红庆梁煤矿11303回风巷底板变形的数值模拟

刘振文， 段燕伟， 刘 志， 秦 涛

(1.黑龙江科技大学 科技处， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 黑龙江省普通高等学校采矿工程重点实验室， 哈尔滨 150022)

0 引 言

回采巷道的底鼓问题一直是煤矿支护的难题之一[1-3]，底鼓现象是由于巷道围岩性质发生变化，使顶底板和两帮岩体变形并向巷道内移动，底板向上隆起[4]。强烈底鼓可能引发矿压等安全问题，因此研究巷道底鼓演化规律，可以从源头上有效地避免底鼓引发的安全问题。

国内外学者对不同条件下回采巷道底鼓演化规律开展了大量的研究工作。孙晓明等[5]利用数值模拟分析了不同应力边界条件下层状底板的变形演化规律。杨仁树等[6]探讨了弱胶结软岩巷道底板层状特性对底鼓的影响。王志强等[7]对沿空巷道底板的非对称应力分布进行分析，得出了巷道底鼓的演化规律。华心祝等[8]通过开展典型条件沿空留巷相似模拟实验，获得了该条件下底鼓的演化规律。曹平等[9]开展了深部不同侧压下底鼓过程模拟，获得了高侧压巷道的底板变形规律。李新旺等[10]分析了夹层厚度在不同侧压系数条件下对底鼓发生的影响因素及巷道底板变形规律。肖福坤等[11]通过对粗砂岩和细砂岩的力学实验分析，开展了裂纹扩展过程中的力学特性和声学特征研究，可为巷道砂岩底板变形规律提供理论指导。江东海等[12]通过建立复杂节理岩体巷道数值模型，获得了该地质条件下的底鼓规律。孙利辉等[13]通过结合理论分析和数值模拟，对比分析了夹层对巷道底鼓量和应力分布规律的影响。

基于以上研究，笔者通过对红庆梁煤矿11303回风巷底板破坏特征的总结分析，利用FLAC3D数值模拟软件，获得了该巷道在掘进稳定后的垂直应力及位移分布情况以及工作面推进不同长度时底板变形演化规律，以期为现场底鼓的防控提供指导。

1 工程概况

红庆梁煤矿3-1煤层厚度为4.70～5.70 m，平均5.15 m。煤层倾角为0～6°，平均倾角为3°。3-1号煤层11303综采工作面沿煤层倾向布置，工作面巷道沿煤层走向布置。该工作面位于3-1煤层辅助运输大巷西部，走向长4 290 m，倾向长为275 m。11303工作面回风巷道在掘进时，巷道变形特征主要表现为底鼓、顶板下沉、两帮移近和锚杆锚索失效等现象；变形量均呈缓慢增加趋势，底鼓量最大达到1.0 m，顶板下沉量达到0.5 m，两帮移近量达到0.5 m。工作面出现煤壁片冒、底鼓、帮鼓等现象，极易诱发顶底板灾害事故，安全风险程度明显增高。

2 巷道底板破坏特征

巷道仰拱底鼓破坏模式与过程会因地质构造、地质条件、荷载、结构设计及施工质量等因素的不同，巷道底鼓破坏模式也有相应的区别。经现场实际观测，红庆梁煤矿11303回风巷存在的底鼓类型主要是挤压流动型。

基底围岩为软弱破碎岩层或基底围岩处于在外力或地下水膨胀作用下，基底围岩承载力将不断下降，相对于支挡结构的岩体，基底围岩强度远小于支挡结构的强度；支挡结构周围及上部围岩在自重应力QS作用下，在隧道拱脚位置易受到较大的剪力产生应力集中现象，基底围岩将产生较大塑性应变，甚至产生流动的状态。发生挤压流动型底鼓破坏，对于仰拱结构，最大拉应力q主要集中在巷道拱脚处和仰拱拱底位置，回填层最大拉应力集中在巷道中心位置表层单元。挤压流动型底鼓破坏过程及示意图见图1。

图1 挤压流动型底鼓破坏过程及示意 Fig. 1 Failure process and schematic of extruded flow type floor heave

