破顶断面对围岩稳定性的影响数值模拟研究

方 勇，娄培杰，张必昇

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

0 前 言

随着当前世界能源结构形势的不断复杂变化，煤炭资源在我国的能源经济仍占据总能源50%以上，对我国的能源发展起着主导作用。然而国内煤炭资源所处的工程地质条件较为复杂，大倾角煤层和缓倾斜煤层占很大比例，其中更有上部存在力学性质复杂的复合型顶板，导致开发难度大大增加。矿井在开采煤炭的过程中，各种问题日益突出，世界上主要采煤的国家对特殊地质条件下的巷道支护技术研究较少，对大倾角煤层回采巷道的围岩控制技术研究更少，通常采用理论分析、数值模拟以及相似模型等手段进行近水平巷道失稳机理研究[1-5]。虽然国内外学者对大倾角煤层巷道失稳机理与控制技术做了大量研究，但仍存在很多研究问题。

本文以桃园煤矿为研究对象，桃园煤矿Ⅱ1044工作面位于大倾角煤岩层。在机巷掘进工作中为满足一次成巷要求，降低施工难度及安全风险，矿上有两种断面方案，一种是梯形断面，另一种是采取破“L”型内嵌式顶板断面。在两种方案中，保持高低帮及跨度尺寸不变。本文以此为背景，运用FLAC3D数值模拟方法，只考虑在巷道开挖后不支护情况下，不破顶梯形断面与破顶后断面对围岩稳定性(尤其高帮和顶底板)影响的对比，分析巷道开挖后的围岩应力、塑性区和位移。

1 工程概况

桃园煤矿Ⅱ1044工作面10煤层属二叠系山西组，煤层厚度为2.5～4.3 m，平均3.5 m，局部含有一层夹矸，厚0～0.4 m，平均0.2 m；煤层倾角28°～44°，平均35°。煤层直接顶为灰色泥岩，厚度为0～2.7 m，平均1 m，中厚层状，平坦状-参差状断口，断面富含植物化石碎屑；老顶为灰色至浅灰色细粒细砂岩，厚度为1.3～16.3 m，平均9.5 m，中厚层状，成份以石英为主，硅泥质胶结，顶部富聚菱铁质鲕粒，夹有粉砂岩薄层，中下部夹有粉砂质包裹体，垂直裂隙，局部岩层破碎，断面偶见植物化石碎屑；直接底为深灰色泥岩，厚度为0.3～2.1 m，平均1.2 m，中厚层状，水平层理，层面见有少量白云母碎片及植物化石，性脆；老底为深灰色粉砂岩，厚度为8.3～11.7 m，平均10 m，中厚层状，水平层理，层面见有少量白云母碎片及植物化石，性脆。埋深747～776 m，工程中按照最大埋深776 m计算。

Ⅱ1044工作面总体为走向南北、倾向东的单斜构造。根据周边巷道实际揭露以及地面三维地震勘探资料解释，预计该工作面机巷在掘进期间可能揭露的断层共有2条，落差在0～6 m，其中DF12、BFN106为地面三维地震解释断层。

2 模型建立

根据桃园煤矿Ⅱ1044工作面机巷地质采矿条件，确定模型计算所需的材料参数，建立FLAC3D数值分析模型。为简便应力计算，模型尺寸建成104.7 m×24 m×132.8 m(长×宽×高)，巷道尺寸为高帮5 m，低帮2.8 m，跨度4.6 m。模型四周和底部均采用位移限定边界(即模型4个侧面水平方向速度为0，底面竖直方向速度为0)，在模型顶面施加竖直向下的应力边界，水平应力按静水压力设置。模型采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)屈服准则。

