破頂斷面對圍巖穩(wěn)定性的影響數(shù)值模擬研究

方 勇，婁培杰，張必昇

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

隨著當前世界能源結構形勢的不斷復雜變化，煤炭資源在我國的能源經(jīng)濟仍占據(jù)總能源50%以上，對我國的能源發(fā)展起著主導作用。然而國內煤炭資源所處的工程地質條件較為復雜，大傾角煤層和緩傾斜煤層占很大比例，其中更有上部存在力學性質復雜的復合型頂板，導致開發(fā)難度大大增加。礦井在開采煤炭的過程中，各種問題日益突出，世界上主要采煤的國家對特殊地質條件下的巷道支護技術研究較少，對大傾角煤層回采巷道的圍巖控制技術研究更少，通常采用理論分析、數(shù)值模擬以及相似模型等手段進行近水平巷道失穩(wěn)機理研究[1-5]。雖然國內外學者對大傾角煤層巷道失穩(wěn)機理與控制技術做了大量研究，但仍存在很多研究問題。

本文以桃園煤礦為研究對象，桃園煤礦Ⅱ1044工作面位于大傾角煤巖層。在機巷掘進工作中為滿足一次成巷要求，降低施工難度及安全風險，礦上有兩種斷面方案，一種是梯形斷面，另一種是采取破“L”型內嵌式頂板斷面。在兩種方案中，保持高低幫及跨度尺寸不變。本文以此為背景，運用FLAC3D數(shù)值模擬方法，只考慮在巷道開挖后不支護情況下，不破頂梯形斷面與破頂后斷面對圍巖穩(wěn)定性(尤其高幫和頂?shù)装?影響的對比，分析巷道開挖后的圍巖應力、塑性區(qū)和位移。

1 工程概況

桃園煤礦Ⅱ1044工作面10煤層屬二疊系山西組，煤層厚度為2.5～4.3 m，平均3.5 m，局部含有一層夾矸，厚0～0.4 m，平均0.2 m；煤層傾角28°～44°，平均35°。煤層直接頂為灰色泥巖，厚度為0～2.7 m，平均1 m，中厚層狀，平坦狀-參差狀斷口，斷面富含植物化石碎屑；老頂為灰色至淺灰色細粒細砂巖，厚度為1.3～16.3 m，平均9.5 m，中厚層狀，成份以石英為主，硅泥質膠結，頂部富聚菱鐵質鮞粒，夾有粉砂巖薄層，中下部夾有粉砂質包裹體，垂直裂隙，局部巖層破碎，斷面偶見植物化石碎屑；直接底為深灰色泥巖，厚度為0.3～2.1 m，平均1.2 m，中厚層狀，水平層理，層面見有少量白云母碎片及植物化石，性脆；老底為深灰色粉砂巖，厚度為8.3～11.7 m，平均10 m，中厚層狀，水平層理，層面見有少量白云母碎片及植物化石，性脆。埋深747～776 m，工程中按照最大埋深776 m計算。

Ⅱ1044工作面總體為走向南北、傾向東的單斜構造。根據(jù)周邊巷道實際揭露以及地面三維地震勘探資料解釋，預計該工作面機巷在掘進期間可能揭露的斷層共有2條，落差在0～6 m，其中DF12、BFN106為地面三維地震解釋斷層。

2 模型建立

根據(jù)桃園煤礦Ⅱ1044工作面機巷地質采礦條件，確定模型計算所需的材料參數(shù)，建立FLAC3D數(shù)值分析模型。為簡便應力計算，模型尺寸建成104.7 m×24 m×132.8 m(長×寬×高)，巷道尺寸為高幫5 m，低幫2.8 m，跨度4.6 m。模型四周和底部均采用位移限定邊界(即模型4個側面水平方向速度為0，底面豎直方向速度為0)，在模型頂面施加豎直向下的應力邊界，水平應力按靜水壓力設置。模型采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)屈服準則。

根據(jù)桃園煤礦Ⅱ1044工作面機巷圍巖類別，最終將模型圍巖分為11層，模型以巷道中心為起點，巷道上方的巖層自下往上依次為泥巖、細砂巖、泥巖、細砂巖、粉砂巖，巷道下方的巖層自上往下依次為10煤、泥巖、粉砂巖、泥巖、粉砂巖、細砂巖。為更直觀地反映巷道附近位移、應力和塑性區(qū)的變化，巷道附近設置為最小網(wǎng)格尺寸0.1 m×0.1 m×0.1 m(長×寬×高)。所建立的數(shù)值模擬模型及巖層劃分情況如圖1所示。

