不同石灰?guī)r頂板厚度下的黃泥頂板變形特性研究

魏啟俊

（陽泉煤業(yè)集團(tuán)翼城石丘煤業(yè)有限公司）

隨著賦存良好的煤炭資源開采殆盡，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的煤炭資源開采成為常態(tài)［1-10］，開采過程中煤層會出現(xiàn)不同程度的變形和破壞，因此，研究復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤層開采后的變形特征具有重要意義。本文以石丘煤礦9+10#煤層為背景，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立下不同石灰?guī)r頂板與黃泥頂板厚度的數(shù)值模型，得出其圍巖變形、垂直應(yīng)力、矢量位移與體積應(yīng)變情況，探究不同厚度石灰?guī)r頂板對不同厚度黃泥頂板變形特性的影響，并提出不同支護(hù)方式，以期為礦山后續(xù)的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

石丘煤礦9+10#煤層走向近東西，傾向北，厚度為2.49～2.96 m，平均厚度2.70 m，含0～1 層夾石，結(jié)構(gòu)簡單?；卷敒榛疑?guī)r，厚度為6.45～13.70 m，平均厚度為10.82 m。底板為灰色鋁質(zhì)泥巖，厚度為0.60～6.55 m，平均厚度為2.98 m。井田煤層總體走向近東西，傾向北的單斜構(gòu)造，煤層傾角一般為5°～8°，局部達(dá)15°左右，井田內(nèi)發(fā)育1條斷層，未發(fā)現(xiàn)陷落柱及褶曲，井田構(gòu)造復(fù)雜程度屬簡單類。

9+10#煤層基本頂為灰色石灰?guī)r，厚層狀、質(zhì)堅硬、性脆、裂隙較發(fā)育，組成了穩(wěn)定性好的頂板，易管理，但裂隙發(fā)育，易造成滲水和涌水，對開采帶來不利因素。直接頂多為黃泥巖，厚度為1.8～4.2 m，黃泥巖遇水泥化膨脹，頂板變形嚴(yán)重［11-18］。底板為鋁質(zhì)泥巖，致密，性脆，裂隙較不發(fā)育，遇水易軟化，易發(fā)生底鼓現(xiàn)象（頂面來壓時），頂?shù)装鍘r性特征見表1。

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2 不同石灰?guī)r頂板厚度的數(shù)值模型

石丘煤礦主采煤層9+10#煤層的直接頂為黃泥巖，厚度為1.8～4.2 m；由于基本頂為石灰?guī)r，含水程度中等。隨回采巷道的開挖，黃泥巖遇水泥化膨脹，頂板變化劇烈。針對不同厚度的黃泥巖及不同厚度的石灰?guī)r條件下的回采巷道圍巖變形特征，通過數(shù)值計算軟件FLAC3D建立數(shù)值計算模型，分析不同條件下圍巖破壞特征及應(yīng)力變化規(guī)律。

為分析9+10#煤層中回采巷道掘進(jìn)中圍巖變形特征，根據(jù)煤層頂?shù)装鍡l件，以二采區(qū)運(yùn)輸大巷為例，巷道凈寬3.8 m，高2.5 m。建立不同石灰?guī)r厚度頂板（4，8 m）與黃泥頂板（1.5，3.5 m）的數(shù)值模型。根據(jù)回采巷道所處的地質(zhì)條件，建立巷道剖面-平面應(yīng)變模型，模型寬度取64.4 m。模型兩側(cè)面為滑動支承，底部為固定支承，上部為應(yīng)力邊界，施加垂直向下的15 MPa地應(yīng)力。力學(xué)模型如圖1所示。參照該礦實(shí)際巖體力學(xué)特性和相近礦區(qū)的巖體力學(xué)參數(shù)確定。模型中主要巖層的主要力學(xué)參數(shù)見表2，節(jié)理特性考慮采動影響，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫侖及應(yīng)變軟化模型。

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3 不同石灰?guī)r頂板厚度下黃泥巖頂板變形分析

黃泥巖厚度為1.5 m，石灰?guī)r厚度為4.0 m 時，圍巖變形狀況如圖2 所示。黃泥頂板與石灰?guī)r頂板間的離層較小，頂板變形嚴(yán)重，兩幫及底板變形并不大；幫部高應(yīng)力核與兩幫距離為1.43 m，最大應(yīng)力達(dá)到9.0 MPa；頂板最大下沉量達(dá)到1.118 m，最大離層量為0.09 m；最大體積應(yīng)變?yōu)?.45，位于回采巷道黃泥頂板表面。

黃泥巖厚度為1.5 m，石灰?guī)r厚度為8.0 m 時，圍巖變形狀況如圖3 所示。黃泥頂板與石灰?guī)r頂板間出現(xiàn)的離層量較小，頂板變形嚴(yán)重，兩幫及底板變形并不大；幫部高應(yīng)力核與兩幫距離為1.52 m，最大應(yīng)力達(dá)到9.0 MPa；頂板最大下沉量達(dá)到1.063 m，最大離層量為0.093 m；最大體積應(yīng)變?yōu)?.45，位于回采巷道黃泥頂板表面。

