頂煤影響下圍巖應(yīng)力演化數(shù)值模擬分析研究

張?jiān)茖?岳 博 劉 競

（1.兗礦集團(tuán)有限公司山東煤炭技術(shù)研究所，山東 濟(jì)寧 272000；2.兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

在我國煤礦資源開采中，厚煤層資源量產(chǎn)量約占煤炭資源總量的44%，頂煤的穩(wěn)定性對于厚煤層巷道有至關(guān)重要的意義[1]。許多學(xué)者就厚煤層煤巷掘進(jìn)期間應(yīng)力演化及變形特征進(jìn)行了大量研究，謝正正等[2]采用離散元數(shù)值模擬研究了錨桿長度與圍巖損傷之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制；孟慶彬等[3]采用FLAC3D模擬研究了不同條件下大斷面軟弱破碎圍巖煤巷開挖后圍巖變形特征、塑性區(qū)演化規(guī)律及應(yīng)力分布特征；張鎮(zhèn)等[4]對錨桿（索）的應(yīng)力場分布特征與規(guī)律進(jìn)行了模擬分析；王國棟[5]模擬了錨桿與鋼帶對大斷面煤巷的支護(hù)作用，結(jié)果表明，錨帶支護(hù)比單獨(dú)錨桿支護(hù)能夠更好地對淺部圍巖提供支護(hù)力。本文以濟(jì)寧三號煤礦53下07 工作面膠帶順槽為工程背景，模擬分析不同頂煤厚度下的煤巷應(yīng)力演化規(guī)律。

1 工程概況

兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧三號煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500 萬t/a，煤層埋深500 m，采用立井開拓。

53下07 工作面所采煤層為3下煤層，f=1～2，煤厚2.8～5.20 m，平均厚3.76 m。煤層基本頂為中砂巖，厚度18.9～24.73，平均厚度約為21.25 m，f=8～10；直接頂為粉砂巖，厚度0～2.50 m；直接底為泥巖及粉砂巖，厚度2.45～2.83 m，f=4～6；基本底為細(xì)砂巖，厚度2.20～5.90 m，f=6～8。

2 模型建立

53下07 工作面膠帶順槽頂煤厚度的變化直接影響煤巷的穩(wěn)定性，為了探索頂煤影響下圍巖應(yīng)力及承載能力的變化，使用FLAC3D模擬軟件進(jìn)行建模，對不同頂煤厚度下煤巷各層位的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力及剪應(yīng)力演化特征進(jìn)行研究。

模型巖層分布據(jù)礦方提供的53下07 工作面綜合柱狀圖進(jìn)行建設(shè)，具體物理力學(xué)參數(shù)見表1，模型如圖1。模型長×寬×高=200 m×50 m×102 m，巷道位于模型中部。限制模型側(cè)面位移并固定底部邊界，將模型頂板以上巖層對模型垂直應(yīng)力簡化為作用于模型頂板的均布載荷，大小約15.25 MPa，巷道長×寬=4.7 m×3.4 m，沿煤層底板掘進(jìn)。巖層本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb 模型，共設(shè)置3 種模擬方案，煤層厚度分別為5.4 m、7.4 m 和9.4 m，對應(yīng)巷道頂煤厚度2 m、4 m和6 m。巷道長度200 m，每次掘進(jìn)20 m，每次掘進(jìn)后計(jì)算100 步，巷道掘進(jìn)完成后模型最終計(jì)算至平衡。取掘進(jìn)140 m 時(shí)進(jìn)行分析。

表1 煤巖試樣物理力學(xué)參數(shù)

圖1 巷道數(shù)值模型

3 數(shù)值模擬分析

3.1 均勻煤層厚度分析

為了研究巷道在不同特定煤層厚度的應(yīng)力演化特征，巷道頂煤厚度分別設(shè)置為2 m、4 m、6 m 均層布置，分析不同煤層厚度對巷道垂直應(yīng)力分布產(chǎn)生的影響。模擬結(jié)果如圖2。

圖2 垂直應(yīng)力沿巷道軸線剖面圖

（1）巷道軸線垂直應(yīng)力分布

2 m 頂煤條件下，巷道上方1 m 層位的頂煤破壞嚴(yán)重，垂直應(yīng)力值僅為原巖應(yīng)力的1/11，而且在掘進(jìn)迎頭附近出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，在巷道上方2 m 以上層位保持穩(wěn)定的應(yīng)力梯度。

4 m 頂煤條件下，3 m 和4 m 層位的頂煤應(yīng)力降低幅度最大，大幅度的應(yīng)力釋放代表著煤體的損傷破壞。2 m 和4 m 頂煤條件下，巷道上方5 m 位置均為粉砂巖，而前者巖體內(nèi)部的垂直應(yīng)力水平要高于后者，而且穩(wěn)定變化，沒有比較明顯的應(yīng)力釋放現(xiàn)象發(fā)生。這說明頂煤厚度的增加，對頂板巖層的穩(wěn)定性和完整性產(chǎn)生了不利影響。

6 m 頂煤條件下，高位5 m 處的頂煤應(yīng)力曲線的波動(dòng)與巷道開挖相協(xié)調(diào)，在滯后迎頭40 m 范圍內(nèi)應(yīng)力降低了三次，煤體承載能力明顯降低。

