關(guān) 波

（潞安化工集團(tuán)五陽煤礦，山西 長治 046205）

引言

煤炭作為我國主要的能源供應(yīng)形式，隨著不斷的開采使用，我國東部地區(qū)的煤炭資源逐漸減少，西北部地區(qū)的煤炭儲量豐富，且目前的開采使用率較低。我國西北部地區(qū)的煤炭礦區(qū)成巖時(shí)間相對較短，煤層底板多為粉砂泥巖、碳質(zhì)泥巖及中細(xì)砂巖等弱膠結(jié)的軟巖為主，巖層的力學(xué)強(qiáng)度較低[1]，容易遇水膨脹泥化，膠結(jié)性差。對此煤巖下的煤炭進(jìn)行開采，進(jìn)行巷道挖掘的過程中，大斷面的軟巖容易出現(xiàn)圍巖的塑性變形范圍大，復(fù)合頂板的下沉導(dǎo)致巷道彎曲破壞[2]。針對巷道掘進(jìn)過程中，引起巷道變形的主要因素采用仿真分析的方式對其變形作用進(jìn)行分析[3]，從而對巷道的支護(hù)提供參考，針對性的進(jìn)行巷道支護(hù)，減小巷道的變形，保證煤礦的生產(chǎn)安全。

1 巷道圍巖變形分析模型的建立

對引起巷道變形的影響因素作用進(jìn)行仿真分析，在巖土工程數(shù)值模擬的軟件中，選用FLAC3D 對工作面巷道的變形破壞進(jìn)行數(shù)值模擬。FLAC3D 能夠?qū)r石、土質(zhì)及其他的三維受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬[4]，特別是針對巖層的彈塑性破壞進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，在巖土工程界具有廣泛的應(yīng)用，適用于對巷道的變形進(jìn)行分析。

以某正在開采中的弱膠結(jié)軟巖巷道為例對巷道的變形進(jìn)行分析，煤層的埋深為540 m，側(cè)壓力系數(shù)為1.2，對引起巷道變形的因素進(jìn)行分析，設(shè)定模型的大小為100 m×20 m×100 m（長×寬×高），巷道的斷面尺寸為5.6 m×3.6 m，是大斷面巷道，對于巷道的變形更加敏感，建立巷道的模型，如圖1 所示。其中上覆頂板的壓力以垂直地層的載荷形式施加到模型的上邊界上[5]。巖層的結(jié)構(gòu)分布主要有中粒砂巖、粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖及泥巖和煤層，分別設(shè)定相應(yīng)層巖的物理參數(shù)。在弱膠結(jié)軟巖巷道的變形因素中，巖層的層理結(jié)構(gòu)及側(cè)壓力系數(shù)對巷道的變形具有直接的影響作用。在所建立的模型中，分別進(jìn)行不同層理結(jié)構(gòu)及側(cè)壓力系數(shù)的設(shè)定[6]，對巷道的變形進(jìn)行分析。

圖1 弱膠結(jié)軟巖巷道數(shù)值分析模型

2 巷道變形影響參數(shù)的作用仿真分析

2.1 層理結(jié)構(gòu)對巷道變形的影響分析

弱膠結(jié)軟巖巷道進(jìn)行頂板開挖后，由于各層的強(qiáng)度、剛度及受力不同，各巖層間不能同時(shí)下沉，且層理面的強(qiáng)度較低，統(tǒng)一出現(xiàn)頂板的分離層。層理結(jié)構(gòu)面的巖體強(qiáng)度較低，分布不均勻，巷道掘進(jìn)后會出現(xiàn)頂板的離層及斷裂等問題。采用不同的節(jié)理單元模擬不同的層理結(jié)構(gòu)[7]，對層理結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)選擇，如表1所示，由此對圍巖的變形進(jìn)行分析。

表1 不同層理結(jié)構(gòu)模擬參數(shù)值

對不同的層理結(jié)構(gòu)引起的巷道變形進(jìn)行分析，巷道圍巖的破壞形態(tài)呈現(xiàn)非均勻性，圍巖兩幫的支撐壓力表現(xiàn)為垂直方向的應(yīng)力，對巷道的位移進(jìn)行分析[8]。當(dāng)法向節(jié)理剛度為1 GPa 時(shí)，巷道的垂直位移分布，如下頁圖2 所示。

圖2 節(jié)理剛度1 GPa 時(shí)巷道圍巖垂直位移

依次對4 中不同的層理結(jié)構(gòu)面進(jìn)行模擬，在模擬過程中，隨著層理結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)增強(qiáng)，則弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖的頂板下沉量、底板鼓起及兩幫的變形量整體呈現(xiàn)一定的減弱趨勢，兩側(cè)具有對稱性[9]。在節(jié)理參數(shù)的剛度達(dá)到6 GPa時(shí)，其層理結(jié)構(gòu)的影響逐漸減弱，位移的變化逐漸減小并趨于零。此時(shí)，巷道的變形位移主要集中在巷道的中部位置，兩幫的水平位移變形主要集中在巷道幫部的中部及中上部位置。這是由于較弱的節(jié)理面受到水平方向的擠壓作用產(chǎn)生剪切破壞變形[10]，節(jié)理面越弱則變形越大。對不同層理結(jié)構(gòu)的巷道頂板最大下沉量、幫部的最大水平位移及最大底鼓量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如圖3 所示的變化曲線。

