区仍有1 ～2 m 未产生塑性区,煤柱内存在稳定的弹性区,整体上断面塑性区面积更是不足留巷模式下的1/3;中硬围岩时不同巷道布置模式的塑性虽小得多,但是其基本规律具有一致性,留巷模式巷道顶板塑性区最大为5.5 m,帮部塑性区为4 ～5.5 m,断面塑性区面积为66.25 m2,而掘巷模式顶板塑性区最大尺寸仅为3.5 m,帮部塑性区为3 ～4 m,断面塑性区面积为45.25 m2,塑性区面积减少了31.7%。

在应力差距不大甚至可忽略的情况下,不同巷道布置模式塑性区差异如此之大主要原因在于采动自由面效应。 留巷模式在回采时巷道要受到侧方工作面采动的影响,留巷受到高强应力后围岩变形向无煤体支撑的留巷自由面发展而导致巷道变形破坏,直到在巷道围岩塑性区发育至一定程度后趋于自稳。 与留巷对应的掘巷模式则是在应力环境已经稳定后掘出,除巷道掘进对围岩的扰动的强度有限、时间更短等因素外,更为重要的掘巷相当于在侧方工作面回采时就在巷道位置进行了与采动应力同等强度的围岩支护(即巷道位置为实体煤,可理解为此时实体煤的支护阻力与采动应力互为相互作用力),因此,塑性区发育有限。

综合上述分析,两种巷道布置模式巷道围岩稳定后主应力均出现偏转,对应巷道围岩塑性区为非对称的蝶形,在应力基础既定时虽然其最大主应力场的矢量分布基本一致,但掘巷模式的围岩破坏范围明显小于留巷模式的基本规律是不变的,而且呈现煤层埋深越大、围岩强度越低时,两种巷道布置模式的围岩塑性区差异越大,相比而言留巷模式下巷道稳定性更加难以维护。

5 结论

(1)巷道变形破坏是围岩应力集中的外在体现,而覆岩跨落后应力传递方式分为采空区垮落体直接传递和采空区周边实体煤应力集中,因此研究巷道变形破坏必须考虑采空区垮落充填效应。

(2)区域主应力最大值与覆岩岩性直接相关有关,岩石强度越大最大主应力差异值越小,区域主应力绝对值越大,但不同围岩时留巷模式和掘巷模式在围岩稳定后的区域应力场差异值都可忽略不计。

(3)应力分布基本一致的前提下,留巷模式与掘巷模式最终的稳态塑性区差异巨大,主要是掘巷模式相当于在留巷模式的基础上支护了与采动应力同等大小的相互作用力形式的支护阻力,这导致了时间差异性下的围岩劣化程度不同。