3 计算模型的建立

模型采用FLAC3D数值模拟软件，根据钻孔柱状图建立三维计算模型如图2a所示。模型x、y、z方向分别为工作面走向、工作面倾向和重力方向。根据采掘工程平面图和11303工作面采煤规程，巷道宽为5.5 m，高为4.0 m，联络巷宽5.5 m，高为4.0 m，煤柱宽均为20.0 m，由于工作面长度较大，选取回采影响的范围，长度为240.0 m。考虑边界效应，11301采空区、11303采空区和11303运输巷右侧实体煤均设为50.0 m，工作面示意图如图2b所示。因此，模型尺寸设置为440.0 m×240.0 m×73.5 m，共有469 200个单元体和506 729个节点。

图2 三维模型及工作面示意Fig. 2 3D model and working face schematic

本模拟采用摩尔-库仑本构模型，分别对模型的底部和四周施加位移约束，模型顶部施加12.2 MPa的等效载荷。各地层力学参数情况如表1所示。

表1 地层力学参数及厚度

表1中，Kv为体积模量，Kt为剪切模量，c为内聚力，θ为内摩擦角，σ为抗拉强度，ρ为密度，h为岩层厚度。计算时首先根据模拟的条件构成初始应力场，岩层的水平应力根据现场地应力测量结果(σx=17.94 MPa，σy=10.18 MPa)施加。模拟过程分为两个阶段：第1阶段模拟巷道开挖过程，获取巷道稳定后的底板应力和位移分布特征；第2阶段模拟沿当前工作面向前推进不同长度，长度选取为30、60和90 m，获取该过程底板应力和位移的演化规律。

4 巷道底板应力分布特征

4.1 掘巷稳定后巷道围岩应力分布特征

图3为回风巷围岩应力分布云图。由图3a可知，垂直应力高应力区域分布在距巷帮约3.5 m的范围内，应力峰值为19.28 MPa；顶底板为低应力区域。由图3b可知，巷道左侧受煤柱影响出现水平应力集中，应力峰值为3.80 MPa，低应力区分布大致呈“X”型。顶底板为低应力区，两帮为高应力区。

图3 回风巷围岩应力分布云图 Fig. 3 Stress distribution nephogram of roadway surrounding rock

4.2 工作面推进过程巷道底板应力分布特征

为获得推进过程底板的应力演化规律，选取工作面前方底板(表面以下0.5 m)在倾向上的不同位置，其倾向垂直应力分布如图4所示。

图4 工作面推进期间底板倾向垂直应力变化曲线Fig. 4 Vertical stress curve of floor inclination during working face advancing

由图4可知，巷道左右两侧各存在一个支承压力增高区，且两侧大致对称。非采动侧底板垂直应力稳定，而工作面底板垂直应力变化较大。这是因为采动作用打破了原始的应力平衡，距采动区域越近，影响越大。底板垂直应力与距煤壁距离l有关，煤壁处底板垂直应力最小，距煤壁10 m处最大，随着距煤壁的距离增加，垂直应力逐渐降低，接近原岩应力。

底板垂直应力随工作面推进发生变化，煤壁处垂直应力最大值从12.14 MPa下降到9.87 MPa；距煤壁10 m处底板垂直应力增长趋势加快，最大值由18.00 MPa增到21.10 MPa；距煤壁20 m处底板垂直应力增长幅度变小，最大值由15.20 MPa增到16.90 MPa；随着距煤壁距离的增加，这种变化越来越小，这说明采动影响在煤壁前10～20 m范围内较大。沿走向底板垂直应力分布如图5所示。

图5 工作面推进期间底板走向垂直应力变化曲线Fig. 5 Vertical stress curve of floor strike during working face advance

由图5可知，工作面推进期间底板走向垂直应力变化曲线分为3类：巷中、巷左和巷右。巷中和巷左底板垂直应力分布比较稳定，在工作面开采前后10 m范围内应力变大，由于巷左为煤柱，应力集中程度较大，巷左底板垂直应力大于巷中。巷右为工作面，底板垂直应力变化较大，在开采范围内垂直应力急剧减小，几乎为零；在工作面前后10 m处，底板垂直应力最大，并向两侧逐渐降低，最终趋于稳定。随着工作面长度的推进，开采范围变大，巷道底板的影响范围也变大，垂直应力的波动也有所增加，这说明工作面开采在走向上影响较大。