模擬時所用的巖層力學參數(shù)根據(jù)實驗室試驗結果和礦上地質資料加以確定。考慮到室內試驗條件與施工現(xiàn)場存在差異，對部分巖體力學參數(shù)做了一定調整。模擬所取的巖體力學參數(shù)見表1。

表1 巖體力學參數(shù)

3 不同巷道斷面形式圍巖穩(wěn)定性

通過改變巷道的斷面形狀，可以有效控制巷道的變形。在桃園煤礦大傾角煤巖層中，為防破壞巖層層理結構，且保證幫部和跨度尺寸滿足工程現(xiàn)場需求，斷面形狀及支護方式的選擇至關重要。就桃園煤礦Ⅱ1044機巷，探究破“L”型內嵌式頂板斷面與不破頂梯形斷面下圍巖穩(wěn)定性的差異。根據(jù)礦上資料及其他大傾角煤礦工程實例顯示[6-10]，此類巷道主要失穩(wěn)位置在幫部和頂?shù)装澹韵轮环治鰞煞N斷面的高幫和頂?shù)装宸€(wěn)定性差異。兩種斷面高低幫、跨度尺寸均相同，破頂點與低幫等高，位于巷道中心線處。

圖2為兩種斷面形式下的垂直應力分布情況，可以看出在不支護情況下開挖，由于上覆巖層荷載的作用，巷道周圍垂直應力分布呈現(xiàn)明顯的非對稱特征。破頂后的巷道垂直應力峰值小于未破頂梯形巷道，且出現(xiàn)應力集中位置到幫側的距離不同，應力集中范圍要大于梯形巷道。破頂巷道相比梯形巷道頂板面積更大，形成更大應力釋放。

(a)梯形斷面

(b)破頂斷面

通過巷道高幫中點，在巷道左部布置50 m長水平監(jiān)測點，得到兩種方案高幫指定水平線上的垂直應力曲線如圖3所示。

圖3 兩種斷面形式高幫圍巖垂直應力對比

從圖3可以看出破頂斷面在距高幫左側2.75 m處時垂直應力達到峰值43.2 MPa，梯形斷面在3 m處達到峰值41.3 MPa，而后都逐漸趨向圍巖原始應力。

為進一步對比兩種斷面形式下的圍巖穩(wěn)定性，對兩方案圍巖塑性區(qū)進行對比，見圖4。

(a)梯形斷面

(b)破頂斷面

由圖4可見，傾斜煤層梯形巷道塑性區(qū)出現(xiàn)在巷道四周，且沿煤層傾角方向分布，而破頂后巷道頂板上方呈現(xiàn)大范圍塑性區(qū)，巷道底板右下角塑性區(qū)減少，兩種斷面的塑性區(qū)破壞類型均為剪切破壞。

通過布置監(jiān)測點，可得兩種方案高幫及頂?shù)装逦灰品植记€，如圖5所示。

(a)

(b)

(c)

由圖5可以看出，與塑性區(qū)范圍變化相對應，大傾角煤層破頂后高幫位移量小于未破頂情況下，頂板的位移量卻明顯大于未破頂情況下，梯形斷面高幫最大位移量135.7 mm，破頂斷面高幫最大位移量122 mm，兩種方案中的巷道高幫左側位移影響范圍在9.5 m左右。

梯形斷面頂板最大位移量47.7 mm，破頂斷面頂板最大位移量80.8 mm。兩種方案的底板位移量差異不大，都在110 mm左右。

4 結 論

通過對桃園煤礦Ⅱ1044工作面機巷破“L”型內嵌式頂板斷面與不破頂梯形斷面數(shù)值模擬對比分析，得到以下結論。

1)相較于未破頂時的梯形斷面，破頂斷面低幫側垂直應力峰值更小，但高幫側應力集中峰值要略大，且出現(xiàn)應力集中位置更靠近巷道。

2)兩種方案塑性區(qū)對比，主要差異出現(xiàn)在破頂斷面頂板上方出現(xiàn)大范圍塑性區(qū)。

3)相較于未破頂時的梯形斷面，破頂斷面高幫位移量減小，但頂板位移量顯著增大，底板位移量差異不明顯。

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