石文朋，魏寶貞，李 楠

(兗州煤業(yè)股份有限公司 東灘煤礦， 山東 鄒城 273500)

在煤礦生產(chǎn)過程中，巷道圍巖的穩(wěn)定直接關(guān)系著煤礦安全高效生產(chǎn)。巷道圍巖的穩(wěn)定性受多種地質(zhì)條件影響，包括褶曲構(gòu)造?？v彎褶曲是巖層受到水平應(yīng)力擠壓而形成的一種褶曲，褶曲區(qū)域應(yīng)力集中程度較高，其附近巷道受到構(gòu)造應(yīng)力的影響[1-2]，對(duì)巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大威脅。學(xué)者們對(duì)各種因素影響下的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行大量研究，提出多種支護(hù)方案[3-7]，但考慮到縱彎褶曲的研究較少。以某礦1310工作面為研究對(duì)象，通過構(gòu)建縱彎褶曲模型，對(duì)縱彎褶曲不同區(qū)域巷道的變形特征展開分析，以確定不同條件下的巷道側(cè)重支護(hù)區(qū)域，為類似地質(zhì)條件下的巷道布置及支護(hù)設(shè)計(jì)提供合理的理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模型建立

采用FLAC3D軟件構(gòu)建縱彎褶曲模型，橫型共設(shè)置為3層，從上至下分別為：上部巖層(18 m)、中部巖層(4 m)、下部巖層(18 m). 沿x方向長(zhǎng)度為120 m，沿y軸方向長(zhǎng)度為6 m，沿z方向高度為40 m. 模型底端z方向固定，模型前后y方向固定，頂部施加垂直應(yīng)力14 MPa，最終形成的縱彎褶曲模型見圖1.

圖1 模型加載邊界條件圖

褶曲數(shù)值模型的巖石力學(xué)參數(shù)賦值參考某礦1310工作面頂板巖層選取，最終參數(shù)見表1.

表1 模型各層巖石的物理力學(xué)參數(shù)表

2 縱彎褶曲不同位置巷道變形特征分析

2.1 塑性破壞特征分析

巷道在背斜、向斜、翼部開挖后，巷道圍巖的塑性區(qū)分布見圖2.

圖2 巷道圍巖塑性區(qū)分布圖

由圖2分析可知：

1) 巷道在背斜及向斜開挖，圍巖塑性區(qū)范圍最大，在翼部開挖，位移塑性區(qū)范圍最小。破壞形式主要是剪切破壞和拉伸破壞相結(jié)合。

2) 在背斜開挖，巷道兩幫上部的破壞縱深較大，以巷道中部為界，圍巖破壞基本呈對(duì)稱狀態(tài)；在向斜開挖，巷道兩幫下部的破壞深度較大，以水平為界，整體破壞狀態(tài)與背斜處基本相反，對(duì)稱情況則與背斜處類似；而在翼部開挖，巷道左幫下部及右?guī)蜕喜科茐纳疃容^大，但縱深要遠(yuǎn)小于背斜及向斜處。

2.2 圍巖位移分布特征分析

巷道圍巖位移量變化曲線見圖3. 由圖3可以看出，對(duì)比整體曲線，在翼部開挖的巷道圍巖位移量最小，曲線圖所展現(xiàn)的結(jié)果與圍巖塑性破壞特征相對(duì)應(yīng)，具體分析如下：

圖3 巷道圍巖位移量曲線圖

1) 最大位移量出現(xiàn)在向斜處巷道的頂板位置，位移量為530.63 mm，該條件下頂板變形量較大，嚴(yán)重影響工作面的生產(chǎn)安全；最小位移量在翼部處巷道的右?guī)停灰屏績(jī)H為104.26 mm.

2) 從頂板位移量來說，在向斜開挖巷道頂板位移量最大，在背斜開挖次之，分別為翼部巷道位移的2.18倍、1.51倍；從底板位移量來看，在背斜開挖最大，為317.63 mm，向斜次之，為261.95 mm，翼部最小，為211.37 mm，背斜和向斜的底板位移量分別為翼部位移量的1.5倍、1.24倍；從兩幫位移量來看，巷道在背斜及向斜開挖，位移量相差不大，分別為544.55 mm、516.65 mm，而在翼部開挖，兩幫位移量?jī)H為222.28 mm，低于背斜及向斜開挖的一半。

綜合分析縱彎褶曲不同位置巷道的塑性破壞特征及圍巖位移特征可知，在翼部處的巷道其穩(wěn)定性要更好，由于變形量少，對(duì)巷道的支護(hù)更簡(jiǎn)單，有利于保障工作面安全生產(chǎn)。與之相反的是向斜處巷道，頂板變形大，破壞嚴(yán)重，非必要情況下不要將巷道布置在向斜處。