黃泥巖厚度為3.5 m，石灰?guī)r厚度為4.0 m 時，圍巖變形狀況如圖4 所示。黃泥頂板與石灰?guī)r頂板間出現(xiàn)的離層量較小，頂板變形嚴(yán)重，兩幫及底板變形并不大；幫部高應(yīng)力核與兩幫距離為1.42 m，最大應(yīng)力達(dá)到9.0 MPa；頂板最大下沉量達(dá)到1.157 m，最大離層量為0.052 m；最大體積應(yīng)變?yōu)?.4，位于回采巷道黃泥頂板表面。

黃泥巖厚度為3.5 m，石灰?guī)r厚度為8.0 m 時，圍巖變形狀況如圖5 所示。黃泥頂板與石灰?guī)r頂板間出現(xiàn)的離層量較小，頂板變形嚴(yán)重，兩幫及底板變形并不大；幫部高應(yīng)力核與兩幫距離為1.4 m，最大應(yīng)力達(dá)到8.0 MPa；頂板最大下沉量達(dá)到1.172 m，最大離層量為0.053 m；最大體積應(yīng)變?yōu)?.4，位于回采巷道黃泥頂板表面。

4 不同石灰?guī)r頂板厚度下黃泥巖頂板變形規(guī)律

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，分別對不同石灰?guī)r頂板厚度條件下的最大黃泥頂板下沉量和最大頂板離層量進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6 所示。整體上，黃泥頂板的最大下沉量和最大離層量變化規(guī)律大致相似，石灰?guī)r厚度小于6 m 并且黃泥巖厚度小于3.5 m 時，最大頂板下沉量變化較??；石灰?guī)r厚度小于6 m 并且黃泥巖厚度大于3.5 m 時，頂板最大下沉量隨黃泥巖厚度的增加迅速增加；當(dāng)石灰?guī)r的厚度大于6.0 m，最大離層量隨黃泥巖厚度的增加而減小。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果以及工程現(xiàn)場的頂板實(shí)際破碎形態(tài)，可以將黃泥不穩(wěn)定頂板條件下回采巷道的變形特征大致分為3類：

（1）離層破碎型：黃泥巖厚度小于1.5 時，頂板下沉量大，基本處于破碎狀態(tài)。

（2）離層膨脹型：黃泥巖厚度為1.5～3.5 m 時，頂板下沉量隨黃泥巖厚度的變化不大，而頂板離層量則隨黃泥巖厚度的增加迅速減小。頂板下沉量為頂板離層量與黃泥的膨脹變形量之和。

（3）膨脹蠕變型：黃泥巖厚度大于3.5 m 后，頂板離層量相對較小，頂板下沉量主要為黃泥的膨脹蠕變變形量。

5 不同巷道頂板變形特征下支護(hù)參數(shù)設(shè)計

（1）離層破碎型支護(hù)。對于離層破碎型頂板，巷道支護(hù)采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方式。錨桿為直徑22 mm、長2.2 m 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，錨索為直徑17.8 mm 的預(yù)應(yīng)力錨索，長8.0 m，排距為1 500 mm。巷道肩部錨桿角度為60°～65°，底角錨桿與水平線夾角為10°，如圖7所示。

（2）離層膨脹型支護(hù)。對于離層膨脹型頂板，巷道支護(hù)采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方式。錨桿為直徑22 mm、長2.2 m 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，錨索為直徑17.8 mm 的預(yù)應(yīng)力錨索，長8.0m，采用五花布置方式，間排距為1 000 mm×1 600 mm。巷道肩部錨桿角度為60°～65°，底角錨桿與水平線夾角為10°，如圖8所示。

（3）膨脹蠕變型支護(hù)。對于膨脹蠕變型頂板，巷道支護(hù)采用錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)方式。錨桿為直徑22 mm、長2.4 m 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，錨索為直徑17.8 mm 的預(yù)應(yīng)力錨索，長8.0m，間排距為1 800 mm×1 500 mm。巷道肩部錨桿角度為60°～65°，底角錨桿與水平線夾角為10°，如圖9所示。

6 結(jié) 語

（1）建立不同厚度石灰?guī)r頂板與不同厚度黃泥巖頂板的數(shù)值模型，分析不同厚度條件下的圍巖變形、垂直應(yīng)力、位移矢量與體積應(yīng)變。

（2）通過對不同石灰?guī)r頂板厚度條件下的最大黃泥頂板下沉量和最大頂板離層量進(jìn)行對比，得出黃泥頂板的最大下沉量和最大離層量變化規(guī)律大致相似，石灰?guī)r厚度小于6 m 并且黃泥巖厚度小于3.5 m時，最大頂板下沉量變化較小；石灰?guī)r厚度小于6 m并且黃泥巖厚度大于3.5 m 時，頂板最大下沉量隨黃泥巖厚度的增加迅速增加；當(dāng)石灰?guī)r的厚度大于6.0 m，最大離層量隨黃泥巖厚度的增加而減小。

（3）根據(jù)黃泥頂板的變態(tài)特征，將黃泥頂板劃分為離層破碎型、離層膨脹型、離層蠕變型，并對不同變形特征的頂板設(shè)計了相應(yīng)的錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方案。