馬 鵬，余伊河，徐華君，陳建君，何 江，2

（1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008）

·試驗(yàn)研究·

頂板性質(zhì)對(duì)動(dòng)載傳播規(guī)律影響的模擬研究

馬 鵬1，余伊河1，徐華君1，陳建君1，何 江1，2

（1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008）

煤礦動(dòng)載擾動(dòng)易誘發(fā)巷道沖擊破壞，為研究巷道頂板巖層性質(zhì)對(duì)動(dòng)載誘發(fā)巷道沖擊破壞的影響，運(yùn)用FLAC2D軟件中的動(dòng)態(tài)模塊，研究分析了不同巖性的頂板下，震動(dòng)波在巷道頂板傳播的速度、位移和加速度的變化規(guī)律以及震動(dòng)波引發(fā)的巷道頂、底板和左、右?guī)臀灰频淖兓?guī)律，并對(duì)規(guī)律進(jìn)行分析和解釋，為預(yù)防沖擊礦壓提出了技術(shù)措施。研究表明：震動(dòng)波在頂板巖層中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增大，震動(dòng)波引起的頂板巖層質(zhì)點(diǎn)的速度、位移和加速度以冪函數(shù)的形式進(jìn)行衰減。在傳播距離相同時(shí)，頂板巖層巖性越弱，震動(dòng)波引起的頂板質(zhì)點(diǎn)的速度、位移和加速度越大；動(dòng)力擾動(dòng)發(fā)生在巷道上方一側(cè)，巷道頂板和靠近動(dòng)力擾動(dòng)一側(cè)的巷幫和頂板比遠(yuǎn)離動(dòng)力擾動(dòng)的巷幫和底板更易發(fā)生沖擊礦壓。

動(dòng)載；沖擊礦壓；頂板性質(zhì)；巷道；傳播距離

掘進(jìn)爆破引發(fā)的動(dòng)力擾動(dòng)是煤礦開(kāi)采過(guò)程中的常見(jiàn)礦震現(xiàn)象，常導(dǎo)致巷道和圍巖失穩(wěn)，嚴(yán)重情況下可誘發(fā)沖擊礦壓等動(dòng)力災(zāi)害［1］。

目前，在煤礦動(dòng)載誘發(fā)沖擊礦壓的研究方面，陳國(guó)祥，竇林名等［2］探討了擾動(dòng)波在不同加載水平和頻率等影響下，從巷道一側(cè)上方傳入時(shí)，內(nèi)、外幫圍巖的應(yīng)力和塑性區(qū)動(dòng)態(tài)相應(yīng)變化情況；高明仕，張農(nóng)等［3］模擬了不同震源距和能量對(duì)堅(jiān)硬頂板厚煤層巷道圍巖沖擊速度、位移量的影響情況，模擬了巷道破裂垮冒過(guò)程；高明仕，竇林名等［4］在地面不同場(chǎng)地介質(zhì)進(jìn)行微震實(shí)驗(yàn)，利用TDS-6微震信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分析了不同場(chǎng)地介質(zhì)下震動(dòng)波傳播能量衰減的差別；張曉春，盧愛(ài)紅等［5］針對(duì)片幫型沖擊礦壓，模擬研究了應(yīng)力波對(duì)于巷道圍巖層裂結(jié)構(gòu)形成的影響；牟宗龍，竇林名等［6-7］通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了頂板巖層特性對(duì)于沖擊礦壓危險(xiǎn)性的影響。

然而，相關(guān)研究表明［1］，沖擊礦壓常發(fā)生在動(dòng)力擾動(dòng)階段。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，煤礦開(kāi)采過(guò)程中，約有72．6%的沖擊礦壓發(fā)生在巷道。研究煤礦動(dòng)載對(duì)巷道的作用規(guī)律，對(duì)于防治動(dòng)載誘發(fā)的沖擊礦壓災(zāi)害具有重要意義。

本文則針對(duì)頂板性質(zhì)對(duì)于動(dòng)載傳播規(guī)律的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，探討分析了震動(dòng)波在不同巖性的頂板中的傳播規(guī)律以及對(duì)于巷道頂、底板和左、右?guī)臀灰频挠绊?，為減少頂板巖層性質(zhì)對(duì)于動(dòng)載誘發(fā)巷道沖擊礦壓提供了依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)某煤礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地質(zhì)條件，利用巖土工程通用模擬軟件FLAC2D建立模型，采用軟件中的Dynamic模塊模擬動(dòng)力擾動(dòng)過(guò)程。模型分成3層，分別為頂板、煤層和底板。模型的尺寸為150 m×125 m，巷道尺寸為5 m×4 m，頂板厚為60 m，煤層厚為5 m，底板厚為60 m，見(jiàn)圖1，其中模型的物理力學(xué)特性參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 模型結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖

表1 模型的物理力學(xué)特性參數(shù)表

采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，模型兩側(cè)邊界設(shè)為水平簡(jiǎn)支約束，下部邊界為固支約束，上部邊界根據(jù)埋深施加均布載荷，模擬埋深800 m，模型上邊界均布載荷12．5 MPa。在動(dòng)力分析中，根據(jù)煤礦動(dòng)載特征設(shè)置一脈沖荷載，分析震動(dòng)波的傳播規(guī)律及其對(duì)巷道破壞的影響，震動(dòng)波以半正弦波加載在巷道一側(cè)的上部邊界，具體見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