根据桃园煤矿Ⅱ1044工作面机巷围岩类别，最终将模型围岩分为11层，模型以巷道中心为起点，巷道上方的岩层自下往上依次为泥岩、细砂岩、泥岩、细砂岩、粉砂岩，巷道下方的岩层自上往下依次为10煤、泥岩、粉砂岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩。为更直观地反映巷道附近位移、应力和塑性区的变化，巷道附近设置为最小网格尺寸0.1 m×0.1 m×0.1 m(长×宽×高)。所建立的数值模拟模型及岩层划分情况如图1所示。

模拟时所用的岩层力学参数根据实验室试验结果和矿上地质资料加以确定。考虑到室内试验条件与施工现场存在差异，对部分岩体力学参数做了一定调整。模拟所取的岩体力学参数见表1。

表1 岩体力学参数

3 不同巷道断面形式围岩稳定性

通过改变巷道的断面形状，可以有效控制巷道的变形。在桃园煤矿大倾角煤岩层中，为防破坏岩层层理结构，且保证帮部和跨度尺寸满足工程现场需求，断面形状及支护方式的选择至关重要。就桃园煤矿Ⅱ1044机巷，探究破“L”型内嵌式顶板断面与不破顶梯形断面下围岩稳定性的差异。根据矿上资料及其他大倾角煤矿工程实例显示[6-10]，此类巷道主要失稳位置在帮部和顶底板，以下只分析两种断面的高帮和顶底板稳定性差异。两种断面高低帮、跨度尺寸均相同，破顶点与低帮等高，位于巷道中心线处。

图2为两种断面形式下的垂直应力分布情况，可以看出在不支护情况下开挖，由于上覆岩层荷载的作用，巷道周围垂直应力分布呈现明显的非对称特征。破顶后的巷道垂直应力峰值小于未破顶梯形巷道，且出现应力集中位置到帮侧的距离不同，应力集中范围要大于梯形巷道。破顶巷道相比梯形巷道顶板面积更大，形成更大应力释放。

(a)梯形断面

(b)破顶断面

通过巷道高帮中点，在巷道左部布置50 m长水平监测点，得到两种方案高帮指定水平线上的垂直应力曲线如图3所示。

图3 两种断面形式高帮围岩垂直应力对比

从图3可以看出破顶断面在距高帮左侧2.75 m处时垂直应力达到峰值43.2 MPa，梯形断面在3 m处达到峰值41.3 MPa，而后都逐渐趋向围岩原始应力。

为进一步对比两种断面形式下的围岩稳定性，对两方案围岩塑性区进行对比，见图4。

(a)梯形断面

(b)破顶断面

由图4可见，倾斜煤层梯形巷道塑性区出现在巷道四周，且沿煤层倾角方向分布，而破顶后巷道顶板上方呈现大范围塑性区，巷道底板右下角塑性区减少，两种断面的塑性区破坏类型均为剪切破坏。

通过布置监测点，可得两种方案高帮及顶底板位移分布曲线，如图5所示。

(a)

(b)

(c)

由图5可以看出，与塑性区范围变化相对应，大倾角煤层破顶后高帮位移量小于未破顶情况下，顶板的位移量却明显大于未破顶情况下，梯形断面高帮最大位移量135.7 mm，破顶断面高帮最大位移量122 mm，两种方案中的巷道高帮左侧位移影响范围在9.5 m左右。

梯形断面顶板最大位移量47.7 mm，破顶断面顶板最大位移量80.8 mm。两种方案的底板位移量差异不大，都在110 mm左右。

4 结 论

通过对桃园煤矿Ⅱ1044工作面机巷破“L”型内嵌式顶板断面与不破顶梯形断面数值模拟对比分析，得到以下结论。

1)相较于未破顶时的梯形断面，破顶断面低帮侧垂直应力峰值更小，但高帮侧应力集中峰值要略大，且出现应力集中位置更靠近巷道。

2)两种方案塑性区对比，主要差异出现在破顶断面顶板上方出现大范围塑性区。

3)相较于未破顶时的梯形断面，破顶断面高帮位移量减小，但顶板位移量显著增大，底板位移量差异不明显。

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