不同側(cè)壓系數(shù)下綜放切眼圍巖變形規(guī)律研究

付旭東

(潞安集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司 李村煤礦，山西 長治 046600)

煤礦事故中頂板事故最為頻發(fā)[1]。隨著煤礦開采設(shè)備、工藝、技術(shù)的不斷革新，巷道斷面的增大，其支護(hù)問題隨之出現(xiàn)，傳統(tǒng)支護(hù)方式難以滿足支護(hù)要求。相關(guān)學(xué)者對大斷面切眼支護(hù)已做了大量研究[2-4]，由傳統(tǒng)架棚支護(hù)優(yōu)化為錨索支護(hù)輔以工字鋼棚和原木補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)；大跨度巷道圍巖變形規(guī)律及控制方面的研究也很多[5-7]。

本文以潞安集團(tuán)某礦7801工作面切眼為背景，采用數(shù)值模擬方法對大跨度綜放切眼在不同側(cè)壓系數(shù)下圍巖變形規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況

潞安集團(tuán)公司某礦主采3號煤層，煤層傾角平均10°，平均厚度6.52 m。7801工作面兩巷道斷面為5 m×3.5 m，切眼斷面為8 m×3.2 m，切眼兩端頭斷面為10 m×3.2 m，7801切眼埋深500 m。切眼頂板離層、變形嚴(yán)重。

煤層頂?shù)装鍨槟鄮r、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖互層，7801切眼圍巖受小構(gòu)造、砂巖水的影響，強(qiáng)度不高，頂板是弱化復(fù)合型頂板。

2 模型建立及數(shù)值計(jì)算方案

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算，模型尺寸為長45 m×寬50 m×高82 m，考慮到計(jì)算精度，為盡可能準(zhǔn)確地考察巷道圍巖變形和受力情況，模型中巷道附近單元格較密，遠(yuǎn)離巷道處單元?jiǎng)澐州^疏，模型共劃分了230 000個(gè)網(wǎng)格。模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

對工作面埋深為500 m，切眼跨度為8 m，相同支護(hù)強(qiáng)度下，側(cè)壓系數(shù)分別為λ=0.5、1、1.5、2時(shí)，切眼塑性區(qū)分布規(guī)律和圍巖位移分布規(guī)律進(jìn)行分析。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 不同側(cè)壓系數(shù)下切眼圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律

圖2為不同側(cè)壓系數(shù)下切眼圍巖塑性區(qū)分布。由圖2可知，切眼在斷面大小及支護(hù)參數(shù)相同的情況下，隨著側(cè)壓系數(shù)增大，切眼圍巖塑性區(qū)范圍增大，且頂板塑性區(qū)范圍大于底板塑性區(qū)范圍，兩幫塑性區(qū)范圍呈減小趨勢，但變化不明顯。側(cè)壓系數(shù)不同，其塑性區(qū)形狀也不同，整體呈對稱分布。λ=0.5時(shí)，塑性區(qū)分布呈“馬鞍”形，底板塑性區(qū)范圍不連續(xù)，兩幫塑性區(qū)較發(fā)育；λ=1時(shí)，塑性區(qū)分布呈“橢圓”形，頂板塑性區(qū)范圍大于底板范圍；λ=1.5時(shí)，塑性區(qū)分布呈“葫蘆”形；λ=2時(shí)，塑性區(qū)呈“倒梯形”分布。

圖2 不同側(cè)壓系數(shù)切眼圍巖塑性區(qū)分布

λ=0.5時(shí)，塑性區(qū)半徑為7.6 m；λ=1時(shí)，塑性區(qū)半徑為8.2 m；λ=1.5時(shí)，塑性區(qū)半徑為8.9 m；λ=2時(shí)，塑性區(qū)半徑為9 m。圍巖塑性區(qū)半徑隨不同側(cè)壓系數(shù)變化曲線如圖3所示。