頂煤厚度的增加對巷道垂直應(yīng)力產(chǎn)生不同程度的影響，總體而言，頂煤厚度增加導(dǎo)致煤巷穩(wěn)定性逐漸降低。

（2）巷道腰線水平應(yīng)力分布

由圖3 可知，隨著煤層厚度的增加，巷道兩幫形成的應(yīng)力集中越來越大，其應(yīng)力峰值位置距離煤壁越來越遠(yuǎn)。巷道開挖后，頂板承載上覆載荷，一旦頂板失穩(wěn)或發(fā)生離層，應(yīng)力不能有效傳遞或者承載能力下降，其承擔(dān)的載荷將向巷道兩側(cè)及煤幫轉(zhuǎn)移。兩幫煤壁在頂?shù)装鍔A持作用下形成壓應(yīng)力集中，頂板的支護(hù)強(qiáng)度不足時(shí)，上覆載荷分流至兩幫，煤體的弱承載區(qū)增大，這不僅會導(dǎo)致其自身的大變形，還會失去對頂?shù)装鍘r層的抑制作用，使巷道的等效跨度擴(kuò)大，引發(fā)頂?shù)装宓倪M(jìn)一步變形。

3.2 漸變煤層厚度分析

重新建立模型如圖4，模型尺寸為200 m×50 m×102 m，巷道長度200 m，將巷道上方頂煤厚度由2～6 m 范圍內(nèi)平穩(wěn)變化，其中巷道0 m 和200 m處上方頂煤為2 m，100 m 處上方頂煤為6 m。頂煤上方直接頂依舊為粉砂巖，且厚度不變。巷道分10次開挖，每次開挖20 m，計(jì)算100 步后繼續(xù)開挖，直至計(jì)算平衡。

圖4 頂煤厚度變化條件下的數(shù)值模型圖

取巷道掘進(jìn)100 m 時(shí)和掘進(jìn)穩(wěn)定期進(jìn)行分析，選取巷道上方6 m 范圍內(nèi)的煤巖層，研究其垂直應(yīng)力演化規(guī)律，可得圖5。

圖5 巷道頂板垂直應(yīng)力分布圖

由圖5 可以看出，巷道上方的垂直應(yīng)力水平隨著距離巷道表面的距離增加而增加，且曲線每段波動(dòng)與每次開挖相對應(yīng)。對比兩圖可知，在滯后迎頭50 m 處，垂直應(yīng)力的演化趨近平穩(wěn)。巷道掘進(jìn)穩(wěn)定后，在頂煤厚度較小的位置，其高位頂板（巷道上方3 m 以上）的垂直應(yīng)力要大于掘進(jìn)期間的垂直應(yīng)力水平；而頂煤厚度較大的位置，其掘進(jìn)穩(wěn)定時(shí)期高位頂板的垂直應(yīng)力要小于掘進(jìn)期間的垂直應(yīng)力。巷道掘出后，淺表頂煤破碎穩(wěn)定性降低，應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，頂煤厚度較小時(shí)，高位頂板為直接頂巖體，直接頂巖體強(qiáng)度要高于煤體，直接頂巖體能夠承擔(dān)載荷，因此應(yīng)力水平增加，且應(yīng)力不會向深部繼續(xù)轉(zhuǎn)移；而同樣頂板層位，頂煤厚度較大時(shí)高位頂板是煤體，下位煤體破壞后，裂隙發(fā)育至高位煤體，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，頂煤由淺至深逐漸發(fā)生破壞，在經(jīng)歷過掘進(jìn)擾動(dòng)后，高位煤體又經(jīng)歷第二次破壞，內(nèi)部應(yīng)力水平進(jìn)一步降低，無法繼續(xù)承擔(dān)載荷，應(yīng)力繼續(xù)向更高位的煤巖體轉(zhuǎn)移。在頂煤厚度5 m 以上位置的掘進(jìn)過程中，迎頭20 m 范圍內(nèi)頂板上方出現(xiàn)了不均勻的應(yīng)力梯度變化，表明在巷道上方2～3 m、4～5 m 位置出現(xiàn)應(yīng)力的不連續(xù)傳遞，因此極有可能出現(xiàn)不連續(xù)變形和離層破壞。而且隨著頂煤厚度的增加，巷道上方同樣層位煤巖體的應(yīng)力水平在持續(xù)下降，說明頂煤厚度增加對巷道頂板的承載產(chǎn)生不利影響。

4 結(jié)論

（1）不同頂煤厚度條件下，巷道上方的應(yīng)力分布趨勢大致相同，即隨著距離巷道表面的高度增加，應(yīng)力逐漸升高。頂煤表面應(yīng)力水平極低，并存在拉應(yīng)力區(qū)。

（2）隨著巷道的掘進(jìn)，頂板整體垂直應(yīng)力云圖呈現(xiàn)為“C 型應(yīng)力嵌套環(huán)”，環(huán)繞兩幫和迎頭形成應(yīng)力釋放區(qū)，且頂板中部應(yīng)力降低最大。通過分析厚煤層巷道掘進(jìn)迎頭區(qū)域應(yīng)力分布特征，得到了掘進(jìn)迎頭頂板不同層位、煤幫內(nèi)部不同深度的垂直應(yīng)力演化規(guī)律。

（3）得到了不同頂煤厚度對于巷道圍巖應(yīng)力水平的影響機(jī)制，隨著頂煤厚度的增加，同樣層位煤巖體的應(yīng)力水平在持續(xù)下降，承載能力降低，且應(yīng)力傳遞不連續(xù)，頂煤厚度增加對巷道頂板的承載產(chǎn)生不利影響。