动静载作用下常村矿底臌治理效果研究

金 亮， 裴晨浩

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)

动静载作用下常村矿底臌治理效果研究

金 亮， 裴晨浩

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)

为了研究在动静载作用下钻孔卸压治理巷道后的动态响应，以常村矿S61#为研究对象，运用FLAC 3D数值软件进行分析。研究结果表明：在动静载作用下，巷道底臌量相对于静载作用时增加了92 mm，使巷道底臌现象更加严重；整个巷道在荷载作用下主要发生受剪和拉剪两种屈服，在动载作用下，在模型底角向巷道底角方向和离模型底面大约2 m处产生新的拉剪和剪切屈服。

巷道工程；动静载；钻孔卸压；底臌治理

近年来，随着煤矿开采深度的增加，煤岩受到的围压越来越大，致使巷道的最大主应力多为水平应力，导致顶底板和两帮向巷道内发生位移，底板向上隆起，发生底臌现象[1-2]。与此同时，煤炭在开采时还会受到冲击地压(岩爆)、人工爆破掘进、激烈地壳运动等动力的作用，从而进一步增加了底臌量。从巷道围岩控制的原理与方法考虑，传统底臌治理方法可以归结为加固法和卸压法[3]。其中，卸压法因其工作量小,施工方便,施工速度较快,施工成本低等优点[4]，常被用于巷道底臌治理中，并取得了大量的成果[5-10]。S61#回风上山巷顶底板岩性为该矿乃至该区域煤层顶底板岩性的代表，研究S61#回风上山巷道在动静载作用下钻孔卸压治理底臌效果，对该区域的矿井巷道底臌的治理起着指导作用。因此，本文以常村矿S61#回风上山巷道为研究对象，对动静载作用下常村矿底臌治理效果进行研究。

1 工程概况

S61#回风上山巷道位于S6采区东北部，西接S翼1#回风巷，北邻S62#回风上山(已掘)，南邻S6皮带上山(在掘)，东接S6采区正头联络巷(在掘)。该巷道沿3#煤顶板掘进，煤层直接顶为砂质泥岩，平均厚度1.18 m，老顶为中粒砂岩，平均厚度7.09 m；直接底为砂质泥岩，平均厚度1.88 m，老底为细粒砂岩，平均厚度0.97 m。另外，S61#回风上山掘进期间顶板岩性探测结果显示，从开口位置到距S翼1#回风巷425 m位置，顶板砂质泥岩厚度从1.8 m增大为5.2 m。煤科总院在该井田内做的地应力测试结果显示：S6采区内原岩应力以水平应力为主，且该巷道掘进方向与当地原岩应力最大水平主应力方向垂直，造成巷道掘进过程中发生不同程度的底臌，严重地影响了矿井的正常生产。虽然对其进行过一些处理，如拉底、加固顶板和两帮，但效果均不理想，不能有效控制底臌。

2 数值模型

2.1 标准模型及参数选择

本文以常村煤矿S61#回风上山巷为标准模型，巷道沿着距离煤底板2.5 m掘进，具体物理力学指标见表1。根据理论分析可知，巷道对围岩中应力分布影响范围一般是巷道半径的3～5倍，宽度取一个循环进尺，模型的尺寸为60 m×40 m×1.8 m。巷道的设计断面为矩形，其高和宽分别为3.5 m、5 m。巷道的原有支护形式是锚杆锚索联合支护，锚索在顶帮加强支护，锚索的间距为2 000 mm，排距为900 mm；锚杆分布在顶板和左右两帮，其间距为900 mm，排距为900 mm。在两帮打9 m长的两排卸压孔，底板采用2.5 m长的卸压孔。具体的尺寸及位置如图1所示。

表1 工程地质参数

(a) (b)图1 数值模型及测点分布图

2.2 边界条件

静载时，在模型的上边界施加9.261 MPa来模拟垂直方向的力，水平方向施加10.775 MPa水平应力，其他三个边界的约束条件为位移约束。在动静载作用时，若动力源比较远，可以将远处的动力扰动近似地等效为平面波，故在模型底部施加平面波，具体情况参考文献[11]。施加的动载大小如图2所示。为了更好地模拟出半无限体中的应力波的传播规律，把数值模型左右边界、上边界均设置为黏滞吸收边界。

图2 动载曲线

3 动静载作用下的底臌治理效果

3.1 应力波传播规律

图3是应力波的时程曲线，图中4个测点的位置如图1(a)所示。

图3 动静载作用下巷道底部岩石应力波时程曲线

由图3可知：4条应力波时程曲线规律比较相似，都是受压，并以静载压应力为起点，当应力波传播到测点时就起跳，并逐渐增加至峰值，然后逐渐减小，最后振动达到平衡；在应力波加载面距离从小到大变化过程中，动载起跳的时间越来越迟，初始压应力、应力波的峰值和残余压应力逐渐减小。从数值上可以看出它们都是动静载作用的结果，符合动静作用的规律，说明数值分析结果比较合理。