圖3 巷道變形隨節(jié)理剛度的變化曲線

從圖3 中可以看出，隨著節(jié)理剛度的增加，巷道圍巖相應(yīng)的最大變形量逐漸減小，在三處位移變形中，頂板的變形位移量最大，其次為幫部的變形位移量，底鼓的變形位移量最小。在節(jié)理剛度變化的過程中，在節(jié)理剛度小于3 GPa 時(shí)，巷道頂板最大下沉量、幫部的最大水平位移及最大底鼓量具有明顯的增加[11]，這說明在弱膠結(jié)軟巖巷道中，層理結(jié)構(gòu)提高了變形對節(jié)理面的敏感度。隨著節(jié)理面層理結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)的增強(qiáng)，變形量具有較大的減小。巷道頂板的層理結(jié)構(gòu)面是圍巖系統(tǒng)的薄弱面，容易造成巖層裂隙的擴(kuò)展，導(dǎo)致巷道變形的增加。進(jìn)行巷道支護(hù)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)巷道支護(hù)的強(qiáng)度，特別是在變形較大的巷頂中部及巷幫的位置，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

2.2 側(cè)壓力系數(shù)對巷道變形的影響分析

進(jìn)行巷道掘進(jìn)的過程中，由于地應(yīng)力的復(fù)雜多變，在不同的應(yīng)力狀態(tài)下對巷道的破壞影響各異，其中水平應(yīng)力場的影響作用較大。為準(zhǔn)確了解水平應(yīng)力場對弱膠結(jié)軟巖巷道變形的影響，針對不同的水平應(yīng)力場[12]，選擇六種不同的側(cè)壓力系數(shù)，分別為0.2、0.5、1.0、1.5、2.0 及2.5，對巷道的變形進(jìn)行模擬分析，從而為巷道的支護(hù)提供參考。對不同側(cè)壓力系數(shù)的巷道頂板最大下沉量、幫部的最大水平位移及最大底鼓量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所示的變化曲線，如圖4 所示。

圖4 巷道變形隨側(cè)壓力系數(shù)的變化曲線

從圖4 中可以看出，巷道的變形頂板最大下沉量、幫部的最大水平位移及最大底鼓量均隨著側(cè)壓系數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。在側(cè)壓系數(shù)較小時(shí)，巷道頂板最大下沉量、幫部的最大水平位移及最大底鼓量隨側(cè)壓系數(shù)的增加有一定的減小，但幅度較低，變化不明顯；在側(cè)壓系數(shù)為0.5 時(shí)，巷道圍巖變形量最小；隨著側(cè)壓力系數(shù)的增加，巷道頂板最大下沉量、幫部的最大水平位移及最大底鼓量也隨之增加，其中以底鼓量的增加最小，幫部變形量次之，頂板的下沉量最大；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)大于2 時(shí)，幫部變形量及底鼓量的增加明顯加快，幫部的變形量大于底鼓的變形量。由此說明，在對巷道進(jìn)行支護(hù)的過程中，可依據(jù)側(cè)壓系數(shù)的不同進(jìn)行支護(hù)方案的設(shè)計(jì)，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)小于1.5 時(shí)，應(yīng)對頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)；當(dāng)側(cè)壓系數(shù)大于1.5時(shí)，應(yīng)對頂板及底板和兩幫都要加強(qiáng)支護(hù)，減小巷道圍巖的變形。

3 結(jié)語

巷道變形對煤礦的安全生產(chǎn)具有嚴(yán)重的影響，特別是在西北部地區(qū)的弱膠結(jié)軟巖巷道中，對巷道的變形要進(jìn)行重點(diǎn)的支護(hù)。依據(jù)煤層分布的地質(zhì)因素，對影響巷道變形的層理結(jié)構(gòu)及側(cè)壓力系數(shù)對巷道的變形作用進(jìn)行分析。采用FLAC3D 單因素仿真的方式進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，層理結(jié)構(gòu)面是圍巖的薄弱面，隨著節(jié)理剛度的增加，巷道圍巖相應(yīng)的最大變形量逐漸減?。徊煌綉?yīng)力場的側(cè)壓力系數(shù)不同，對巷道的變形具有顯著的影響，巷道變形隨著側(cè)壓系數(shù)的增加呈現(xiàn)增加的趨勢。進(jìn)行巷道支護(hù)的過程中，應(yīng)增加支護(hù)強(qiáng)度，降低層理結(jié)構(gòu)的軟化效應(yīng)，當(dāng)側(cè)壓系數(shù)小于1.5 時(shí)，對頂板進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，當(dāng)大于1.5 時(shí)，對頂板及底板和兩幫都要加強(qiáng)支護(hù)，提高巷道的支護(hù)水平，保證煤礦的安全生產(chǎn)。