由圖2可知，1～10號(hào)點(diǎn)是選取的震動(dòng)波傳播到巷道路徑上的10個(gè)記錄點(diǎn)，相鄰兩個(gè)記錄點(diǎn)的距離為7 m，A、C分別是巷道左右兩幫的記錄點(diǎn)，B、D分別是巷道頂、底板的記錄點(diǎn)。

2 數(shù)值計(jì)算方案

模型上部邊界加載垂直應(yīng)力12．5 MPa，動(dòng)載強(qiáng)度Pmax為50 MPa，頻率是10 Hz，改變頂板巖層性質(zhì)，頂板性質(zhì)是細(xì)砂巖、粗砂巖、黏土粉沙巖、黏土巖、碳質(zhì)泥巖，從細(xì)砂巖到碳質(zhì)泥巖，頂板巖性是在不斷減弱的，5種巖層的詳細(xì)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，分別模擬震動(dòng)波在這五種頂板中的傳播，記錄1～10號(hào)點(diǎn)位移、速度、加速度的變化以及巷道左、右兩幫A、C和頂、底板B、D位移的變化。

表2 不同頂板的物理力學(xué)特性參數(shù)表

3 模擬結(jié)果及分析

在不同巖性的頂板中，均勻分布在震動(dòng)波加載位置與巷道之間的1～10號(hào)記錄點(diǎn)在加載過(guò)程中所記錄的Yvel、Ydisp、Yaccel最大值與傳播距離之間的關(guān)系見(jiàn)圖3，4，5。

圖3 不同頂板巖性條件下Yvel的傳播變化

圖4 不同頂板巖性條件下Ydisp的傳播變化

圖5 不同頂板巖性條件下的Yaccel傳播變化

由圖3～圖5可知：

1）在動(dòng)載強(qiáng)度、頻率、頂板巖層性質(zhì)相同時(shí)，震動(dòng)波引起的頂板巖層質(zhì)點(diǎn)的Yvel、Ydisp、Yaccel隨著傳播距離的增加而減小，在靠近震動(dòng)波加載位置的一段距離內(nèi)，隨著傳播距離的增加，頂板巖層質(zhì)點(diǎn)的Yvel、Ydisp、Yaccel呈明顯減小趨勢(shì)，而在傳播距離大于某一臨界值之后，三者隨傳播距離的變化趨于平緩，整條變化曲線近似于冪函數(shù)曲線。

2）動(dòng)載強(qiáng)度和頻率相同，在相同傳播距離條件下，震動(dòng)波引起的頂板巖層質(zhì)點(diǎn)的Yvel、Ydisp、Yaccel因頂板巖性的不同而產(chǎn)生差異，具體表現(xiàn)為：頂板巖性越弱，震動(dòng)波引起的頂板巖層質(zhì)點(diǎn)的Yvel、Ydisp、Yaccel越大。

3）位移是累積量，故只表現(xiàn)出震動(dòng)能量隨傳播距離而衰減的冪函數(shù)曲線；速度與加速度是瞬時(shí)量，在表現(xiàn)出震動(dòng)能量隨傳播距離而衰減的冪函數(shù)曲線的同時(shí)，在局部還受到震動(dòng)波隨時(shí)間變化的影響，在小范圍內(nèi)呈一定的正弦波動(dòng)曲線。

在不同巖性的頂板中，巷道頂、底板與左、右?guī)驮谑艿秸饎?dòng)波持續(xù)影響過(guò)程中在某一時(shí)間點(diǎn)所積累的位移變形量與頂板巖性之間的關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 不同頂板巖性條件下巷幫速度變化

由圖6可知，在動(dòng)載強(qiáng)度、頻率和頂板巖層性質(zhì)相同的情況下，巷道頂板和靠近震動(dòng)波一側(cè)的右?guī)偷奈灰剖冀K分別比底板和左幫大，表明巷道頂板和右?guī)捅鹊装搴妥髱透装l(fā)生沖擊礦壓。