3 縱彎褶曲不同位置巷道應(yīng)力分布特征分析

3.1 垂直應(yīng)力分布特征分析

在背斜、向斜、翼部處開挖巷道后，垂直應(yīng)力分布見圖4. 從圖4可以看出，無論在哪個(gè)部位開挖，頂、底板均沒有垂直應(yīng)力集中區(qū)，主要以兩幫為垂直應(yīng)力集中區(qū)，背斜、向斜及翼部的最大垂直應(yīng)力分別為24.56 MPa、23.67 MPa、24.42 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)相差在1%以內(nèi)，向斜受到垂直應(yīng)力的影響程度較小。背斜和向斜的垂直應(yīng)力集中區(qū)域均靠近內(nèi)弧部位，翼部的垂直應(yīng)力集中區(qū)域明顯受到背斜及向斜內(nèi)弧段的影響，其主要靠近向斜和背斜內(nèi)弧段。

圖4 巷道垂直應(yīng)力分布云圖

3.2 水平應(yīng)力分布特征分析

在背斜、向斜、翼部開挖巷道后，縱彎褶曲的水平應(yīng)力分布圖見圖5. 從圖5可以看出，在背斜開挖的巷道底板及其兩邊出現(xiàn)了較大范圍的應(yīng)力集中區(qū)域，最大水平應(yīng)力達(dá)到15.25 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.81，而巷道頂部及兩幫則受水平應(yīng)力影響較??；向斜部位開挖后，巷道圍巖的水平應(yīng)力集中區(qū)域在頂板及其兩邊，兩幫深部也有一定程度的應(yīng)力集中，最大水平應(yīng)力值為13.86 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為3.47. 背斜及向斜處巷道圍巖水平應(yīng)力以巷道中部為界,基本呈對(duì)稱分布。而翼部開挖的巷道圍巖應(yīng)力分布與以上兩種情況差距明顯，巷道周圍均為水平應(yīng)力降低區(qū)，無明顯的水平應(yīng)力集中區(qū)域，進(jìn)一步驗(yàn)證了在縱彎褶曲翼部處開挖巷道的可靠性。

圖5 巷道水平應(yīng)力分布云圖

4 縱彎褶曲不同位置巷道支護(hù)側(cè)重點(diǎn)分析

通過分析縱彎褶曲背斜、向斜及翼部巷道的模擬結(jié)果，得到了巷道圍巖的穩(wěn)定性情況，針對(duì)不同條件下的巷道，其支護(hù)側(cè)重點(diǎn)要有所區(qū)分，具體分析如下：

1) 在背斜區(qū)域開挖的巷道，應(yīng)重點(diǎn)考慮兩幫的支護(hù)，尤其是兩幫的上部，該區(qū)域破碎情況較為嚴(yán)重，支護(hù)難度相對(duì)較大。另外,由于背斜處巷道的底板位移量較大且應(yīng)力集中，還要防止出現(xiàn)底鼓。

2) 由于向斜區(qū)域巷道的頂板位移量較大，且頂部應(yīng)力集中程度也較高，故在向斜區(qū)域開挖的巷道應(yīng)重點(diǎn)考慮頂板支護(hù)，防止出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象。其次，由于兩幫下部的塑性區(qū)發(fā)育較廣，支護(hù)時(shí)也要考慮到該情況。

3) 翼部巷道的塑性區(qū)及應(yīng)力集中區(qū)域均在巷道左幫下部及右?guī)蜕喜?，在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)側(cè)重考慮這兩個(gè)區(qū)域。

5 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬軟件FLAC3D對(duì)縱彎褶曲控制區(qū)域的巷道變形特征及其穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

1) 在縱彎褶曲不同區(qū)域，巷道變形特征不一，背斜及向斜處巷道破壞程度較高，巷道變形明顯且應(yīng)力集中區(qū)域廣，不利于巷道保持穩(wěn)定；翼部處巷道的圍巖變形量最小，受應(yīng)力集中影響程度也最小，在縱彎褶曲區(qū)域布置巷道時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮翼部。

2) 在模擬的基礎(chǔ)上對(duì)縱彎褶曲不同位置處巷道的支護(hù)側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行了分析，背斜處巷道應(yīng)重點(diǎn)支護(hù)兩幫；向斜處則應(yīng)重點(diǎn)支護(hù)頂板；翼部則應(yīng)重點(diǎn)考慮左幫下部及右?guī)蜕喜俊?/p>