5 巷道底板变形特征

5.1 掘巷稳定后巷道围岩变形特征

为准确反映巷道围岩在倾向上的位移情况，图6为巷道掘进稳定后沿倾向围岩变形曲线。

图6 沿倾向巷道围岩变形曲线Fig. 6 Deformation curve of surrounding rock along dipping roadway

从图6可以看出，巷道顶板下沉量最大，基本保持在78 mm，在煤壁处下沉量略有波动，在煤壁前方30 m后达到稳定；巷道底鼓量次之，在采空区底鼓量相对稳定为50 mm，在煤壁处稍有增加，在煤壁前方30 m逐渐稳定，其底鼓量达到53 mm；巷道两帮偏移量较小，且左帮略小于右帮，左右两帮分别稳定在12.5 mm和15.3 mm。围岩各变形量在煤壁前方区域变化不大，在y=80 m，即煤壁前方30 m后区域稳定。采空区顶板下沉量和底鼓量变化不大，两帮偏移量变化较大。

图7为巷道围岩位移分布云图。 由图7a～c可知，巷道左、右帮位移呈非对称分布，这是由于回风巷左侧煤柱在巷道掘进之前进行了应力平衡，掘进对其影响相对较小。巷道掘进稳定后，顶板下沉量为78.8 mm，底鼓量为50.4 mm；左、右帮偏移量分别为12.5 mm和15.3 mm。由图7d知，巷道开挖后，顶板位移方向垂直向下，底板位移方向垂直向上，左右帮偏移量最小，方向基本保持垂直向下，部分指向底角，且右帮偏移的角度较大，这与巷道的位移分布云图规律一致。

图7 巷道围岩位移分布云图 Fig. 7 Displacement distribution nephogram of roadway surrounding rock

5.2 工作面推进过程巷道底板变形特征

工作面推进期间沿走向底鼓量变化曲线如图8所示。

图8 工作面推进期间沿走向底鼓量变化曲线 Fig. 8 Change curves of floor heave along strike during working face advancing

由图8可知，工作面推进期间，沿走向根据底鼓量的变化可分为采空区、煤壁后区和煤壁前区。在采空区和煤壁前区，巷道底鼓量变化不大；在煤壁后区阶段变化相对较大，尤其在过渡区域变化较大，过渡区域为区域界线向两侧延伸各10 m。

底鼓量变化曲线分为两类：凸型和凹型。巷中和巷右底鼓量变化曲线为凸型，巷左为凹型。巷中底鼓量均为正值，表现为底鼓。巷右底鼓量变化范围较大，在采空区和煤壁前区均为负值，表现为下沉，且巷右底鼓量与距巷中距离呈正相关。巷左底鼓量均为负值，表现为下沉。巷左底鼓量曲线基本重合，说明几乎不受距巷中距离的影响。

工作面推进不同长度，巷道底鼓量在走向上变化规律基本一致。随着工作面的推进，开采范围变大，巷道底板的影响范围也变大，底鼓量的波动也有所增加，这说明工作面开采在走向上影响较大。对比底鼓量增加幅度，第2次相比第1次变化较大，第3次较第2次变化不大，说明初次开采对巷道稳定影响较大。

6 结 论

(1)掘巷稳定后，垂直应力高应力区域分布在距巷帮约3.5 m的范围内，应力峰值为19.28 MPa，顶底板为低应力区域；巷道左侧出现水平应力集中，应力峰值为3.80 MPa，低应力区分布在顶底角位置，大致呈“X”型分布。围岩各变形量在煤壁前后10 m范围内波动，在煤壁前方30 m区域达到稳定。

(2)工作面推进期间，底板垂直应力和变形受采动影响较大。垂直应力沿倾向在煤壁前方10～20 m范围最大，两侧应力逐渐降低；底板沿走向垂直应力和变形均与位置有关，距工作面越近波动越大。对比3次推进垂直应力和底鼓量的增加幅度，发现初次推进影响最大。