4 頂板巖層性質(zhì)對(duì)震動(dòng)波的傳播及其變形分析

根據(jù)模擬結(jié)果分析可知，震動(dòng)波在頂板巖層中傳播時(shí)，是以冪函數(shù)形式進(jìn)行衰減的。動(dòng)載強(qiáng)度和頻率相同時(shí)，震動(dòng)波在頂板巖層中傳播時(shí)，在軟弱頂板巖層中傳播產(chǎn)生的頂板巖層質(zhì)點(diǎn)的速度、位移和加速度大于震動(dòng)波在堅(jiān)硬頂板巖層中傳播產(chǎn)生的頂板巖層質(zhì)點(diǎn)的速度、位移和加速度，所以由能量守恒定律可知，震動(dòng)波能量在軟弱巖層中衰減程度更為明顯。對(duì)于堅(jiān)硬巖層，一方面，由于震動(dòng)波能量在堅(jiān)硬巖層中的衰減程度小于在軟弱巖層中衰減程度，因而在震動(dòng)波傳播到巷道圍巖處時(shí)，還保留著相對(duì)較多的能量；另一方面，巷道堅(jiān)硬頂板也更容易積聚能量，當(dāng)傳播到巷道圍巖處的震動(dòng)波與之前由于巷道開(kāi)挖引起的巷道圍巖重新分布的應(yīng)力場(chǎng)疊加，導(dǎo)致圍巖內(nèi)部應(yīng)力急劇升高至超過(guò)圍巖強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)使能量在短時(shí)間內(nèi)突然釋放，從而造成巷道圍巖瞬間沖擊破壞。因此，對(duì)于頂板較為堅(jiān)硬的巷道，提前對(duì)巷道頂板進(jìn)行預(yù)裂弱化對(duì)預(yù)防沖擊礦壓是很有必要的。

當(dāng)巷道受到上方靠近右?guī)偷膭?dòng)力擾動(dòng)影響時(shí)，巷道頂、底板與左、右?guī)偷膭?dòng)力響應(yīng)是有差異的。相對(duì)于巷道底板和左幫，震動(dòng)波引起的巷道頂板和右?guī)偷奈灰聘蟆Ｒ驗(yàn)楫?dāng)來(lái)自于巷道上方靠近右?guī)鸵粋?cè)的震動(dòng)波傳播到巷道時(shí)，震動(dòng)波在空氣和圍巖的分界面發(fā)生反射與原有圍巖應(yīng)力相互疊加造成應(yīng)力升高，而底板和左幫側(cè)的震動(dòng)波則有很大一部分被提前反射造成只有小部分震動(dòng)波傳播到左幫或底板，所以相比較巷道底板和左幫，巷道頂板和右?guī)臀灰聘螅瑳_擊危險(xiǎn)性更大。在生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)巷道頂板和靠近震動(dòng)波一側(cè)的巷幫的沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)和防突解危工程的施工。如果條件允許，可以考慮在震動(dòng)波向巷道傳播路徑上開(kāi)挖一條保護(hù)巷道，阻隔部分震動(dòng)波，減少巷幫位移，從而降低沖擊危險(xiǎn)性。

5 結(jié) 論

本文探討了在不同巖性的頂板下，震動(dòng)波在煤層巷道頂板中的傳播規(guī)律，分析了震動(dòng)波對(duì)于巷道頂、底板和左、右兩幫的位移的影響，研究得出以下結(jié)論：

1）動(dòng)力擾動(dòng)所引起頂板巖層質(zhì)點(diǎn)的速度、位移和加速度隨傳播距離增大以冪函數(shù)的形式衰減。

2）在相同傳播距離的條件下，巷道頂板巖性越弱，動(dòng)力擾動(dòng)所引起頂板巖層質(zhì)點(diǎn)的速度、位移和加速度越大，震動(dòng)波能量衰減得也越快。

3）巷道空間對(duì)于震動(dòng)波的傳播具有“阻礙”作用，當(dāng)動(dòng)力擾動(dòng)從巷道上方傳來(lái)時(shí)，巷道頂板和靠近動(dòng)力擾動(dòng)一側(cè)的巷幫比底板和遠(yuǎn)離動(dòng)力擾動(dòng)的巷幫更易發(fā)生沖擊礦壓。

［1］ 左宇軍，唐春安．深部巖巷在動(dòng)力擾動(dòng)下的破壞機(jī)理分析［J］．煤炭學(xué)報(bào)，2006，31（6）：742-746．

［2］ 陳國(guó)祥，竇林名．動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)回采巷道沖擊危險(xiǎn)的數(shù)值模擬［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26（2）：154-157．

［3］ 高明仕，張 農(nóng)，竇林名，等．影響巷道沖擊礦壓破壞的關(guān)鍵因素及破壞過(guò)程的模擬研究［G］／／煤炭開(kāi)采新理論與新技術(shù)—中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)開(kāi)采專業(yè)委員會(huì)2006年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2006：24．

［4］ 高明仕，竇林名，張 農(nóng)，等．巖土介質(zhì)中沖擊震動(dòng)波傳播規(guī)律的微震實(shí)驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（7）：1365-1371．

［5］ 張曉春，盧愛(ài)紅，王軍強(qiáng)．動(dòng)力擾動(dòng)導(dǎo)致巷道圍巖層裂結(jié)構(gòu)及沖擊礦壓的數(shù)值模擬［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（增1）：3111-3114．

［6］ 牟宗龍，竇林名．頂板巖層對(duì)沖擊礦壓的影響規(guī)律研究［J］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39（1）：40-44．

［7］ 牟宗龍，竇林名．頂板巖層特性對(duì)煤體沖擊影響的數(shù)值模擬［J］．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，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

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（2012DXS02）

馬 鵬（1991—），男，陜西延安人，2011級(jí)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)在讀本科生，主要從事巷道支護(hù)、沖擊礦壓等方向的研究（E-mail）cumt_mapeng＠163．com