圖3 塑性區(qū)半徑變化曲線

從圖3可知，塑性區(qū)半徑隨著側(cè)壓系數(shù)的增大而增大，通過對圍巖塑性區(qū)半徑變化曲線多項(xiàng)式擬合，多項(xiàng)式為y=-0.5x2+2.23x+6.575，擬合度為0.942 91，擬合曲線表明隨著側(cè)壓系數(shù)增大，塑性區(qū)半徑增大速率在不斷變小。

3.2 不同側(cè)壓系數(shù)下切眼圍巖變形規(guī)律

3.2.1 不同側(cè)壓系數(shù)切眼垂直位移分布規(guī)律

圖4為不同側(cè)壓系數(shù)切眼垂直位移分布云圖。從圖4可知，頂板下沉量和底鼓量都隨著側(cè)壓系數(shù)的增大呈現(xiàn)不同程度的增大，同理頂?shù)装逡平恳苍谠黾?，頂板下沉量增幅大于底鼓量增幅，?cè)壓系數(shù)從0.5增大到2時(shí)，頂板最大下沉量從66.9 mm變化到208 mm，增大幅度210.9%，底鼓量從37.8 mm變化到89.5 mm，增大幅度為136.8%；說明側(cè)壓系數(shù)對切眼頂板下沉量影響較大。

圖4 不同側(cè)壓系數(shù)切眼垂直位移分布云圖

表1為不同側(cè)壓系數(shù)圍巖變形量，圖5為不同側(cè)壓系數(shù)垂直位移分布曲線，通過對頂?shù)装逡平孔兓€多項(xiàng)式擬合，多項(xiàng)式為：y=39.5x2+33.07x+75.825，擬合度為0.983 6，擬合曲線表明隨著側(cè)壓系數(shù)增大，頂?shù)装逡平吭龃笏俾试诓粩嘧兇蟆?/p>

表1 不同側(cè)壓系數(shù)圍巖變形量

圖5 不同側(cè)壓系數(shù)垂直位移分布曲線

3.2.2 不同側(cè)壓系數(shù)切眼水平位移分布規(guī)律

圖6為不同側(cè)壓系數(shù)切眼水平位移分布云圖。從圖6可知，兩幫移近量隨著側(cè)壓系數(shù)增大而增加，且增幅大于頂板移近量，側(cè)壓系數(shù)從0.5增大到2時(shí)，兩幫移近量從49.8 mm變化到179 mm，增大幅度259%。說明側(cè)壓系數(shù)對巷道兩幫移近量影響非常大。

圖7為不同側(cè)壓系數(shù)水平位移分布曲線。通過對兩幫移近量變化曲線多項(xiàng)式擬合，多項(xiàng)式為：y=32.3x2+5.47x+38.925，擬合度為0.999 97，擬合曲線表明隨著側(cè)壓系數(shù)增大，兩幫移近量增大速率在不斷變大。

圖7 不同側(cè)壓系數(shù)水平位移分布曲線

4 結(jié) 語

1) 在切眼跨度和支護(hù)條件相同的條件下，塑性區(qū)半徑隨著側(cè)壓系數(shù)的增大而增加，塑性區(qū)形狀在不斷變化，依次為：“馬鞍”形、橢圓形、“葫蘆”形、倒梯形。

2) 隨著側(cè)壓系數(shù)的增大，頂板下沉量、底鼓量、頂?shù)装逡平?、兩幫移近量均增加，頂板下沉量增幅大于底鼓量增幅，頂?shù)装逡平看笥趦蓭鸵平?，但兩幫移近量增幅大于頂?shù)装逡平吭龇?，說明隨著側(cè)壓系數(shù)增大，圍巖變形嚴(yán)重。

3) 通過對圍巖塑性區(qū)半徑、頂?shù)装逡平?、兩幫移近量進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，擬合度分別為0.942 91、0.983 6、0.999 97。說明圍巖塑性區(qū)半徑、頂?shù)装逡平?、兩幫移近量隨側(cè)壓系數(shù)變化曲線符合多項(xiàng)式。