3.2 动静载作用下的位移变化

底臌点的位移时程曲线见图4。从图4可以看出：当应力波没有传到监测点时就已经有位移，为159 mm。应力波经过13 ms的传播到达底板，此时开始受到动载的作用起跳，位移逐渐增大，大约到50 ms后位移发生小范围的振动，并达到平衡，最大位移为251 mm。根据传播规律可知，刚开始的位移应该是静载作用下的位移，但动静载作用下的位移比

静载作用下的位移小。这主要是因为，在数值分析加动载时，将加载面的位移边界条件改成了应力边界条件。为了不受改变边界条件的影响，取动静载作用前后的位移差来分析，位移差见表2，并根据表2的数据绘成图5。从表2和图5可看出：在动静载作用下，整个巷道的位移都发生了变化，顶板和两帮均向巷道外移动，底板向巷道内移动，即底板位移是增加的，位移差是底板最大，其次是两帮，最小是顶板，为2.2 mm。底板的位移差以中间向两边对称分布，最大是中间测点(43)，为92 mm；两帮位移差逐渐减小，最小是两边的巷道侧墙底脚处，为16 mm。综上所述，在动载作用下巷道底臌量有所增大，即使在静载的作用下巷道仍安全、稳定，但在动载的作用下有可能会对巷道的安全、稳定构成威胁。所以，在进行底臌治理设计时要考虑动载的影响。

图4 动静载作用下巷道最大底板位移时程曲线

表2 动静载作用下的位移差 mm

图5 动静载作用下巷道四周各点位移差

根据应力传播规律可知，当应力波传播12 ms时，整个数值模型塑性区已趋于稳定，故图6为选取12 ms以内4个有代表性时间点的塑性图，分别是应力波作用时间为1.0 ms、10 ms、10.3 ms 、12 ms的塑性图。由图6可知，当应力波传播1.0 ms时，其塑性图与静载作用时塑性图一样。随着时间的推移，当应力波传播10 ms时，在模型底角向巷道底角方向开始产生新的剪切屈服。在动载作用10.3 ms时，新产生剪切屈服的范围进一步扩大，并且在离模型底面大约2 m处开始出现新的剪切屈服。当应力波作用时间达到12 ms时，两个产生的新屈服区域进一步增大，并且在离模型底面大约2 m处开始出现拉剪屈服。因此，动载对巷道稳定性的影响不容忽视。

(a) 1 ms (b) 10 ms

(c) 10.3 ms (d) 12 ms图6 动静载作用下巷道塑性图

4 结 语

通过对S61#回风上山巷道在动静载作用下的底板压力、位移和塑性区变化的数值分析，主要得到以下结论：

(1)巷道在动静载作用下，底板下岩石压应力、底板位移和塑性区都是以静载作用状态为起点，并随着应力波传播时间的延长发生相应的变化，这符合动静作用规律。

(2)相对于静载作用，在动静载作用下，巷道的顶板和两帮均向巷道外移动，底板向巷道内移动，移动量在底板最大。底板的最大位移增加了92 mm，使巷道底臌现象更加严重，对巷道的安全、稳定构成威胁。所以，在进行底臌治理设计时要考虑动载的影响。

(3)随着应力波的传播，在静载作用基础上，塑性区逐渐在模型底角向巷道底角方向和离模型底面大约2 m处产生新的拉剪和剪切屈服，并逐渐扩大。

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(责任编辑：姜海芹)

Study on the Effect of Harnessing Floor Heave of Changcun Coal Mine Under Dynamic and Static Loading

JIN Liang, PEI Chen-hao

(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

In order to study the dynamic response of the roadway by pressure relief role under the action of static and dynamic, the Chang village S61# was taken as the research object, and analyzed by FLAC 3D software.The results show： under static and dynamic loads, the floor heave displacement is increased by 92 mm compared with the static load, so that the phenomenon of floor heave is more serious. Under dynamic load, the new shearing yield and tensile-shearing yield is generated at the bottom corner of the model and at about 2 m from the bottom of the model.

roadway engineering； dynamic and static load； borehole pressure relief； harnessing floor heave

2017-01-05

河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目(2015GGJS-069)

金亮(1991-)，男，河南信阳人，硕士生，主要研究方向为岩土方向。

1671-6906(2017)01-0060-05

TD 353

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2017.01.013