不同侧压系数下综放切眼围岩变形规律研究

付旭东

(潞安集团慈林山煤业有限公司 李村煤矿，山西 长治 046600)

煤矿事故中顶板事故最为频发[1]。随着煤矿开采设备、工艺、技术的不断革新，巷道断面的增大，其支护问题随之出现，传统支护方式难以满足支护要求。相关学者对大断面切眼支护已做了大量研究[2-4]，由传统架棚支护优化为锚索支护辅以工字钢棚和原木补强支护；大跨度巷道围岩变形规律及控制方面的研究也很多[5-7]。

本文以潞安集团某矿7801工作面切眼为背景，采用数值模拟方法对大跨度综放切眼在不同侧压系数下围岩变形规律进行研究。

1 工程概况

潞安集团公司某矿主采3号煤层，煤层倾角平均10°，平均厚度6.52 m。7801工作面两巷道断面为5 m×3.5 m，切眼断面为8 m×3.2 m，切眼两端头断面为10 m×3.2 m，7801切眼埋深500 m。切眼顶板离层、变形严重。

煤层顶底板为泥岩、炭质泥岩、砂质泥岩互层，7801切眼围岩受小构造、砂岩水的影响，强度不高，顶板是弱化复合型顶板。

2 模型建立及数值计算方案

采用FLAC3D数值模拟软件进行计算，模型尺寸为长45 m×宽50 m×高82 m，考虑到计算精度，为尽可能准确地考察巷道围岩变形和受力情况，模型中巷道附近单元格较密，远离巷道处单元划分较疏，模型共划分了230 000个网格。模型如图1所示。

图1 数值计算模型

对工作面埋深为500 m，切眼跨度为8 m，相同支护强度下，侧压系数分别为λ=0.5、1、1.5、2时，切眼塑性区分布规律和围岩位移分布规律进行分析。

3 模拟结果分析

3.1 不同侧压系数下切眼围岩塑性区分布规律

图2为不同侧压系数下切眼围岩塑性区分布。由图2可知，切眼在断面大小及支护参数相同的情况下，随着侧压系数增大，切眼围岩塑性区范围增大，且顶板塑性区范围大于底板塑性区范围，两帮塑性区范围呈减小趋势，但变化不明显。侧压系数不同，其塑性区形状也不同，整体呈对称分布。λ=0.5时，塑性区分布呈“马鞍”形，底板塑性区范围不连续，两帮塑性区较发育；λ=1时，塑性区分布呈“椭圆”形，顶板塑性区范围大于底板范围；λ=1.5时，塑性区分布呈“葫芦”形；λ=2时，塑性区呈“倒梯形”分布。

图2 不同侧压系数切眼围岩塑性区分布

λ=0.5时，塑性区半径为7.6 m；λ=1时，塑性区半径为8.2 m；λ=1.5时，塑性区半径为8.9 m；λ=2时，塑性区半径为9 m。围岩塑性区半径随不同侧压系数变化曲线如图3所示。

图3 塑性区半径变化曲线

从图3可知，塑性区半径随着侧压系数的增大而增大，通过对围岩塑性区半径变化曲线多项式拟合，多项式为y=-0.5x2+2.23x+6.575，拟合度为0.942 91，拟合曲线表明随着侧压系数增大，塑性区半径增大速率在不断变小。

3.2 不同侧压系数下切眼围岩变形规律

3.2.1 不同侧压系数切眼垂直位移分布规律

图4为不同侧压系数切眼垂直位移分布云图。从图4可知，顶板下沉量和底鼓量都随着侧压系数的增大呈现不同程度的增大，同理顶底板移近量也在增加，顶板下沉量增幅大于底鼓量增幅，侧压系数从0.5增大到2时，顶板最大下沉量从66.9 mm变化到208 mm，增大幅度210.9%，底鼓量从37.8 mm变化到89.5 mm，增大幅度为136.8%；说明侧压系数对切眼顶板下沉量影响较大。

图4 不同侧压系数切眼垂直位移分布云图

表1为不同侧压系数围岩变形量，图5为不同侧压系数垂直位移分布曲线，通过对顶底板移近量变化曲线多项式拟合，多项式为：y=39.5x2+33.07x+75.825，拟合度为0.983 6，拟合曲线表明随着侧压系数增大，顶底板移近量增大速率在不断变大。

表1 不同侧压系数围岩变形量

图5 不同侧压系数垂直位移分布曲线

3.2.2 不同侧压系数切眼水平位移分布规律

图6为不同侧压系数切眼水平位移分布云图。从图6可知，两帮移近量随着侧压系数增大而增加，且增幅大于顶板移近量，侧压系数从0.5增大到2时，两帮移近量从49.8 mm变化到179 mm，增大幅度259%。说明侧压系数对巷道两帮移近量影响非常大。

图7为不同侧压系数水平位移分布曲线。通过对两帮移近量变化曲线多项式拟合，多项式为：y=32.3x2+5.47x+38.925，拟合度为0.999 97，拟合曲线表明随着侧压系数增大，两帮移近量增大速率在不断变大。

图7 不同侧压系数水平位移分布曲线

4 结 语

1) 在切眼跨度和支护条件相同的条件下，塑性区半径随着侧压系数的增大而增加，塑性区形状在不断变化，依次为：“马鞍”形、椭圆形、“葫芦”形、倒梯形。

2) 随着侧压系数的增大，顶板下沉量、底鼓量、顶底板移近量、两帮移近量均增加，顶板下沉量增幅大于底鼓量增幅，顶底板移近量大于两帮移近量，但两帮移近量增幅大于顶底板移近量增幅，说明随着侧压系数增大，围岩变形严重。

3) 通过对围岩塑性区半径、顶底板移近量、两帮移近量进行多项式拟合，拟合度分别为0.942 91、0.983 6、0.999 97。说明围岩塑性区半径、顶底板移近量、两帮移近量随侧压系数变化曲线符合多项式。